CN116839539A - 一种用于隧道工程建设的自动监控量测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隧道工程建设的自动监控量测系统，涉及隧道工程技术领域，该自动监控量测系统的高清图像分析的模式在净空收敛以及相对沉降监测的应用上可以通过施工班组在掌子面推进过程中每10米左右断面锚定3～5个标准点，确保数码高清成像设备在挂布台车稳定后的成像范围内有2组或以上的标准点，以挂布台车稳定后的第一张图像为基础，间隔30‑60分钟拍摄一张图像，与基础图像进行比对，通过图像分析算法确定净空收敛和相对沉降位移量，本发明通过自动化监控量测模块的应用，减少人为因素对监控量测数据的影响，以真实性、即时性、有效性为目标，提高监控量测信息的安全价值。

Description

一种用于隧道工程建设的自动监控量测系统

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，具体是一种用于隧道工程建设的自动监控量测系统。

背景技术

隧道工程的自动监控量测方法有以下几种：

1、全站仪监控量测

全站仪是一种由电子、机械及光学器械构成的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、斜距、平距、高差测量等功能于一体的测绘仪器。

通过全站仪进行监控量测的优点在于精度较高，但缺点较明显，需要从基准点校准进行测量，每次测量都先要校准，而且需要大量人工操作，容易出现操作失误，且在隧道中不能自动进行监控量测。

2、隧道三维激光扫描监测

利用三维激光扫描系统实时、全方位、高精度、高密度获取海量实体点云数据，并进行点云拼接、滤波处理等得到隧道实体的三维模型和分析结果，生成了不同里程的断面图和变化分析图，可用来分析隧道的净空收敛和拱顶沉降等变化规律，并进行预警预报，具有数据真实可靠、全信息数字化等优点。

三维激光扫描的优点在于不容易人工修改造假，可对一定里程范围内任意位置进行监测，缺点是需要跟全站仪一样人工操作，无法实现自动监控量测，且监测分析精度低于全站仪。且三维激光扫描仪造价高，在隧道掌子面施工现场由于放炮和开挖施工引起震动、粉尘、落石，以及潮湿的工作环境，会大大影响测量精度和降低设备使用寿命，不利于推广应用。

3、激光测距仪

需要在每个监测断面安装激光测距仪和标靶。随着开挖往前，新的监测断面需要安装新的激光测距仪和标靶，在隧道初支两侧边墙布置。其优点是可以实时测量沉降和收敛数据。每个激光测距仪的高程需要配合静力水准仪来确定，综合高程变化和净空变化来确定隧道的沉降和收敛。缺点是安装通常离掌子面距离太近，爆破震动、灰尘、施工过程的碰撞都会影响监测，每个新的断面还需要人工安装激光测距仪、静力水准仪和标靶

针对上述问题，现在设计一种改进的用于隧道工程建设的自动监控量测系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于隧道工程建设的自动监控量测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于隧道工程建设的自动监控量测系统，包括以下步骤：

步骤1：高清成像；

通过4K摄像头定时，设定时间为每30分钟至60分钟拍摄一次高清画面，形成多个4K分辨率数字图片文件。

步骤2：文件传输；

数字图片文件通过有线网络及无线网络存储到图形算法服务器里。

步骤3：图像分析；

对图形算法服务器本地指定目录存放的数字图片文件进行分析，依据时间顺序将最新数字图片文件与最早数字图片文件进行比对，采用模板匹配算法匹配图片特征点在最新数字图片文件与最早数字图片文件的位置变化。

模板匹配是一种在副图中查找与图像最相似部位的图像处理技术。它从待识别图像中提取若干特征向量与模板对应的特征向量进行比较，计算图像与模板特征向量之间的距离，用最小距离法判定所属类别。

在进行模板匹配时，模板T(m,n)叠放在被搜索图S(W,H)上平移，模板和被搜索图重叠的那块区域叫做子图Si,j，其中i，j分别为子图左上角在被搜索图S上的坐标，搜索范围是：1≥i≥W-m，1≥j≥H-n，也就是从左上角开始搜索，直到到边界为止，然后在向下一行继续搜索，直到遍历完整张图像，就返回相似度最高的结果。

在计算模板图像与覆盖区域的相似度时本发明采用了平方差匹配算法，度量值R使用公式1计算。当模板图像在原始图像中移动到某一像素时，该像素点处的度量值是模板图像中每个像素的数值与对应原始图像中像素的数值之差的平方和。当模板图像与覆盖区域的像素完全一致时R(x，y)＝0，并且模板图像与覆盖区域越相似R的值越小，所以在结果图像矩阵R中查找最小值所在的位置就是模板匹配的结果。

公式1如下：

获取的最小值覆盖区域即发生位移变化后的图片特征区域，以模板左上角像素坐标(x1，y1)和最小覆盖区域左上角坐标(x2，y2)为目标特征点，互相作差得到目标特征点在x与y方向的像素变化值。

下一步，假设图片中心垂直于相机光轴，在不考虑拍摄目标沿平行于相机方向移动的情况下，可以用数字图片文件参数和物理几何关系计算图片文件每像素对应物理世界实际距离。

最后，根据匹配前后的图片特征点移动像素点数量和对应的距离值相乘，得到当前时间特征点所在隧道监测断面的净空收敛变化量。

步骤4：结果输出；

根据净空收敛数据变化情况，参照安全监测技术规程形成正常或预警结果。

本发明公布了一种用于隧道工程建设的自动监控量测系统，高清图像分析的基本原理是通过在基准点位长期固定拍摄，通过后期数码成像内容与早期数码成像内相同标准点为参考的高清分析比对，分析标准点位的相对位移量，来计算净空收敛。

高清图像分析的模式在净空收敛以及相对沉降监测的应用上可以通过施工班组在掌子面推进过程中每10米左右断面锚定3～5个标准点，确保数码高清成像设备在挂布台车稳定后的成像范围内有2组或以上的标准点，以挂布台车稳定后的第一张图像为基础，间隔30-60分钟拍摄一张图像，与基础图像进行比对，通过图像分析算法确定净空收敛和相对沉降位移量。采用单目相机成像的方法，通过水平投影夹角及基线关系，确定误差最小成像方式，通过算法补偿获得高精度净空收敛及相对水平沉降数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过自动化监控量测模块的应用，减少人为因素对监控量测数据的影响，以真实性、即时性、有效性为目标，提高监控量测信息的安全价值。以数码高清图像分析技术为基础的自动监控量测可以作为常规监控量测模式，形成具有行业标准的自动监控量测应用技术规范。

附图说明

图1为本发明的系统原理图。

图2为本发明的模板匹配过程图。

图3为本发明的像素和实际尺寸对应关系图。

图4为本发明的图像分析流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图4，本发明实施例中，一种用于隧道工程建设的自动监控量测系统，包括以下步骤：

步骤1：高清成像；

通过4K摄像头定时，设定时间为每30分钟至60分钟拍摄一次高清画面，形成多个4K分辨率数字图片文件。

步骤2：文件传输；

数字图片文件通过有线网络及无线网络存储到图形算法服务器里。

步骤3：图像分析；

对图形算法服务器本地指定目录存放的数字图片文件进行分析，依据时间顺序将最新数字图片文件与最早数字图片文件进行比对，采用模板匹配算法匹配图片特征点在最新数字图片文件与最早数字图片文件的位置变化。

模板匹配是一种在副图中查找与图像最相似部位的图像处理技术。它从待识别图像中提取若干特征向量与模板对应的特征向量进行比较，计算图像与模板特征向量之间的距离，用最小距离法判定所属类别。

在进行模板匹配时，模板T(m,n)叠放在被搜索图S(W,H)上平移，模板和被搜索图重叠的那块区域叫做子图Si,j，其中i，j分别为子图左上角在被搜索图S上的坐标，搜索范围是：1≥i≥W-m，1≥j≥H-n，也就是从左上角开始搜索，直到到边界为止，然后在向下一行继续搜索，直到遍历完整张图像，就返回相似度最高的结果。

在计算模板图像与覆盖区域的相似度时本发明采用了平方差匹配算法，度量值R使用公式1计算。当模板图像在原始图像中移动到某一像素时，该像素点处的度量值是模板图像中每个像素的数值与对应原始图像中像素的数值之差的平方和。当模板图像与覆盖区域的像素完全一致时R(x，y)＝0，并且模板图像与覆盖区域越相似R的值越小，所以在结果图像矩阵R中查找最小值所在的位置就是模板匹配的结果。

公式1如下：

获取的最小值覆盖区域即发生位移变化后的图片特征区域，以模板左上角像素坐标(x1，y1)和最小覆盖区域左上角坐标(x2，y2)为目标特征点，互相作差得到目标特征点在x与y方向的像素变化值。

下一步，假设图片中心垂直于相机光轴，在不考虑拍摄目标沿平行于相机方向移动的情况下，可以用数字图片文件参数和物理几何关系计算图片文件每像素对应物理世界实际距离。

最后，根据匹配前后的图片特征点移动像素点数量和对应的距离值相乘，得到当前时间特征点所在隧道监测断面的净空收敛变化量。

步骤4：结果输出；

根据净空收敛数据变化情况，参照安全监测技术规程形成正常或预警结果。

本发明公布了一种用于隧道工程建设的自动监控量测系统，高清图像分析的基本原理是通过在基准点位长期固定拍摄，通过后期数码成像内容与早期数码成像内相同标准点为参考的高清分析比对，分析标准点位的相对位移量，来计算净空收敛。

高清图像分析的模式在净空收敛以及相对沉降监测的应用上可以通过施工班组在掌子面推进过程中每10米左右断面锚定3～5个标准点，确保数码高清成像设备在挂布台车稳定后的成像范围内有2组或以上的标准点，以挂布台车稳定后的第一张图像为基础，间隔30-60分钟拍摄一张图像，与基础图像进行比对，通过图像分析算法确定净空收敛和相对沉降位移量。采用单目相机成像的方法，通过水平投影夹角及基线关系，确定误差最小成像方式，通过算法补偿获得高精度净空收敛及相对水平沉降数据。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。

Claims (4)

1.一种用于隧道工程建设的自动监控量测系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：高清成像；

通过4K摄像头定时，设定时间为每30分钟至60分钟拍摄一次高清画面，形成多个4K分辨率数字图片文件；

步骤2：文件传输；

数字图片文件通过有线网络及无线网络存储到图形算法服务器里；

步骤3：图像分析；

对图形算法服务器本地指定目录存放的数字图片文件进行分析，依据时间顺序将最新数字图片文件与最早数字图片文件进行比对，采用模板匹配算法匹配图片特征点在最新数字图片文件与最早数字图片文件的位置变化；

模板匹配是一种在副图中查找与图像最相似部位的图像处理技术，它从待识别图像中提取若干特征向量与模板对应的特征向量进行比较，计算图像与模板特征向量之间的距离，用最小距离法判定所属类别；

在进行模板匹配时，模板T(m,n)叠放在被搜索图S(W,H)上平移，模板和被搜索图重叠的那块区域叫做子图Si,j，其中i，j分别为子图左上角在被搜索图S上的坐标，搜索范围是：1≥i≥W-m，1≥j≥H-n，也就是从左上角开始搜索，直到到边界为止，然后在向下一行继续搜索，直到遍历完整张图像，就返回相似度最高的结果；

获取的最小值覆盖区域即发生位移变化后的图片特征区域，以模板左上角像素坐标(x1，y1)和最小覆盖区域左上角坐标(x2，y2)为目标特征点，互相作差得到目标特征点在x与y方向的像素变化值；

下一步，假设图片中心垂直于相机光轴，在不考虑拍摄目标沿平行于相机方向移动的情况下，可以用数字图片文件参数和物理几何关系计算图片文件每像素对应物理世界实际距离；

最后，根据匹配前后的图片特征点移动像素点数量和对应的距离值相乘，得到当前时间特征点所在隧道监测断面的净空收敛变化量；

步骤4：结果输出；

根据净空收敛数据变化情况，参照安全监测技术规程形成正常或预警结果；

高清图像分析的模式在净空收敛以及相对沉降监测的应用上可以通过施工班组在掌子面推进过程中每10米左右断面锚定3～5个标准点，确保数码高清成像设备在挂布台车稳定后的成像范围内有2组或以上的标准点，以挂布台车稳定后的第一张图像为基础，间隔30-60分钟拍摄一张图像，与基础图像进行比对，通过图像分析算法确定净空收敛和相对沉降位移量，采用单目相机成像的方法，通过水平投影夹角及基线关系，确定误差最小成像方式，通过算法补偿获得高精度净空收敛及相对水平沉降数据。

2.根据权利要求1所述的一种用于隧道工程建设的自动监控量测系统，其特征在于，所述步骤1中，4K摄像头的定时时间为40分钟。

3.根据权利要求1所述的一种用于隧道工程建设的自动监控量测系统，其特征在于，所述步骤1中，4K摄像头的定时时间为50分钟。

4.根据权利要求1所述的一种用于隧道工程建设的自动监控量测系统，其特征在于，所述步骤3中，在计算模板图像与覆盖区域的相似度时本发明采用了平方差匹配算法，度量值R使用公式1计算，当模板图像在原始图像中移动到某一像素时，该像素点处的度量值是模板图像中每个像素的数值与对应原始图像中像素的数值之差的平方和，当模板图像与覆盖区域的像素完全一致时R(x，y)＝0，并且模板图像与覆盖区域越相似R的值越小，所以在结果图像矩阵R中查找最小值所在的位置就是模板匹配的结果；

公式1如下：

R(x，y)＝∑_x′.y′(T(x′，y′)-I(x+x′，y+y′))²。