CN117990072A - 一种隧道围岩收敛自动监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道围岩收敛自动监测方法，将基于光学摄像头的图像识别技术和基于激光测量仪的单点高程测量技术相结合，先识别出反光件并粗略的计算出各反光件中心点的坐标，以该坐标作为追踪目标使激光测量仪能够自动追踪到反光件本体，再通过激光测量仪对各反光件的高程信息进行精确测量，得到的各反光件的高程值数据会按照监控周期及时传输到云端，云端根据实际需要进行数据分析处理，生成单点坐标随时间变化的曲线和报告，以便对隧道围岩的收敛情况进行监测和预警。本发明实现了隧道围岩收敛情况的自动化监测和自动化数据分析处理。
Description
技术领域
本发明属于隧道变形测量技术领域，具体涉及一种基于光学摄像头和激光测量仪的隧道围岩收敛自动监测方法。
背景技术
在隧道工程中，隧道围岩的收敛情况是一项非常重要的监测指标。目前主要采用的监测方法是三维扫描仪和全站仪监测。三维扫描仪监测数据量比较大，难以实现全自动监测，因为大量数据传输，难以实现自动化处理数据；全站仪数据量小，但是一般需要人工进行测量，也难以实现自动化监测。因此，需要一种能够实现自动化监测的隧道围岩收敛监测方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于光学摄像头和激光测量仪的隧道围岩收敛自动监测方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种隧道围岩收敛自动监测方法，包括以下步骤：
步骤1：根据实际测量需求，在隧道围岩表面布设多个反光件，反光件采用徕卡360棱镜；
步骤2：使用光学摄像头对隧道围岩表面进行拍照，识别出反光件，并计算出各反光件在相机坐标系下的中心点坐标信息；
步骤3：将步骤2得到的反光件在相机坐标系下的中心点坐标变换到激光测量仪坐标系下，激光测量仪以反光件在激光测量仪坐标系下的中心点坐标为追踪目标，自动生成激光测量仪在激光测量仪坐标系下的追踪控制参数，追踪控制参数包括X轴旋转角度和Z轴旋转角度；然后激光测量仪自动调整Z轴和X轴的旋转角度追踪目标，并测量目标反光件的精确距离S以及竖直角a，计算各反光件的高程值H，H=sina•S；
步骤4：按照设定的监测周期，按照步骤2计算出新的各反光件在相机坐标系下的中心点坐标数据，再根据新的各反光件在相机坐标系下的中心点坐标数据，按照步骤3测量各反光件的新的高程值；
将得到的各反光件的高程值数据按照监控周期及时传输到云端，云端进行数据分析处理，生成单点坐标随时间变化的曲线和报告，用于对围岩的收敛情况进行监测和预警。
在上述技术方案中，步骤2包括以下步骤：
步骤2.1、利用高斯函数对图像进行平滑处理；
步骤2.2、对平滑处理之后的图像选用Sobel梯度算子计算相邻像素之间一阶偏导的有限差分来计算各像素点梯度的大小和方向；
步骤2.3、过滤非极大值；
步骤2.4、使用上下阈值来检测边缘，大于上阈值的点都被检测为边缘点，小于下阈值的点都被检测为非边缘点；介于上下阈值之间的点则被检测为弱边缘点，如果与确定为边缘点的像素点邻接，则判定为边缘点，否则为非边缘点；
步骤2.5、反光件边缘检测完成后，对识别出的反光件边缘数据拟合十字线的直线求取其交点，将该交点坐标作为该反光件在像素坐标系下的中心点坐标；
步骤2.6、根据上述步骤2.5得到的反光件在像素坐标系下的中心点坐标，计算反光件在相机坐标系下的中心点坐标。
在上述技术方案中，反光件在像素坐标系的中心点坐标和在相机坐标系的中心点坐标的转换关系如下：
；
其中，为相机的内参矩阵，/>为反光件在像素坐标系下的中心点坐标；/>为反光件在相机坐标系c下的中心点坐标。
在上述技术方案中，预先建立时间与相机内参之间的关系，从最小焦距开始等时等间隔变焦，标定每个焦距下的相机内参，根据变焦时间完成对相机内参的在线查找。
在上述技术方案中，步骤2计算出的反光件在相机坐标系下的中心点坐标的误差要小于反光件本体的自身半径尺寸。
在上述技术方案中，激光测量仪具有绕其Z轴旋转调节以及绕其X轴旋转调节功能。
在上述技术方案中，步骤3中，追踪目标时，激光测量仪首先调整Z轴旋转角度，Z轴旋转角度到位后再调整X轴旋转角度。
在上述技术方案中，步骤3中，可以采用激光测量仪照射现场的已知基准固定点，确定激光测量仪在世界坐标系中的高程值Zto，进而可以得到反光件在世界坐标系中的高程值Ho=sina•S+Zto。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明将基于光学摄像头的图像识别技术和基于激光测量仪的单点高程测量技术相结合，先识别出反光件并粗略的计算出各反光件中心点的坐标，以该坐标作为追踪目标使激光测量仪能够自动追踪到反光件本体，再通过激光测量仪对各反光件的高程信息进行精确测量，得到的各反光件的高程值数据会按照监控周期及时传输到云端，云端根据实际需要进行数据分析处理，生成单点坐标随时间变化的曲线和报告，以便对隧道围岩的收敛情况进行监测和预警。综上，本发明实现了隧道围岩收敛情况的自动化监测和自动化数据分析处理；
2、本发明的数据量可控。可以根据实际需要，设置待监测的反光件的数量，避免了采用三维扫描仪监测方法的大数据量难以传输和处理的缺点；
3、本发明的测量精确度高。使用激光测量仪对隧道围岩上的反光件进行精确测量，提高了监测精度。
附图说明
图1是本发明的隧道围岩收敛自动监测方法的流程图。
图2是激光测量仪在自身坐标系下的追踪控制参数的坐标转换关系图。
图3是激光测量仪测量目标高程值的示意图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种隧道围岩收敛自动监测方法，参见附图1，包括以下步骤。
步骤1：根据实际测量需求，在隧道围岩表面布设多个反光件，反光件采用徕卡360棱镜，通过360棱镜能够任意角度直接看到棱镜中心，以避免不同棱镜面定位差别和棱镜偏转带来的影响。
步骤2：使用光学摄像头对隧道围岩表面进行拍照，识别出反光件，并计算出各反光件在相机坐标系下的中心点坐标信息。
为了更准确快速的识别出照片中反光件，本发明采用canny算子对反光件进行边缘检测，识别反光件的轮廓。由于canny算子属于二阶微分算子，使用两种不同的阈值分别检测强边缘和弱边缘，可以找到最优边缘，相比于一阶微分算子提取的边缘不仅效果更好而且抗噪性强。具体步骤如下。
步骤2.1、降噪，利用高斯函数对图像进行平滑处理。对位置为的像素点，其灰度值为/>，经过高斯滤波后的灰度值为：
；
其中，为高斯滤波的平滑程度控制参数，/>越大，图像越平缓。
步骤2.2、计算梯度幅值和梯度方向。将高斯滤波之后的图像选用Sobel梯度算子计算相邻像素之间一阶偏导的有限差分来计算各像素点梯度的大小和方向：
；
；
其中，和/>为 Sobel 梯度算子，/>为水平方向的差分，/>为垂直方向的差分，则梯度幅值/>和梯度方向/>为：
；
。
步骤2.3、过滤非极大值。在高斯滤波过程中，边缘有可能会被放大，使边缘宽度尽可能为1个像素点，若该点的梯度幅值在该点所在领域内是最大的，则该点属于可能的边缘点，否则不是，采取抑制手段，将灰度值设为0。
步骤2.4、使用上下阈值来检测边缘，大于上阈值的点都被检测为边缘点，小于下阈值的点都被检测为非边缘点；介于上下阈值之间的点则被检测为弱边缘点，如果与确定为边缘点的像素点邻接，则判定为边缘点，否则为非边缘点。
步骤2.5、反光件边缘检测完成后，对识别出的反光件边缘数据拟合十字线的直线求取其交点，将该交点坐标作为该反光件在像素坐标系下的中心点坐标。
步骤2.6、根据上述步骤2.5得到的反光件在像素坐标系下的中心点坐标，计算反光件在相机坐标系下的中心点坐标。
反光件在像素坐标系的中心点坐标和在相机坐标系的中心点坐标的转换关系如下：
；
其中，为相机的内参矩阵，可以通过张正友相机标定法获得；/>为反光件在像素坐标系下的中心点坐标；/>为反光件在相机坐标系c下的中心点坐标。
进一步的，由于变焦相机在实时调焦过程中，焦距会发生变化，相机的内参数会发生改变，所以需要在离线状态下，建立时间与相机内参之间的关系，从最小焦距开始等时等间隔变焦，标定每个焦距下的相机内参，从而即可根据变焦时间完成对相机内参的在线查找。
需要说明的是，由于此步骤是基于图像识别技术实现的，因此得到的反光件在相机坐标系下的中心点坐标精度并不是很高，本步骤的目的是先粗略的计算出反光件中心点的坐标，后续以该坐标作为追踪目标使激光测量仪能够自动检测到反光件本体（由于反光件本体自身是具有一定尺寸的，所以即便本步骤计算出的反光件中心点坐标有误差，但是该误差的最大范围只要小于反光件本体的自身半径尺寸，那么在追踪目标时激光测量仪的激光束就能够检测到反光件本体），再通过激光测量仪对反光件的高程信息进行精确测量。
步骤3：将步骤2得到的反光件在相机坐标系下的中心点坐标变换到激光测量仪坐标系下，激光测量仪依次对各反光件进行自动追踪，测量各反光件的精确高程值。具体步骤如下。
步骤3.1、构建相机坐标系c到激光测量仪坐标系t的空间位姿变换关系，将步骤2得到的反光件在相机坐标系下的中心点坐标变换到激光测量仪坐标系下：
；
其中，为反光件在激光测量仪坐标系t的中心点坐标，/>为反光件在相机坐标系c下的中心点坐标，/>为旋转量，/>，/>、/>、/>分别为相机坐标系c与激光测量仪坐标系t的x/y/z轴的夹角，/>为平移量，/>、/>、/>分别为相机坐标系c与激光测量仪坐标系t的x/y/z轴的水平偏移量。
步骤3.2、激光测量仪具有绕其Z轴旋转调节以及绕其X轴旋转调节功能，参见附图2，激光测量仪以步骤3.1得到的反光件在激光测量仪坐标系t下的中心点坐标为追踪目标P，自动生成激光测量仪在激光测量仪坐标系t下的追踪控制参数，追踪控制参数包括X轴旋转角度和Z轴旋转角度/>，/>，/>，然后激光测量仪自动调整Z轴和X轴的旋转角度追踪目标，并测量目标反光件的精确距离S以及竖直角a。进一步的，追踪目标时，激光测量仪首先调整Z轴旋转角度，Z轴旋转角度到位后再调整X轴旋转角度。
步骤3.3、参见附图3，根据步骤3.2测量的各反光件的距离S以及竖直角a信息，计算各反光件的高程值H，H=sina•S。
步骤3.4、采用激光测量仪照射现场的已知基准固定点，确定激光测量仪在世界坐标系O中的高程值Zto，则反光件在世界坐标系O中的高程值Ho=sina•S+Zto。
步骤4：按照设定的监测周期，按照步骤2计算出新的各反光件在相机坐标系下的中心点坐标数据，再根据新的各反光件在相机坐标系下的中心点坐标数据，按照步骤3测量各反光件的新的高程值。
得到的各反光件的高程值数据会按照监控周期及时传输到云端，云端根据实际需要进行数据分析处理，生成单点坐标随时间变化的曲线和报告，以便对隧道围岩的收敛情况进行监测和预警。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种隧道围岩收敛自动监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据实际测量需求，在隧道围岩表面布设多个反光件，反光件采用徕卡360棱镜；
步骤2：使用光学摄像头对隧道围岩表面进行拍照，识别出反光件，并计算出各反光件在相机坐标系下的中心点坐标信息；
步骤3：将步骤2得到的反光件在相机坐标系下的中心点坐标变换到激光测量仪坐标系下，激光测量仪以反光件在激光测量仪坐标系下的中心点坐标为追踪目标，自动生成激光测量仪在激光测量仪坐标系下的追踪控制参数，追踪控制参数包括X轴旋转角度和Z轴旋转角度；然后激光测量仪自动调整Z轴和X轴的旋转角度追踪目标，并测量目标反光件的精确距离S以及竖直角a，计算各反光件的高程值H，H=sina•S；
步骤4：按照设定的监测周期，按照步骤2计算出新的各反光件在相机坐标系下的中心点坐标数据，再根据新的各反光件在相机坐标系下的中心点坐标数据，按照步骤3测量各反光件的新的高程值；
将得到的各反光件的高程值数据按照监控周期及时传输到云端，云端进行数据分析处理，生成单点坐标随时间变化的曲线和报告，用于对围岩的收敛情况进行监测和预警。
2.根据权利要求1所述的隧道围岩收敛自动监测方法，其特征在于，步骤2包括以下步骤：
步骤2.1、利用高斯函数对图像进行平滑处理；
步骤2.2、对平滑处理之后的图像选用Sobel梯度算子计算相邻像素之间一阶偏导的有限差分来计算各像素点梯度的大小和方向；
步骤2.3、过滤非极大值；
步骤2.4、使用上下阈值来检测边缘，大于上阈值的点都被检测为边缘点，小于下阈值的点都被检测为非边缘点；介于上下阈值之间的点则被检测为弱边缘点，如果与确定为边缘点的像素点邻接，则判定为边缘点，否则为非边缘点；
步骤2.5、反光件边缘检测完成后，对识别出的反光件边缘数据拟合十字线的直线求取其交点，将该交点坐标作为该反光件在像素坐标系下的中心点坐标；
步骤2.6、根据上述步骤2.5得到的反光件在像素坐标系下的中心点坐标，计算反光件在相机坐标系下的中心点坐标。
3.根据权利要求1所述的隧道围岩收敛自动监测方法，其特征在于：反光件在像素坐标系的中心点坐标和在相机坐标系的中心点坐标的转换关系如下：
；
其中，为相机的内参矩阵，/>为反光件在像素坐标系下的中心点坐标；/>为反光件在相机坐标系c下的中心点坐标。
4.根据权利要求3所述的隧道围岩收敛自动监测方法，其特征在于：预先建立时间与相机内参之间的关系，从最小焦距开始等时等间隔变焦，标定每个焦距下的相机内参，根据变焦时间完成对相机内参的在线查找。
5.根据权利要求1所述的隧道围岩收敛自动监测方法，其特征在于：步骤2计算出的反光件在相机坐标系下的中心点坐标的误差要小于反光件本体的自身半径尺寸。
6.根据权利要求1所述的隧道围岩收敛自动监测方法，其特征在于：激光测量仪具有绕其Z轴旋转调节以及绕其X轴旋转调节功能。
7.根据权利要求1所述的隧道围岩收敛自动监测方法，其特征在于：步骤3中，追踪目标时，激光测量仪首先调整Z轴旋转角度，Z轴旋转角度到位后再调整X轴旋转角度。
8.根据权利要求1所述的隧道围岩收敛自动监测方法，其特征在于：步骤3中，采用激光测量仪照射现场的已知基准固定点，确定激光测量仪在世界坐标系中的高程值Zto，得到反光件在世界坐标系中的高程值Ho=sina•S+Zto。
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