一种隧道洞周变形监测系统及方法与流程

本发明涉及机器视觉和摄影测量技术领域，特别是涉及一种隧道洞周变形监测系统及方法。

背景技术：

随着我国经济社会的发展和进步，我国的高速公路网日益发展和成熟。在当前的高速公路组成中，隧道是一个重要的组成部分。尤其是在四川、云南等多山地地形复杂地区，隧道建设是家常便饭，更是会出现大量超长隧道。然而在现如今的隧道工程监测方面中，主要还是采用人工检测的方法。这种人工检测方法有多种，例如大地测量法、insar技术、三维激光扫描、gps技术等，以此来得到隧道洞周的变形情况。

由于隧道在使用过程中情况复杂，隧道变形的出现情况难以提前掌握，如果隧道变形情况出现但却未被监测人员掌握，可能因此造成巨大的经济和人员损失。目前现有的常用的监测隧道洞周变形技术主要是利用扫描设备和gps技术进行变形监测。传统的监测方式主要是仪器成本昂贵，会消耗大量的人力物力，数据处理时间较长、智能程度低、时空连续性差；尤其是在超长隧道的检测中，具体实施有很大的困难。针对此种检测方式的不足，近年来出现的机器视觉技术实现了对整个隧道变形监测的智能化，与传统的扫描检测相比，本发明利用机器视觉技术，采用ccd相机智能拍照与机械自动化结合，全面实现智能检测，具有时空连续性强、智能程度高、精度高、可操作性优等特点，因此可广泛应用在隧道的洞周变形安全监测预警当中。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有隧道洞周变形监测技术存在的费时费力、造价昂贵，且不具备时空连续性和高水准智能化的不足，提供一种基于机器视觉技术的隧道洞周变形监测系统及方法。

该系统主要由双目ccd照相机、图像捕获卡、滑槽、图像处理软件及数据库、相机承台、输入输出单元、远程控制端组成。能实现全面监测隧道洞周变形情况，准确掌握可能存在的故障隐患，减少损失。

本发明所采用的的技术方案是：

在不影响隧道正常使用的时段，在隧道两旁铺设能够覆盖隧道要求检测长度的波浪形金属滑槽，金属滑槽安装在隧道避人洞上方，以不影响隧道内部结构正常工作为基础要求，将双目ccd相机通过相机承台安装在金属滑槽上。

隧道左侧相机拍摄隧道洞周右侧画面，隧道右侧相机拍摄隧道洞周左侧画面。提前根据计算布设好相应标志点，由远程控制端控制双目摄像机，在一个标志点对应位置拍摄完成之后，相机承台自动随滑槽移动到下一个标志点对应位置，若需要缩短测量时间可设置多台双目ccd相机同时进行测量工作。

由双目ccd照相机获得的图像全部储存在usb视屏采集卡中，可先由图像处理软件和双目ccd相机本身进行预处理，去除可能存在的影响因素。再将双目ccd照相机上双目摄像头拍摄的照片，传入图像处理系统中，进行图像分析，得出相应的隧道洞周变形数据。

作为本发明的进一步技术方案，所述双目ccd相机上配置有双目镜头，为两个远心透镜镜头，一目为普通全彩变焦镜头，一目为光学透雾变焦镜头，通过雾感系数判断，实现快速转换，对拍摄的图像画面使用透雾算法进行透雾处理。

作为本发明的进一步技术方案，所述预处理是指双目ccd照相机本身自带窄带滤光片，每一个拍摄点对应每一个布设的反光标志点，相机拍摄时通过窄带滤光片的过滤，能够消除背景杂光的干扰，提高采相质量。

作为本发明的进一步技术方案，所述图像处理系统是指通过双目视觉相关算法，得到隧道洞周变形相关数据，通常算法处理的步骤为离线标定、双目矫正、双目匹配以及视差图后处理，其中离线标定的目的是获取相机的内参和外参。因为所述双目ccd相机采用远心镜头，在这些基础算法之上，我们采用了一种新的高精度的极坐标匹配算法；普通透镜成像模型有一个投影中心，在基线处有多个极平面相交，远心透镜成像模型是一个平行投影模型。因此，投影中心在无穷远处，每一个极平面都是平行的，所以极线也是平行的，直线和极平面是一一对应的。该特性简化了远心双目视觉在校准板参考平面上的点匹配计算，因为远心系统的极平面都是平行的,极平面上的行也与左、右镜头坐标平面的行互相平行。因此，在得到左右镜头坐标各行对应关系后，如果在左镜头中确定一个点，则右镜头中的匹配点必须在右镜头坐标系中的一行上。利用该约束条件，简化了双目视觉点匹配计算,减少了其他因素的干扰；提高了计算精度。

作为本发明的进一步技术方案，所述的双目ccd照相机通过usb视屏采集卡与远程控制端中的图像处理软件和数据库进行数据连接。

作为本发明的进一步技术方案，所述波浪形金属滑槽是指金属滑槽以波浪形安装在隧道左右洞壁上，可以与相机承台相配合，实现双目ccd照相机的多角度多面积拍摄，大大消除监测死角。

作为本发明的更进一步技术方案，所述波浪形滑槽安装在隧道左右洞壁的避人洞上方，并与隧道壁固定连接，所述双目ccd照相机与滑槽通过相机承台固定连接，所述具体拍摄角度可根据双目ccd相机位置及可转动相机承台来控制。

本发明与传统人工手持检测设备方法相比，具有能全面实现智能检测，不影响隧道运营，时空连续性强、智能程度高、精度高、可操作性优等优点，因此可广泛应用在隧道的洞周变形安全监测预警当中。

附图说明

图1是本发明一种隧道洞周变形检测系统及方法的具体实施步骤。

图2是本发明一种隧道洞周变形检测系统及方法的结构示意图。

图3是图2中相机承台结构示意图。

图4是图2中相机工作原理示意图。

图5是本发明一种隧道洞周变形检测系统及方法的极坐标匹配算法原理图。

图6是本发明一种隧道洞周变形检测系统及方法的检测装置安装位置示意图。

图中：1.双目ccd相机，2.相机承台，3.双目镜头，4.usb视屏采集卡，5.滑槽，6.输入输出装置，7.固定台，8.供电电源电路盒，9.中间可动滚珠，10.标志点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图2、图3所示，本发明一种隧道洞周变形监测系统和方法，主要由双目ccd相机1、相机承台2、双目镜头3、usb视屏采集卡4、滑槽5、数字相片处理软件系统和远程控制端组成。所述相机承台2主要由输入输出装置6、供电电源电路盒8、中间可动滚珠9、固定台7组成。所述双目ccd相机1是一种体积小、重量轻的工业相机，具有良好抗震洞和撞击的特性，所述usb视屏采集卡4是一种体积小巧并有足够储存空间的储存卡，所述滑槽5是一种金属滑槽，通过螺钉栓接或黏贴耦合固定在所监测的隧道两侧洞周，采用合金金属，具有重量轻且易于安装拆卸的特点，所述相机承台2通过中间可动滚珠9实现双目ccd相机1在固定台7上的360°旋转，可以达到广角拍摄的目的，固定台7上安装了4个凹槽和若干铁片，共同构成双目ccd相机1的固定装置，在安装好隧道中的滑槽和双目ccd相机后，通过计算机主机的动态计算和控制，使双目ccd相机1在滑槽5上对应的一个标志点10进行洞周图像拍摄后，自动滑移到下一标志点10，重复工作到最后一个标志点10，自动结束工作。然后由检测人员拆下usb视屏采集卡4，将usb视屏采集卡4中数据传入远程控制端的图像处理系统，得出隧道洞周变形情况。整个过程效率高且高智能化，不仅极大地减少了人力物力的消耗，并且比原本传统的隧道洞周变形监测方式更加准确，对洞周变形情况掌握更加完善，极大地降低了检测出错率。对于超长隧道，可以在滑槽两端或是滑槽上的多点放置双目ccd相机1，多台相机同时工作，从而达到快速检测超长隧道的目的。