一种单目偏振三维成像隧道围岩变形监测方法与流程

本发明属于隧道围岩变形监测，涉及一种单目偏振三维成像隧道围岩变形监测方法。

背景技术：

1、川藏铁路沿线地形地貌剧烈起伏，地层岩性复杂多变，深大活动断裂分布广泛，内外地质作用异常活跃，多场环境耦合作用强烈，工程难度与风险极高。深部高频率、大体量的围岩变形监测是地下工程施工中的一项重要内容，如何研制改进现有的监测仪器，获得最接近实际的围岩变形信息是工程人员非常关心的问题。

2、位移监测的仪器主要有传统的收敛计(常用的有带式、杆式收敛计)、位移计(如sinco位移计、钢弦式位移计等)和全站仪、隧道断面仪、红外测距仪、激光测距仪等新技术监测设备。在工程实践中，传统量测仪器使用较为广泛，但收敛计只能量测洞壁收敛值、不能反映围岩深部的位移规律；位移计中传感器式成本高、稳定性差，不适于长期监测和大量使用；机械式主要采用杆式和钢丝(索)式多点位移计，杆式易发生全孔粘固，固结浆液改变围岩力学性质、不同深度位移相互干扰，钢丝(索)式受塌孔、挤压变形影响导致测量结果失真等问题。全站仪是经纬仪的电子化，集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体，广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。但是全站仪是单点测绘，获取的是单点坐标，工作效率低，对施工有一定干扰；另外全站仪的使用需要根据现场复核人员经验将数据测量出来，对人员操作要求高，局限性大。红外测距仪、激光测距仪等新技术监测设备因使用成本昂贵、对施工影响较大、对工作环境洁净度和操作人员要求较高等不足而未能获得普遍的应用。因此急需开发一种大画幅、非接触、远距离、操作简便的测量方法，大面积、高精度、快速获取隧道围岩三维模型。

3、目前国内已有的单目偏振三维成像技术文献主要开展理论研究，针对实验室内简单目标进行了实验验证，对复杂目标和场景重建存在问题，并且无法获取目标真实值；国内已有的隧道围岩变形监测专利采用无线通信技术，需要根据施工情况布设传感器节点，对施工存在一定影响。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种单目偏振三维成像隧道围岩变形监测方法，可实现对隧道围岩三维变形量的大画幅同时测量，无需布设多个控制点，避免多次架站引入误差，测量过程简便高效，大大减少了对施工的影响。

2、本发明的技术方案是：一种单目偏振三维成像隧道围岩变形监测方法，包括：

3、采集两期监测区域隧道围岩分焦平面式偏振图像，每期监测区域隧道围岩分焦平面式偏振图像由同一台分焦平面式偏振相机获得；

4、对两期监测区域隧道围岩分焦平面式偏振图像进行预处理，包括偏振插值、图像滤波、直方图均衡化和直方图匹配处理；

5、对预处理后的两期监测区域隧道围岩分焦平面式偏振图像进行立体匹配，将第二期分焦平面式偏振图像投影到第一期分焦平面式偏振图像所在的坐标系，获得第二期偏振图像投影后的图像；

6、对第一期偏振图像和第二期偏振图像投影后的图像分别进行单目偏振三维重建，获得两期隧道围岩三维模型；

7、从第一期偏振图像中获得的隧道围岩三维模型和从第二期偏振图像投影后的图像中获得的隧道围岩三维模型处于同一坐标系下，计算每个坐标位置的高程差，得出该坐标位置的高程改变量；对高程改变量进行标定，计算得到隧道围岩变形量真实值。

8、所述分焦平面式偏振相机两期的放置位置不要求完全一致，但是需保证两次测量覆盖相同变形区域。

9、对预处理后的两期监测区域隧道围岩分焦平面式偏振图像进行立体匹配，包括：拍摄两张场景有重合的照片，首先基于特征点具有局部差异性的原理捕捉很多特征点，其次对特征点进行优选，接着对优选出的关键特征点进行描述，然后找到一个最佳的矩阵用来描述两幅图像之间的特征点的对应关系，从而确定两幅图像的相对位置。

10、单目偏振三维重建，包括：

11、首先利用单幅偏振图像获取隧道围岩表面的偏振度和偏振角信息，其次从偏振度信息中解算出隧道围岩表面的天顶角，从偏振角信息中解算出隧道围岩表面的方位角，然后用天顶角和方位角表示隧道围岩表面的法向量，最后对法向量积分即可获得隧道围岩三维模型。

12、本发明与现有技术相比的优点在于：

13、深部高频率、大体量的围岩变形监测是地下工程施工中的一项重要内容，如何研制改进现有的监测仪器，获得最接近实际的围岩变形信息是工程人员非常关心的问题，急需开发一种大画幅、非接触、远距离、操作简便的测量方法，大面积、高精度、快速获取隧道围岩三维模型。本发明克服现有技术的不足，提供了一种单目偏振三维成像隧道围岩变形监测方法，可实现对隧道围岩三维变形量的大画幅同时测量，无需布设多个控制点，避免多次架站引入误差，测量过程简便高效，大大减少了对施工的影响。

14、(1)工程实践中，全站仪广泛应用于变形监测，但是全站仪的使用需要在待测点布设反光镜，布设位置受限。本发明采用了一种单目偏振三维成像的新技术，利用单台相机即拍即得隧道围岩三维模型，相比于传统双目、多目三维成像技术，无需获取设备位置，无需现场标定，尽量避免对施工的干扰，在简化测量操作的同时保证测量精度；另外，相比于现有的全站仪、红外测距仪、激光测距仪等单点测绘手段，本发明利用光学成像的方法获取区域变形量，效率极大提高。

15、(2)在经典单目偏振三维成像技术的基础上，开展面向隧道围岩变形监测应用的针对性改进，利用基于特征的匹配算法，将两期图像投影到同一坐标系中，解决两期测量设备位置不一致问题；利用事先标定的实验设备解决经典单目偏振三维成像技术无法获取三维变形量真实值的问题。

技术特征：

1.一种单目偏振三维成像隧道围岩变形监测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种单目偏振三维成像隧道围岩变形监测方法，其特征在于，所述分焦平面式偏振相机两期的放置位置不要求完全一致，但是需保证两次测量覆盖相同变形区域。

3.根据权利要求1所述的一种单目偏振三维成像隧道围岩变形监测方法，其特征在于，对预处理后的两期监测区域隧道围岩分焦平面式偏振图像进行立体匹配，包括：拍摄两张场景有重合的照片，首先基于特征点具有局部差异性的原理捕捉很多特征点，其次对特征点进行优选，接着对优选出的关键特征点进行描述，然后找到一个最佳的矩阵用来描述两幅图像之间的特征点的对应关系，从而确定两幅图像的相对位置。

4.根据权利要求1所述的一种单目偏振三维成像隧道围岩变形监测方法，其特征在于，单目偏振三维重建，包括：

技术总结
本发明提出一种单目偏振三维成像隧道围岩变形监测方法，包括：采集两期监测区域隧道围岩分焦平面式偏振图像；对两期监测区域隧道围岩分焦平面式偏振图像进行预处理；对预处理后的两期监测区域隧道围岩分焦平面式偏振图像进行立体匹配，并获得两期隧道围岩三维模型；从获得的隧道围岩三维模型处于同一坐标系下，计算每个坐标位置的高程差，得出该坐标位置的高程改变量；对高程改变量进行标定，计算得到隧道围岩变形量真实值。本发明可实现对隧道围岩三维变形量的大画幅同时测量，无需布设多个控制点，避免多次架站引入误差，测量过程简便高效，大大减少了对施工的影响。

技术研发人员：张月,张学敏,柳祎,李康,任维贺,苏云,李轩
受保护的技术使用者：北京空间机电研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12