專利名稱：一種大型隧道變形測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大型隧道變形測量方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在生活中，隨著高速公路或者鐵路、城市軌道交通工程日益增加，大型隧道工程的運(yùn)用越來越多，而大型的隧道在施工工程要求高，尤其是在施工工藝、支護(hù)要求和變形方面有更高的要求。隧道的變形監(jiān)測與控制是隧道施工過程和后續(xù)隧道維護(hù)過程中非常重要的內(nèi)容，如何更精確的監(jiān)測隧道的變形已經(jīng)成為工程人員的熱點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn)。隧道的施工改變原有的地理結(jié)構(gòu)，破壞了原有的地質(zhì)平衡，造成隧道變形，這種變形貫穿于隧道施工開挖到隧道成型支護(hù)形成一個(gè)新的平衡的整個(gè)過程中，為了防止隧道產(chǎn)生破壞性的變形，發(fā)生工程事故，隧道工程要求其總變形量通?？刂圃趶V2cm以內(nèi)，這樣就迫切需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地提供隧道變形的數(shù)據(jù)，且觀測的精度要求較高。傳統(tǒng)的測量變形的方法比較少，且測量不方便、變形量的測量精度較差，如采用傳感器的方式，需要在隧道壁上面安裝足夠多的傳感器，甚至需要在隧道施工過程中去安裝，極其不方便，也難于維修，且傳感器的方式屬于接觸式的，工作過程復(fù)雜、效率低。還有一些采用超聲波方式，測量變形的精度差，受干擾程度大，這些都是測量方法本身的固有屬性造成的，不容易克服。全站儀用于變形監(jiān)測的缺點(diǎn)是測量精度低，另外測量點(diǎn)數(shù)目多將大大增加測量的工作量，例如大型隧道，監(jiān)測變形需要大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，在測量過程需要大量的人力和時(shí)間，不易實(shí)現(xiàn)自動化檢測。另外利用水準(zhǔn)儀配合水準(zhǔn)尺的觀測同樣實(shí)施困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述問題，提供一種大型隧道的變形測量方法， 這種方法能夠高精度的測量隧道在三維空間的變形情況，指導(dǎo)工程人員提前預(yù)防隧道隱患，加固隧道基體，此方法測量方便快捷，測量數(shù)據(jù)的整體性好，提高了隧道變形數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明的大型隧道變形測量方法包括以下步驟
步驟一、在待測隧道中布置一輛可在隧道內(nèi)行進(jìn)的小車，將由相機(jī)、鏡頭、點(diǎn)激光儀和照明燈組裝成的圖像采集裝置安裝在該小車上，其中相機(jī)共有兩部且構(gòu)成雙目相機(jī)；
步驟二、調(diào)整兩部相機(jī)的位置和夾角、以及照明燈的位置，使兩部相機(jī)能同時(shí)采集到隧道壁上同一區(qū)域的清晰照片；并用標(biāo)定板或標(biāo)定十字架對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，得到相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和相機(jī)的相對位置關(guān)系；
步驟三、使小車在隧道中行進(jìn)，且小車每行進(jìn)一定距離就停留一段時(shí)間，在小車停留的這段時(shí)間內(nèi)，將點(diǎn)激光儀制造出的激光標(biāo)志點(diǎn)投射到隧道的壁面上，然后用相機(jī)采集包含有所述激光標(biāo)志點(diǎn)的隧道壁面照片，直至完成整個(gè)隧道壁面的圖像采集；
步驟四、將采集的照片導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，利用測量軟件識別出每張照片上激光標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，并根據(jù)多張照片上的同一激光標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐標(biāo)計(jì)算得到每ー個(gè)激光標(biāo)志點(diǎn)的三維立體坐標(biāo)，從而形成了整個(gè)隧道稀疏的三維立體模型數(shù)據(jù)；
步驟五、重復(fù)所述步驟三和步驟四的操作，得到在另ー時(shí)刻整個(gè)隧道稀疏的三維立體模型數(shù)據(jù)；然后將這兩組不同時(shí)刻的隧道三維立體模型數(shù)據(jù)進(jìn)行求差對比，分析隧道在不同時(shí)刻的變形情況。作為優(yōu)選，本發(fā)明在所述小車上還安裝有運(yùn)動控制器，在所述隧道中還布置有便于小車行進(jìn)的軌道，且軌道盡量布置在隧道寬度方向的中間位置，所述激光標(biāo)志點(diǎn)的直徑最好為10mm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本測量方法采用非接觸式的光學(xué)測量，通過向隧道壁投射若干激光標(biāo)志點(diǎn)作為測量基準(zhǔn)點(diǎn)，用兩部相機(jī)同步采集隧道壁激光標(biāo)志點(diǎn)的高分辨率數(shù)字圖像，通過圖像識別、機(jī)器視覺等方法計(jì)算出測量位置的三維立體數(shù)據(jù)，通過測量的不同時(shí)刻數(shù)據(jù)對比來檢測隧道在不同時(shí)刻的變形量。具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、該方法操作簡單方便，大部分工作都是有電腦軟件完成，數(shù)據(jù)的采集工作也自動化， 只需人為調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)，便于數(shù)據(jù)采集。2、該方法采用了光學(xué)非接觸測量方式，通過對拍攝的一系列隧道壁激光標(biāo)志點(diǎn)圖像分析來計(jì)算隧道的形狀和變形信息，測量的精度較高。3、同時(shí)，對大型長隧道采集的數(shù)據(jù)的坐標(biāo)統(tǒng)一，數(shù)據(jù)整體性好，可以保證測量數(shù)據(jù)的可靠性，也便于分析隧道在不同時(shí)間段的變形信息。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例中進(jìn)行圖像采集時(shí)的エ件布置其中1-軌道，2-小車，3-相機(jī)，4-點(diǎn)激光儀，5-激光標(biāo)志點(diǎn)，6-隧道壁。
具體實(shí)施例方式參照圖1所示，本實(shí)施例大型隧道變形測量方法包括以下步驟 步驟一、安裝圖像采集裝置
在待測隧道中布置一輛可在隧道內(nèi)行進(jìn)的小車2，將由點(diǎn)激光儀4、相機(jī)3、鏡頭和照明燈組裝成的圖像采集裝置安裝在該小車2上，以便于小車在隧道中行進(jìn)時(shí)，相機(jī)3可隨時(shí)采集隧道壁的圖像，用于后續(xù)分析。其中相機(jī)3共有兩部，從而構(gòu)成雙目相機(jī)。為了便于小車2的行迸，本例還在小車2上安裝了運(yùn)動控制器，在隧道中布置了軌道1。其中運(yùn)動控制器可控制小車在隧道中的行進(jìn)；軌道1的結(jié)構(gòu)類似于地鐵隧道中的地鐵鐵軌，而且應(yīng)盡量保證該軌道1布置在隧道寬度方向的中間位置，以保證小車2上的相機(jī) 3到四周隧道壁6的距離大致相等。為了獲得比較好的拍攝效果，對本步驟一般有如下要求
點(diǎn)激光儀發(fā)出的激光標(biāo)志點(diǎn)的直徑最好為10mm，根據(jù)相機(jī)到隧道壁的距離選定相機(jī)鏡頭焦距，既要保證拍攝的視場足夠大，又要保證拍攝的照片畸變小。如果拍攝距離為加左右，最好選20mm或者24mm鏡頭。步驟ニ、調(diào)整相機(jī)和照明燈的位置
調(diào)整兩部相機(jī)3的位置和夾角，同時(shí)調(diào)整照明燈的位置，從而保證兩部相機(jī)能同時(shí)采集到隧道壁6上同一區(qū)域的清晰照片。并用標(biāo)定板或標(biāo)定十字架對相機(jī)3進(jìn)行標(biāo)定，得到相機(jī)3的內(nèi)部參數(shù)和相機(jī)的相對位置關(guān)系，作為后面計(jì)算的依據(jù)。上述調(diào)整照明燈位置吋，要求在相機(jī)所要拍攝的黑暗的隧道壁6上形成均勻的亮度適中的光照，以相機(jī)拍攝的照片的清晰度和亮度適宜為準(zhǔn)。步驟三、圖像采集
當(dāng)步驟ー和步驟ニ中各裝置參數(shù)和位置調(diào)整好并標(biāo)定后，啟動小車運(yùn)動控制器，使小車在隧道中按“一定要求”行迸，同時(shí)利用點(diǎn)激光儀4制造激光標(biāo)志點(diǎn)5，并將制造出的激光標(biāo)志點(diǎn)5投射到隧道壁6上，然后用相機(jī)采集包含有所述激光標(biāo)志點(diǎn)的隧道壁面照片。上述的“ 一定要求”是指為了采集足夠多的數(shù)據(jù)，且保證ー個(gè)隧道截面數(shù)據(jù)的完整性，小車需要在每ー個(gè)隧道測量截面上停留幾秒，等拍攝完照片后小車移動到下ー個(gè)隧道測量截面再停留幾秒(在小車停留的這段時(shí)間內(nèi)，小車必然會處在隧道的一個(gè)橫截面上， 此時(shí)用相機(jī)采集到的隧道壁面的圖像都處于這個(gè)隧道截面上，小車停留的這個(gè)隧道截面稱之為“測量截面”)，依次往下，完成整個(gè)隧道的圖像數(shù)據(jù)采集。比如根據(jù)測量截面的密集度要求，如果每隔5m作為ー個(gè)測量截面，那么小車就需要每行進(jìn)5m停留10s，在每ー個(gè)測量截面停留的IOs內(nèi)，點(diǎn)激光儀4向隧道壁6投射一個(gè)激光標(biāo)志點(diǎn)5，同時(shí)相機(jī)3拍攝一組照片，然后圖像采集裝置在小車上轉(zhuǎn)動ー個(gè)角度，再拍攝一組照片，直至一個(gè)測量截面上的多個(gè)采樣位置(圖1中出示了 11個(gè)采樣位置)全部采集完照片。在此過程中最好用大功率LED燈照明，以保證采集到的激光點(diǎn)標(biāo)志點(diǎn)清晰可用； 在同一隧道截面(測量截面)上，采用點(diǎn)激光儀一次投射ー個(gè)激光標(biāo)志點(diǎn)，同時(shí)用雙目相機(jī)采集圖像，若在同一個(gè)隧道截面上需要采集多個(gè)隧道壁面圖像，則使用點(diǎn)激光儀多次投射激光標(biāo)志點(diǎn)并拍攝照片(如圖1)。步驟四、獲得隧道的三維立體模型數(shù)據(jù)
將采集的照片導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，利用測量軟件(如XJTUDPエ業(yè)近景攝影測量系統(tǒng))識別出每張照片上激光標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，并根據(jù)多張照片上的同一激光標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐標(biāo)計(jì)算得到每ー個(gè)激光標(biāo)志點(diǎn)的三維立體坐標(biāo)，從而形成了整個(gè)隧道稀疏的三維立體模型數(shù)據(jù)；
步驟五、獲得隧道在另ー時(shí)刻的三維立體模型數(shù)據(jù)，并將該時(shí)刻的隧道三維立體模型數(shù)據(jù)與步驟四獲得的隧道三維立體模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較
一般在一個(gè)星期(或多個(gè)星期)之后，重復(fù)上述步驟三和步驟四的操作，從而獲得在另 ー時(shí)刻整個(gè)隧道稀疏的三維立體模型數(shù)據(jù)(此時(shí)刻獲得的隧道三維立體模型數(shù)據(jù)相比于步驟四獲得的隧道三維立體模型數(shù)據(jù)，在時(shí)間上相差了一至數(shù)周)；然后將前后兩個(gè)不同時(shí)刻的兩組隧道三維立體模型數(shù)據(jù)進(jìn)行求差對比，分析隧道在不同時(shí)刻的變形情況。若變形量超過一定的值，就給出在哪ー個(gè)斷面變形量過大，變形量是多少，以便于工程維修人員采集加固保護(hù)措施，防止因?yàn)樽冃瘟窟^大而引起的隧道滲水或者其他事故，提高隧道的安全性。當(dāng)然，上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓人們能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明主要技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種大型隧道變形測量方法，其特征在于包括以下步驟步驟一、在待測隧道中布置一輛可在隧道內(nèi)行進(jìn)的小車，將由相機(jī)、鏡頭、點(diǎn)激光儀和照明燈組裝成的圖像采集裝置安裝在該小車上，其中相機(jī)共有兩部且構(gòu)成雙目相機(jī)；步驟二、調(diào)整兩部相機(jī)的位置和夾角、以及照明燈的位置，使兩部相機(jī)能同時(shí)采集到隧道壁上同一區(qū)域的清晰照片；并用標(biāo)定板或標(biāo)定十字架對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，得到相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和相機(jī)的相對位置關(guān)系；步驟三、使小車在隧道中行進(jìn)，且小車每行進(jìn)一定距離就停留一段時(shí)間，在小車停留的這段時(shí)間內(nèi)，將點(diǎn)激光儀制造出的激光標(biāo)志點(diǎn)投射到隧道的壁面上，然后用相機(jī)采集包含有所述激光標(biāo)志點(diǎn)的隧道壁面照片，直至完成整個(gè)隧道壁面的圖像采集；步驟四、將采集的照片導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，利用測量軟件識別出每張照片上激光標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，并根據(jù)多張照片上的同一激光標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐標(biāo)計(jì)算得到每一個(gè)激光標(biāo)志點(diǎn)的三維立體坐標(biāo)，從而形成了整個(gè)隧道稀疏的三維立體模型數(shù)據(jù)；步驟五、重復(fù)所述步驟三和步驟四的操作，得到在另一時(shí)刻整個(gè)隧道稀疏的三維立體模型數(shù)據(jù)；然后將這兩組不同時(shí)刻的隧道三維立體模型數(shù)據(jù)進(jìn)行求差對比，分析隧道在不同時(shí)刻的變形情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大型隧道變形量測量方法，其特征在于所述小車上安裝有運(yùn)動控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大型隧道變形量測量方法，其特征在于所述隧道中布置有便于小車行進(jìn)的軌道。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大型隧道變形量測量方法，其特征在于所述軌道布置在隧道寬度方向的中間位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大型隧道變形量測量方法，其特征在于所述激光標(biāo)志點(diǎn)的直徑為10mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大型隧道變形測量方法，該方法采用非接觸式的光學(xué)測量，通過向隧道壁投射若干激光標(biāo)志點(diǎn)作為測量基準(zhǔn)點(diǎn)，用兩部相機(jī)同步采集隧道壁激光標(biāo)志點(diǎn)的高分辨率數(shù)字圖像，通過圖像識別、機(jī)器視覺等方法計(jì)算出測量位置的三維立體數(shù)據(jù)，通過測量的不同時(shí)刻數(shù)據(jù)對比來檢測隧道在不同時(shí)刻的變形量。這種方法能夠高精度的測量隧道在三維空間的變形情況，指導(dǎo)工程人員提前預(yù)防隧道隱患，加固隧道基體，此方法測量方便快捷，測量數(shù)據(jù)的整體性好，提高了隧道變形數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和可靠性。
文檔編號G01B11/16GK102564335SQ201210012238
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者馮濤, 劉小波, 劉建立, 張龍, 梁晉 申請人:蘇州臨點(diǎn)三維科技有限公司