採用數碼照相技術的隧道圍巖變形檢測方法
2023-05-18 17:47:51 1
專利名稱：採用數碼照相技術的隧道圍巖變形檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種採用計算機遠程控制下的數碼照相技術的隧道圍巖變形檢測方法，適用於對隧道圍巖或工程圍擋物等微小形變監測以及利用數字圖像精確定位的生產應用。
背景技術：
近年來隨著中國國民經濟的迅速發展，新建鐵路、公路隧道、地下鐵道及其它地下工程項目與日俱增。伴隨著地下工程的的迅猛發展，施工期間地下工程結構體系的形變量測越來越受到重視。隧道形變監控量測是在隧道施工過程中對圍巖、地表、支護結構的形變和穩定狀態進行經常性觀察和量測的工作，是保證工程安全、指導設計施工和優化施工工藝所必需的環節。隧道圍巖的形變監測有助於修正工程設計，通過觀測數據與理論上的工程特性指標進行比較，為信息化施工提供重要依據。目前最常用的形變觀測方法包括收斂儀法、雷射經緯儀交會法、支距法及求積儀法等。而它們共同的缺點是測量時間長，需要固定時間和人員進行測量，不能及時發現突發的安全隱患，同時常常與施工作業相衝突。因此，尋求一個既能保證測量精度同時又能減少測量時間的測量方法，便成為隧道工程測量中一個既重要又很實際的問題。
發明內容
鑑於隧道圍巖測量有別於常規測量的獨特性，為解決隧道圍巖形變信息測量中所面臨的困難，本發明的目的在於，提供一種採用數碼照相技術的隧道圍巖變形檢測方法，該方法結合圍巖形變特點，通過對圍巖特徵點標定的方法，對隧道圍巖進行了圖像採集，利用數字圖像處理方法深入的分析研究，提出了圖像型隧道圍巖變形智能預警測量方法，能夠實時監測隧道內圍巖的微小形變，並能夠實現自動預警。為了實現上述任務，本發明採取如下的技術解決方案予以實現一種採用數碼照相技術的隧道圍巖變形檢測方法，其特徵在於，該方法在隧道圍巖斷面上設置若干個觀測點，並對觀測點利用數字成像設備進行拍攝，將採集的圖像利用無線網絡傳輸到監控計算機中，由監控計算機對監測的圖像進行處理，得到圍巖形變的量測數據，具體包括下列步驟I)建立圖像像素與空間距離之間的關係首先確定數碼影像量測坐標系，建立像平面坐標系用以表示像素點在像平面上的位置，根據拍攝點與標記點之間的關係建立像點和對應標記點空間位置的相互換算關係；這個關係採用成對的標準距離的固定標記點的成像後像素關係，從而得到較為精確地像素與具體空間距離的換算關係；這種關係的建立也與本方法的後面計算過程有關係。2)對圖像進行預處理將採集到圍巖圖像進行增強，對其中的觀測特徵，即邊緣、輪廓、對比度等進行強調或銳化，以便顯示觀察和進一步分析與處理，經過增強後的圍巖採集圖像並不增加其中的相關信息，但增加所識別的觀測點特徵的顏色值的動態範圍，根據採樣圖中的RGB3分量以及它們的權重來求取信號最高和最低值的相對比值，其中灰度修正使圍巖圖像動態範圍加大，對比度擴展，圖像清晰，特徵明顯。從而使這些特徵檢測或識別更加容易；3 )對圖像信息的閾值分割由於利用數碼影像坐標定位特徵點識別算法是基於二值化後觀測到的圍巖信息圖像。所以在進一步提取圖像信息前，需要對帶有標記點的圍巖圖像進行二值化，並採用最大類間方差法將直方圖在某一閾值處分割成兩組，當被分成的兩組的方差為最大時，將該分割值定為分割閾值； 4)對圖像進行形態學算法處理將過預處理的圍巖信息圖像，利用形態學算法對背景圖片進行降噪處理，再通過連通區域標記法得到圍巖目標標記點的最終精細輪廓，並在像平面坐標系找到目標標記點的輪廓形狀的形心實現坐標定位，將坐標數據返回，得到圍巖形變量測數據；5)利用計算機遠程控制數位相機，在一定時間段內連續拍攝，根據不同時間的圖像中圍巖標記點的坐標比對，確定圍巖在一定時段內的變形情況，並在超出預警值時自動預警。本發明的採用數碼照相技術的隧道圍巖變形檢測方法，以現在高速發展的信息技術為指導，結合圖像識別技術改變了常規隧道施工中的圍巖監測量測方式，實現了量測的自動化、實時化並可起到及時預警的目的，量測精度從0. 01毫米-10毫米，可根據圍巖地質情況調整檢測參數。能夠對圍巖變形進行連續、智能、即時、穩定的量測，給非接觸量測方法開闢了一條新的途徑。該方法優點如下I、可實現遠程不接觸的圍巖量測。2、精度高，受人為因素影響少。3、具有速度快、信息量豐富、對被測對象的影響小等特點；4、可實現智能化量測，量測時間間隔隨時調整，滿足不同安全需求。5、實現了隧道圍巖監測量測的自動化、實時化、可視化。6、實現圍巖變形的預警，預警的閾值可調，滿足變化的圍巖情況。7、可實現連續30*24小時的觀測，掌握圍巖連續變化情況。8、具有斷電保護功能並斷電報警。
圖I是本檢測方法的實驗流程圖；圖2是測點布置示意圖,其中標記1,2,3表示設置的圍巖觀測點。圖3是隧道圍巖特徵及標記點採集實拍照片；圖4為實地隧道圍巖採樣圖像處理後的觀測點灰度直方圖。以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式參見圖I.按照本發明的技術方案，本實施例給出了一種採用數碼照相技術的隧道圍巖變形檢測方法，它是鑑於隧道圍巖測量有別於常規測量的獨特性，為解決隧道圍巖形變信息測量中所面臨的困難，提出了一種基於數字圖像處理技術的測量方法，該方法在隧道圍巖斷面上若干個觀測點，並對觀測點進行拍攝，對隧道圍巖形變進行量測。通過利用圖像增強、圖像預處理、圖像識別等研究方法，經多級圖像處理，提高了對比度，銳化了目標邊緣，使圍巖觀測點更加清晰，從而把重點識別目標從隧道背景中有效分割出來，然後對處理後的圖像進行坐標定位比對，從而監測隧道圍巖的形變並自動預警。給非接觸量測方法開闢了一條新的途徑，是一種與傳統測量完全不同的新方法。具體實現的方法是I)利用數碼照相技術獲取觀測圖像 圍巖形變量測是對隧道斷面上所布置的觀測點及時進行測量，監測其沉降位移，其數據的採集主要取決於源數據的可獲得性和形變數據的解析度、精度要求、數據量大小和技術條件等。將最終的位移數據用以計算和分析圍巖收斂形變的大小和趨勢，通過監控量測了解該工程條件下所表現、反映出來的一些地下工程規律和特點，為今後類似工程和該工法本身的發展提供借鑑、依據和指導作用。隧道圍巖特徵及標記點採集實拍如圖3所
/Jn o隧道形變監測斷面中的測點和測線的布置如圖2所示。另外隧道圍巖圖像採集系統的數據線及圖像採集設備都加裝了相應的屏蔽罩，儘量將外界的幹擾信號屏蔽掉。2)利用高功率無線網絡傳輸，將監測圖像實時發送到遠程監控計算機。3)對圖像進行數碼影像分析首先確定數碼影像量測坐標系，像平面坐標系(X』，y』 )用以表示像素點在像平面上的位置，理想的成像系統中，像平面坐標系的原點與主點重合，其x』，r分別表示該像素在數字圖像中的列數和行數與圖像中心像素所在列數和行數的差值。圖像坐標系(X，y)是用以表徵像點在像平面內位置的二維平面坐標系。進而便於像點和對應點空間位置的相互換算轉換公式為
ix'-x/du -Su* XI f ,,其中，du、dv分別為同一像素在X和y方向上的物理尺寸；Su，Sv分別為x和y方向上的採樣頻率。再結合參考相機CCD型號和圖像解析度參數信息來進行選取具體數值。4)對圖像進行預處理將採集到圍巖圖像進行增強，對其中的觀測特徵，如邊緣、輪廓、對比度等進行強調或銳化，以便顯示觀察和進一步分析與處理。經過增強後的圍巖採集圖像並不增加其中的相關信息，但增加所選觀測點特徵的動態範圍，根據採樣圖中的RGB3分量以及它們的權重來求取信號最高和最低值的相對比值，其中灰度修正使圍巖圖像動態範圍加大，對比度擴展，圖像清晰，特徵明顯，從而使這些特徵檢測或識別更加容易。實地隧道圍巖採樣圖像處理後的觀測點灰度直方圖如圖4所示。5)對圖像信息的閾值分割。由於利用數碼影像坐標定位特徵點識別算法是基於二值化後觀測到的圍巖信息圖像，所以在進一步提取圖像信息前，需要對圍巖圖像進行二值化，對於一般方法效果較差，容易造成觀測點的斷裂、粘連，對噪聲也很敏感。採用最大類間方差法將直方圖在某一閾值處分割成兩組，當被分成的兩組的方差為最大時，將該分割值定為分割閾值。設隧道圍巖採樣圖像的灰度值為1-m級，灰度值為i的像素數為ni。此時可以得到總的像素數
權利要求
1.一種採用數碼照相技術的隧道圍巖變形檢測方法，其特徵在於，該方法在隧道圍巖斷面上若干個觀測點，並對觀測點進行拍攝，將採集的圖像利用無線網絡傳輸到監控計算機中，由監控計算機對監測的圖像按下列步驟進行處理 1)對圖像進行數碼影像分析 首先確定數碼影像量測坐標系，像平面坐標系xoy用以表示像素點在像平面上的位置，理想的成像系統中，像平面坐標系的原點與主點重合，其中，圖像坐標系是用以表徵像點在像平面內位置的ニ維平面坐標系，進而便於像點和對應點空間位置的相互換算； 2)對圖像進行預處理 將採集到圍巖圖像進行增強，對其中的觀測特徵，即邊緣、輪廓、對比度等進行強調或銳化，以便顯示觀察和進ー步分析與處理，經過增強後的圍巖採集圖像並不增加其中的相關信息，但增加所選觀測點特徵的顔色值的動態範圍，根據採樣圖中的RGB3分量以及它們的權重來求取信號最高和最低值的相對比值，其中灰度修正使圍巖圖像動態範圍加大，對比度擴展，圖像清晰，特徵明顯，從而使這些特徵檢測或識別更加容易； 3)對圖像信息的閾值分割 由於利用數碼影像坐標定位特徵點識別算法是基於ニ值化後觀測到的圍巖信息圖像，所以在進ー步提取圖像信息前，需要對圍巖圖像進行ニ值化，並採用最大類間方差法將直方圖在某一閾值處分割成兩組，當被分成的兩組的方差為最大時，將該分割值定為分割閾值； 4)對圖像進行形態學算法處理 將過預處理的圍巖信息圖像，利用形態學算法對背景圖片進行降噪處理，再通過連通區域標記法得到圍巖目標標記點的最終精細輪廓，並在像平面坐標系中定位，將坐標數據返回，得到圍巖形變量測數據； 5)利用計算機遠程控制數位相機，在一定時間段內連續拍攝，根據不同時間的圖像中圍巖標記點的坐標比對，確定圍巖在一定時段內的變形情況，並在超出預警值時自動預警。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，在暗環境下，所述的觀測點採用LED發光標記點，LED發光標記點由電池供電,有效發光持續時間大於ー個月。
全文摘要
本發明公開了一種採用計算機遠程控制下的數碼照相技術的隧道圍巖變形檢測方法，該方法在隧道圍巖斷面上設置若干個觀測點，並對觀測點利用數字成像設備進行拍攝，將採集的圖像利用無線網絡傳輸到監控計算機中，由監控計算機對監測的圖像進行處理，得到圍巖形變的量測數據。通過對隧道圍巖斷面上若干個觀測點進行拍攝，利用圖像增強、圖像預處理、圖像識別等研究方法,經多級圖像處理，提高了對比度，銳化了目標邊緣，使圍巖觀測點更加清晰，從而把重點識別目標從隧道背景中有效分割出來，然後對處理後的圖像進行坐標定位比對。可以快速地、安全地、自動化地對圍巖形變進行測量預警。
文檔編號G01B11/16GK102768022SQ20121025318
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月20日 優先權日2012年7月20日
發明者任少強, 劉學, 宋夢虎, 朱曉金, 王永順, 袁志清, 袁文倩, 趙樂, 鄭晅 申請人:長安大學