阅读说明：本技术 一种基于机器视觉的隧道掌子面位移监测的方法 (A method of the tunnel tunnel face displacement monitoring based on machine vision ) 是由 胡启军 邱佳 何乐平 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了涉及监测用的一种基于机器视觉的隧道掌子面位移监测的方法,主要由图像采集单元、信息传输单元、信息处理单元、报警单元及电源模块实现,其包括如下具体步骤：1)架设监测装置；2)CCD双目摄像机标定；3)采集掌子面图像；4)通过信息传输单元将采集的图像传输到信息处理单元,并进行隧道掌子面的三维模型重建；5)计算掌子面的相对位移及变形。若位移超过设定的阈值,则触发报警单元,发出警报；若位移未超限,则继续采集图像进行监测。通过机器视觉的方法进行隧道掌子面的变形监测,相比于现有变形监测技术——激光测距和传感器,具有更强的可操作性,且本装置实用简洁,很好地实现了掌子面的变形监测,更好地控制施工安全性。(The invention discloses a kind of methods for the tunnel tunnel face displacement monitoring based on machine vision for being related to monitoring, it is mainly realized by image acquisition units, information transmission unit, information process unit, alarm unit and power module comprising following specific steps: 1) setting up monitoring device；2) CCD binocular camera is demarcated；3) face image is acquired；4) pass through information transmission unit for the image transmitting of acquisition to information process unit, and carry out the reconstructing three-dimensional model of tunnel tunnel face；5) relative displacement and deformation of face are calculated.If displacement is more than the threshold value of setting, alarm unit is triggered, is sounded an alarm；If displacement is not transfinited, continues acquisition image and be monitored.The deformation monitoring of tunnel tunnel face is carried out by the method for machine vision, compared to existing technology for deformation monitoring --- laser ranging and sensor have stronger operability, and the present apparatus is practical succinct, the deformation monitoring of face is realized well, preferably control working security.)

一种基于机器视觉的隧道掌子面位移监测的方法

技术领域

本发明涉及监测用的一种基于机器视觉的隧道掌子面位移监测的方法。

背景技术

进入21世纪以来，我国的隧道隧道工程项目得到了飞速发展，根据我国2016年制定的第十三个五年计划可以看出，隧道工程在近些年的发展潜力十分巨大。由于隧道工程的特殊性，它在施工和运营过程中的安全监测一直是施工安全环节中必不可少的一环。目前隧道监测常用的手段有激光测距、传感器等。

掌子面的位移变形观测可以从一定程度上反映出当前开挖隧道的稳定性，目前关于隧道掌子面变形监测的技术很少，但又由于隧道掌子面是随施工不断推进的，具有很大的流动性，而目前常用的监测手段——激光测距和传感器在应用到隧道掌子面的监测时受到局限，不便于实现。

发明内容

为解决现有技术的缺乏和现有监测手段的局限，本发明提出了一种基于机器视觉的隧道掌子面位移监测的方法，采用这种非接触式的监测方式，其实现方法简单，监测效果可靠，很好地解决了前面所述问题。

为达到上述发明的目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于机器视觉的隧道掌子面位移监测的方法，主要由隧道掌子面图像采集单元、信息传输单元、信息处理单元、报警单元及电源模块来实现，优选地，所述的监测方法为：

1)架设监测装置；

首先在已开挖部分找到距离目标掌子面一定距离、不受施工影响且能采集到整个掌子面图像的地面上通过螺栓固定安装底板，然后架设CCD双目摄像机及配套的光源、电动防尘门等设备，通过信息传输单元连接上信息处理单元，信息处理单元和报警单元分别连接上电源模块后装置架设完成。

2)CCD双目摄像机标定；

对双目摄像机进行内部参数标定，获取摄像机内部参数，并构建内参矩阵。

3)采集掌子面图像；

调整光源合理后，每隔10秒采集一次掌子面图像。

4)通过信息传输单元将采集的图像传输到信息处理单元，并进行隧道掌子面的三维模型重建；

在信息处理单元接收到采集的图像后，采用SURF算法分别对左、右相机采集的图像进行特征点的提取，再依据MHT算法对左、右图像的相同特征点进行追踪，随后用SGM算法进行逐像素影像匹配，然后进行三维空间点定位,即解算出各特征点在世界坐标系中的坐标，由解算出的各坐标得到隧道掌子面的表面几何模型，最后进行纹理映射得到完整的隧道掌子面三维模型。

5)：计算掌子面的相对位移及变形；

通过对比当前模型与初始模型特征点的三维坐标，解算出各特征点的相对位移，并由此得出掌子面的位移及变形。

可选地，当被监测掌子面上各观测点的变形量超过设定的阈值时，触发报警单元，发出警报。

优选地，所述隧道掌子面位移监测的方法，适用于全断面开挖的隧道掌子面位移监测。

优选地，所述的图像采集装置包括安装底板、CCD双目摄像机以及光源，同时CCD双目摄像机上设有电动防尘门，以此提高采集图像的质量与现有技术相比，本发明有一下有益效果

1.本发明提供了一种基于机器视觉的隧道掌子面位移监测的装置及方法，该装置由固定安装的图像采集单元每间隔10秒采集一次掌子面图像，传输到信息处理单元后进行三维重建并经过与初始三维模型的对比得到掌子面的实时位移，超过设定的阈值后触发报警装置，以及时应对和处理危险。

2.相比于目前常用的监测方法——激光测距和传感器，本发明采用的非接触式的监测方法更适合在掌子面这种具有流动性的监测目标上运用，而且实施方法简单有效，很好地实现了对掌子面的监测。

附图说明

图1为本发明所述装置进行测量时的安装示意图；

图2为本发明所述装置的结构示意图；

图3为本发明所述方法的流程示意图。

图中：1.电源模块；2.报警单元；3.信息处理单元；4.信息传输单元(光纤)；5.安装底板；6.CCD双目摄像机；7.光源；8.电动防尘门。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和实例对本发明做进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明为一种基于机器视觉的隧道掌子面位移监测的方法，主要由电源模块(1)、报警单元(2)、信息处理单元(3)、信息传输单元(4)及图像采集单元实现，其中，图像采集单元包括：安装底板(5)、CCD双目摄像机(6)、光源(7)以及电动防尘门(8)；

如图3所示，一种基于机器视觉的隧道掌子面位移监测的方法，应用上述的位移变形监测装置进行位移变形监测，包括以下步骤：

步骤1：架设监测装置；

首先在已开挖部分找到距离目标掌子面一定距离、不受施工影响且能采集到整个掌子面图像的地面上通过螺栓固定安装底板(5)，然后架设CCD双目摄像机(6)及配套的光源(7)、电动防尘门(8)等设备，通过信息传输单元(4)连接上信息处理单元(3)，信息处理单元(3)和报警单元(2)分别连接上电源模块(1)后装置架设完成；

步骤2：CCD双目摄像机(6)标定；

对双目摄像机进行内部参数标定，获取摄像机内部参数，并构建内参矩阵；

步骤3：采集掌子面图像；

调整光源合理后，每隔10秒采集一次掌子面图像；

步骤4：通过信息传输单元(4)将采集的图像传输到信息处理单元(3)，并进行隧道掌子面的三维模型重建；

在信息处理单元接收到采集的图像后，采用SURF算法进行图像特征点的提取，再依据MHT算法对左、右图像的相同特征点进行追踪，随后用SGM算法进行逐像素影像匹配，然后进行三维空间点定位——将图像中的特征点在像素坐标系中的坐标[u v 1]^T转换到世界坐标系中。对于左右相机分别有：

其中：Zc1、Zc2分别代表特征点在左、右相机坐标系中Z轴上的投影；

组成相机内部参数矩阵；

[xw yw zw]^T为点在世界坐标系中的坐标。

将上面两式整理可得：

采用最小二乘法求解X,Y,Z，此坐标即为该特征点在世界坐标系中的坐标。

并由解算出的各坐标得到隧道掌子面的表面几何模型，最后进行纹理映射得到完整的隧道掌子面三维模型；

步骤5：计算掌子面的相对位移及变形；

通过对比当前模型与初始模型特征点的三维坐标，解算出各特征点的相对位移，并由此得出掌子面的位移及变形。

当被监测掌子面上各观测点的变形量超过设定的阈值时，触发报警单元(2)，发出警报，以及时应对和处理危险状况，保证施工环境的安全。