CN110345878A - 一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统及方法，监测系统包括：红外靶标、图像数字位移监测传感器和数据采集处理中心；在选定的每个隧道监控量测断面的左侧拱腰位置、右侧拱腰位置和拱顶位置均各可转动的安装一个所述红外靶标；在隧道施工稳定部位固定安装所述图像数字位移监测传感器；各个所述红外靶标的红外发射方向朝向所述图像数字位移监测传感器。本发明提出一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统及方法，该作业方法测量简单，不影响隧道施工进度，受施工现场灰尘影响较小，可进行数据无线传输，提高数据反馈效率等特点，该方法具有很强的现实意义和适用性。

Description

一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统及方法

技术领域

本发明属于隧道工程建设技术领域，具体涉及一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统及方法。

背景技术

隧道监控量测是新奥法施工的三大要素之一，隧道施工通过监控量测结果，进行信息化施工，最大限度地利用围岩自承作用，从而使隧道施工处于动态管理体系之中。监控量测的目的是在隧道施工过程中对围岩和支护结构变形状态，通过对隧道拱顶下沉以及周边收敛进行监测，据此了解隧道围岩及支护变形的发展趋势，对围岩稳定性作出判断，为隧道施工提供依据。

目前隧道监控量测工作主要通过收敛计和水准仪等测量仪器，对安装在隧道拱腰、拱顶测点处的预埋件进行量测。此种隧道监控量测方法，具有以下问题：(1)操作繁琐；(2)监控量测工作影响隧道施工进度；(3)监控量测结果反馈及时性较差，很难及时反馈至设计方、施工方、业主方等，从而无法在隧道施工过程中及时跟进隧道监控量测结果，进而无法及时有效的指导隧道施工。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统及方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统，包括：红外靶标、图像数字位移监测传感器和数据采集处理中心；

在选定的每个隧道监控量测断面的左侧拱腰位置、右侧拱腰位置和拱顶位置均各可转动的安装一个所述红外靶标；在隧道施工稳定部位固定安装所述图像数字位移监测传感器；各个所述红外靶标的红外发射方向朝向所述图像数字位移监测传感器，使各个所述红外靶标位于所述图像数字位移监测传感器的图像采集范围内；所述图像数字位移监测传感器通过无线通信模块与所述数据采集处理中心无线连接。

优选的，所述红外靶标为红外LED灯。

优选的，选定的所述隧道监控量测断面的数量为2～4个。

本发明还提供一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统的隧道变形自动监测方法，包括以下步骤：

步骤1，对于同一个隧道，选定n个隧道监控量测断面，并获得每个隧道监控量测断面对应的预留变形量值；其中，n为大于1的自然数；

步骤2，在每个选定的隧道监控量测断面的左侧拱腰位置、右侧拱腰位置和拱顶位置均各可转动的安装一个红外靶标；在隧道施工稳定部位固定安装图像数字位移监测传感器；

步骤3，开启所述图像数字位移监测传感器，调节各个红外靶标的红外发射方向，使各个红外靶标的红外发射方向朝向所述图像数字位移监测传感器，同时，使各个所述红外靶标位于所述图像数字位移监测传感器的图像采集视野内；

步骤4，初始时，通过所述图像数字位移监测传感器采集到初始监测图片，然后，判断各个所述红外靶标在所述初始监测图片的红外靶标像点是否存在重合的红外靶标像点，如果有，则返回步骤3，继续调整各个红外靶标的红外发射方向，直到满足要求；如果没有，则进一步判断所述初始监测图片中相邻的两个红外靶标像点之间的距离是否均大于设定阈值，如果是，则执行步骤5；如果不是，则返回步骤3，继续调整各个红外靶标的红外发射方向，直到满足要求；

步骤5，以拍摄到合格的初始监测图片为第1张监测图片；然后，保持图像数字位移监测传感器的位置不变，设定拍摄时间间隔，每当达到所述拍摄时间间隔后，所述图像数字位移监测传感器即拍摄到一张监测图片，并实时将拍摄到的监测图片以及监测图片的拍摄时间信息通过无线通信模块上传给数据采集处理中心；

步骤6，对于所述数据采集处理中心，首先接收到合格的所述第1张监测图片，并获得在拍摄所述第1张监测图片时每个红外靶标布置的位置信息、每个红外靶标布置的发射方向信息以及所述图像数字位移监测传感器的位置信息；

然后，基于每个红外靶标布置的位置信息、每个红外靶标布置的发射方向信息以及所述图像数字位移监测传感器的位置信息，从所述第1张监测图片中识别出与每个隧道监控量测断面对应的左侧拱腰红外靶标像点、右侧拱腰红外靶标像点和拱顶红外靶标像点；

步骤7，所述数据采集处理中心依据所述第1张监测图片中每个红外靶标像点的属性，定义所述红外靶标像点的运动区域框；其中，所述红外靶标像点的属性包括：红外靶标像点所属的隧道监控量测断面距离所述图像数字位移监测传感器的距离，所述红外靶标像点在所述隧道监控量测断面的安装位置；其中，所述红外靶标像点在所述隧道监控量测断面的安装位置包括：安装于左侧拱腰位置、右侧拱腰位置或拱顶位置；

步骤8，然后，每当所述数据采集处理中心接收到一张来自于所述图像数字位移监测传感器的第i张监测图片时，其中，i为大于1的自然数，所述第i张监测图片对应的拍摄时间为第i拍摄时刻，所述数据采集处理中心比对所述第i张监测图片和所述第1张监测图片，判断所述第i张监测图片相对于所述第1张监测图片，各个隧道监控量测断面的变形量是否在设定范围内，如果均在设定范围内，则继续进行监测；如果存在任意一个隧道监控量测断面的变形量超过设定范围，则发出报警信息。

优选的，步骤6中，所述数据采集处理中心接收到合格的所述第1张监测图片时，首先对所述第1张监测图片进行滤镜处理，然后再从滤镜处理后的第1张监测图片中识别出各个红外靶标像点。

优选的，步骤8具体为：

步骤8.1，对于所述第i张监测图片，所述数据采集处理中心进行滤镜处理，然后再从滤镜处理后的第1张监测图片中识别出各个红外靶标像点，得到第i’张监测图片；

步骤8.2，在所述第i’张监测图片中，绘制与所述第1张监测图片的运动区域框的位置和形状完全相同的运动区域框，因此，对于同一位置的运动区域框，其框内的红外靶标像点代表同一个红外靶标像点；

将第1张监测图片的某个运动区域框内的红外靶标像点记为第1红外靶标像点；将第i’张监测图片的同一个运动区域框内的红外靶标像点记为第i’红外靶标像点；

步骤8.3，第1红外靶标像点的坐标为P(x₁,y₁)，第i’红外靶标像点的坐标为P’(x_i,y_i)；

则：从初始时刻到第i拍摄时刻，第1红外靶标像点所对应的隧道监控量测断面在对应位置的变形量为：

步骤8.4，对于任意的一个隧道监控量测断面，其三个监测点位中，只要有一个监测点位对应的变形量超过设定范围，即发出报警信息。

本发明提供的一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统及方法具有以下优点：

该作业方法测量简单，不影响隧道施工进度，受施工现场灰尘影响较小，可进行数据无线传输，提高数据反馈效率等特点，该方法具有很强的现实意义和适用性。

附图说明

图1为本发明提供的基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统的安装方式示意图。

图2为本发明提供的图像数字位移监测传感器采集的监测图片的示意图；

图3为本发明提供的图像数字位移监测传感器采集的监测图片经滤镜处理后的示意图；

图4为本发明提供的图像数字位移监测传感器采集的监测图片中的红外靶标像点的质心位置示意图；

图5为本发明提供的运动区域框的绘制示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统，属于图像数字处理，实现隧道变形数据自动采集、实时监测处理，隧道断面变形测量的目的。

针对目前隧道监控量测工作操作繁琐、作业过程影响施工进度、数据反馈效率低等不足，本发明提供了一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统及方法，实现隧道变形数据自动采集、实时监测处理，隧道断面变形测量的目的，具有测量简单，不影响隧道施工进度，受施工现场灰尘影响较小，可进行数据无线传输，提高数据反馈效率等特点，该方法具有很强的现实意义和适用性。

参考图1，基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统包括：红外靶标、图像数字位移监测传感器和数据采集处理中心；

在选定的每个隧道监控量测断面的左侧拱腰位置、右侧拱腰位置和拱顶位置均各可转动的安装一个所述红外靶标；红外靶标可以为红外LED灯。在同一个监测变形中，可同时对2～4个选定的所述隧道监控量测断面进行监测。

在隧道施工稳定部位固定安装所述图像数字位移监测传感器；各个所述红外靶标的红外发射方向朝向所述图像数字位移监测传感器，使各个所述红外靶标位于所述图像数字位移监测传感器的图像采集范围内；所述图像数字位移监测传感器通过无线通信模块与所述数据采集处理中心无线连接。

本发明还提供一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统的隧道变形自动监测方法，包括以下步骤：

步骤1，对于同一个隧道，选定n个隧道监控量测断面，并获得每个隧道监控量测断面对应的预留变形量值；其中，n为大于1的自然数；例如，可选定2-4个隧道监控量测断面。

步骤2，在每个选定的隧道监控量测断面的左侧拱腰位置、右侧拱腰位置和拱顶位置均各可转动的安装一个红外靶标，并进行现场施工供电；在隧道施工稳定部位固定安装图像数字位移监测传感器，例如，安装于二衬浇筑完成位置，该位置认为隧道变形已呈稳定状态。

在图1中，共设置两个隧道监控量测断面，分别为第1个隧道监控量测断面和第2个隧道监控量测断面。对于第1个隧道监控量测断面，其左侧拱腰位置、右侧拱腰位置和拱顶位置各安装一个红外靶标，分别为：第1左侧拱腰红外靶标A1、第1右侧拱腰红外靶标A2和第1拱顶红外靶标A3。对于第2个隧道监控量测断面，其左侧拱腰位置、右侧拱腰位置和拱顶位置各安装一个红外靶标，分别为：第2左侧拱腰红外靶标B1、第2右侧拱腰红外靶标B2和第2拱顶红外靶标B3。图像数字位移监测传感器在图1中用C表示。

步骤3，开启所述图像数字位移监测传感器，调节各个红外靶标的红外发射方向，使各个红外靶标的红外发射方向朝向所述图像数字位移监测传感器，同时，使各个所述红外靶标位于所述图像数字位移监测传感器的图像采集视野内；

步骤4，初始时，通过所述图像数字位移监测传感器采集到初始监测图片，然后，判断各个所述红外靶标在所述初始监测图片的红外靶标像点是否存在重合的红外靶标像点，如果有，则返回步骤3，继续调整各个红外靶标的红外发射方向，直到满足要求；如果没有，则进一步判断所述初始监测图片中相邻的两个红外靶标像点之间的距离是否均大于设定阈值，如果是，则执行步骤5；如果不是，则返回步骤3，继续调整各个红外靶标的红外发射方向，直到满足要求；

本步骤中，需要多次调节各个红外靶标的红外发射方向，使其在监测图片的像点间隔满足要求。此种操作的目的为：由于在整个隧道变形自动监测过程中，每个监测点位的变形量通常较小，因此，如果像点重合或间距较小，在后续监测过程中，易发生像点重合的现象，从而不利于计算像点的变形量，影响像点变形量的计算精度。因此，为保证监测精度，同时，减少监测计算量，在初始时需要调节各个红外靶标的红外发射方向。

步骤5，以拍摄到合格的初始监测图片为第1张监测图片；然后，保持图像数字位移监测传感器的位置不变，设定拍摄时间间隔，每当达到所述拍摄时间间隔后，所述图像数字位移监测传感器即拍摄到一张监测图片，并实时将拍摄到的监测图片以及监测图片的拍摄时间信息通过无线通信模块上传给数据采集处理中心；

步骤6，对于所述数据采集处理中心，首先接收到合格的所述第1张监测图片，如图3所示，并获得在拍摄所述第1张监测图片时每个红外靶标布置的位置信息、每个红外靶标布置的发射方向信息以及所述图像数字位移监测传感器的位置信息；

然后，基于每个红外靶标布置的位置信息、每个红外靶标布置的发射方向信息以及所述图像数字位移监测传感器的位置信息，从所述第1张监测图片中识别出与每个隧道监控量测断面对应的左侧拱腰红外靶标像点、右侧拱腰红外靶标像点和拱顶红外靶标像点。

步骤6中，所述数据采集处理中心接收到合格的所述第1张监测图片时，首先对所述第1张监测图片进行滤镜处理，由图2得到图3；然后再从滤镜处理后的第1张监测图片中识别出各个红外靶标像点，得到图4。

步骤7，所述数据采集处理中心依据所述第1张监测图片中每个红外靶标像点的属性，定义所述红外靶标像点的运动区域框；如图5所示，D为第1左侧拱腰红外靶标A1的像点所对应的运动区域框。本发明中，不同位置的红外靶标像点，其对应的运动区域框的大小和面积等存在区别，主要与红外靶标像点的属性相关。

其中，所述红外靶标像点的属性包括：红外靶标像点所属的隧道监控量测断面距离所述图像数字位移监测传感器的距离，所述红外靶标像点在所述隧道监控量测断面的安装位置；其中，所述红外靶标像点在所述隧道监控量测断面的安装位置包括：安装于左侧拱腰位置、右侧拱腰位置或拱顶位置；

步骤8，然后，每当所述数据采集处理中心接收到一张来自于所述图像数字位移监测传感器的第i张监测图片时，其中，i为大于1的自然数，所述第i张监测图片对应的拍摄时间为第i拍摄时刻，所述数据采集处理中心比对所述第i张监测图片和所述第1张监测图片，判断所述第i张监测图片相对于所述第1张监测图片，各个隧道监控量测断面的变形量是否在设定范围内，如果均在设定范围内，则继续进行监测；如果存在任意一个隧道监控量测断面的变形量超过设定范围，则发出报警信息。

步骤8具体为：

步骤8.1，对于所述第i张监测图片，所述数据采集处理中心进行滤镜处理，然后再从滤镜处理后的第1张监测图片中识别出各个红外靶标像点，得到第i’张监测图片；

步骤8.2，在所述第i’张监测图片中，绘制与所述第1张监测图片的运动区域框的位置和形状完全相同的运动区域框，因此，对于同一位置的运动区域框，其框内的红外靶标像点代表同一个红外靶标像点；通过设置运动区域框的方式，可以快速的在两张监测图片中，识别出同一个红外靶标像点，具有识别速度快的优点。

将第1张监测图片的某个运动区域框内的红外靶标像点记为第1红外靶标像点；将第i’张监测图片的同一个运动区域框内的红外靶标像点记为第i’红外靶标像点；

步骤8.3，第1红外靶标像点的坐标为P(x₁,y₁)，第i’红外靶标像点的坐标为P’(x_i,y_i)；

则：从初始时刻到第i拍摄时刻，第1红外靶标像点所对应的隧道监控量测断面在对应位置的变形量为：

步骤8.4，对于任意的一个隧道监控量测断面，其三个监测点位中，只要有一个监测点位对应的变形量超过设定范围，即发出报警信息。

以A1、A2、A3、B1、B2、B3这6个红外靶标像点为例，其初始坐标分别为：A1(x_a,y_a),A2(x_b，y_b)，A3(x_c，y_c)，B1(x_d，y_d)，B2(x_e，y_e)，B3(x_f，y_f)。经过一段时间后，假设其坐标分别为A1’(x_a’,y_a’),A2’(x_b’，y_b’)，A3’(x_c’，y_c’)，B1’(x_d’，y_d’)，B2’(x_e’，y_e’)，B3’(x_f’，y_f’)。

则：

A1红外靶标像点的质心位移变化值为：

A2红外靶标像点的质心位移变化值为：

A3红外靶标像点的质心位移变化值为：

B1红外靶标像点的质心位移变化值为：

B2红外靶标像点的质心位移变化值为：

B3红外靶标像点的质心位移变化值为：

综上所述，本发明提出一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统及方法，该作业方法测量简单，不影响隧道施工进度，受施工现场灰尘影响较小，可进行数据无线传输，提高数据反馈效率等特点，该方法具有很强的现实意义和适用性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统，其特征在于，包括：红外靶标、图像数字位移监测传感器和数据采集处理中心；

在选定的每个隧道监控量测断面的左侧拱腰位置、右侧拱腰位置和拱顶位置均各可转动的安装一个所述红外靶标；在隧道施工稳定部位固定安装所述图像数字位移监测传感器；各个所述红外靶标的红外发射方向朝向所述图像数字位移监测传感器，使各个所述红外靶标位于所述图像数字位移监测传感器的图像采集范围内；所述图像数字位移监测传感器通过无线通信模块与所述数据采集处理中心无线连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统，其特征在于，所述红外靶标为红外LED灯。

3.根据权利要求1所述的一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统，其特征在于，选定的所述隧道监控量测断面的数量为2～4个。

4.一种权利要求1-3任一项所述的一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统的隧道变形自动监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对于同一个隧道，选定n个隧道监控量测断面，并获得每个隧道监控量测断面对应的预留变形量值；其中，n为大于1的自然数；

步骤2，在每个选定的隧道监控量测断面的左侧拱腰位置、右侧拱腰位置和拱顶位置均各可转动的安装一个红外靶标；在隧道施工稳定部位固定安装图像数字位移监测传感器；

步骤3，开启所述图像数字位移监测传感器，调节各个红外靶标的红外发射方向，使各个红外靶标的红外发射方向朝向所述图像数字位移监测传感器，同时，使各个所述红外靶标位于所述图像数字位移监测传感器的图像采集视野内；

步骤4，初始时，通过所述图像数字位移监测传感器采集到初始监测图片，然后，判断各个所述红外靶标在所述初始监测图片的红外靶标像点是否存在重合的红外靶标像点，如果有，则返回步骤3，继续调整各个红外靶标的红外发射方向，直到满足要求；如果没有，则进一步判断所述初始监测图片中相邻的两个红外靶标像点之间的距离是否均大于设定阈值，如果是，则执行步骤5；如果不是，则返回步骤3，继续调整各个红外靶标的红外发射方向，直到满足要求；

步骤5，以拍摄到合格的初始监测图片为第1张监测图片；然后，保持图像数字位移监测传感器的位置不变，设定拍摄时间间隔，每当达到所述拍摄时间间隔后，所述图像数字位移监测传感器即拍摄到一张监测图片，并实时将拍摄到的监测图片以及监测图片的拍摄时间信息通过无线通信模块上传给数据采集处理中心；

步骤6，对于所述数据采集处理中心，首先接收到合格的所述第1张监测图片，并获得在拍摄所述第1张监测图片时每个红外靶标布置的位置信息、每个红外靶标布置的发射方向信息以及所述图像数字位移监测传感器的位置信息；

然后，基于每个红外靶标布置的位置信息、每个红外靶标布置的发射方向信息以及所述图像数字位移监测传感器的位置信息，从所述第1张监测图片中识别出与每个隧道监控量测断面对应的左侧拱腰红外靶标像点、右侧拱腰红外靶标像点和拱顶红外靶标像点；

步骤7，所述数据采集处理中心依据所述第1张监测图片中每个红外靶标像点的属性，定义所述红外靶标像点的运动区域框；其中，所述红外靶标像点的属性包括：红外靶标像点所属的隧道监控量测断面距离所述图像数字位移监测传感器的距离，所述红外靶标像点在所述隧道监控量测断面的安装位置；其中，所述红外靶标像点在所述隧道监控量测断面的安装位置包括：安装于左侧拱腰位置、右侧拱腰位置或拱顶位置；

步骤8，然后，每当所述数据采集处理中心接收到一张来自于所述图像数字位移监测传感器的第i张监测图片时，其中，i为大于1的自然数，所述第i张监测图片对应的拍摄时间为第i拍摄时刻，所述数据采集处理中心比对所述第i张监测图片和所述第1张监测图片，判断所述第i张监测图片相对于所述第1张监测图片，各个隧道监控量测断面的变形量是否在设定范围内，如果均在设定范围内，则继续进行监测；如果存在任意一个隧道监控量测断面的变形量超过设定范围，则发出报警信息。

5.根据权利要求4所述的一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统的隧道变形自动监测方法，其特征在于，步骤6中，所述数据采集处理中心接收到合格的所述第1张监测图片时，首先对所述第1张监测图片进行滤镜处理，然后再从滤镜处理后的第1张监测图片中识别出各个红外靶标像点。

6.根据权利要求4所述的一种基于红外靶标技术的隧道变形自动监测系统的隧道变形自动监测方法，其特征在于，步骤8具体为：

步骤8.1，对于所述第i张监测图片，所述数据采集处理中心进行滤镜处理，然后再从滤镜处理后的第1张监测图片中识别出各个红外靶标像点，得到第i’张监测图片；

步骤8.2，在所述第i’张监测图片中，绘制与所述第1张监测图片的运动区域框的位置和形状完全相同的运动区域框，因此，对于同一位置的运动区域框，其框内的红外靶标像点代表同一个红外靶标像点；

将第1张监测图片的某个运动区域框内的红外靶标像点记为第1红外靶标像点；将第i’张监测图片的同一个运动区域框内的红外靶标像点记为第i’红外靶标像点；

步骤8.3，第1红外靶标像点的坐标为P(x₁,y₁)，第i’红外靶标像点的坐标为P’(x_i,y_i)；

则：从初始时刻到第i拍摄时刻，第1红外靶标像点所对应的隧道监控量测断面在对应位置的变形量为：

步骤8.4，对于任意的一个隧道监控量测断面，其三个监测点位中，只要有一个监测点位对应的变形量超过设定范围，即发出报警信息。