CN112378377A - 一种基于图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法，在隧道监测断面P_i的拱顶布设测点C_i，在隧道监测断面P_i的左侧边墙布设测点A_i，在隧道监测断面P_i的右侧边墙布设测点B_i；图像采集传感器预设置采样时间序列，每当达到采样时间t_j，同时对各个隧道监测断面进行一次图像采集，并分析得到每个隧道监测断面的拱顶高度和周边长度；对相邻两次采样时间的拱顶高度进行差值计算，得到拱顶下沉值；对相邻两次采样时间的周边长度进行差值计算，得到周边位移值。具有以下优点：实现同时对多个隧道监测断面的变形数据自动采集和分析，实现高效精确的隧道断面变形测量。

Description

一种基于图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法

技术领域

本发明属于隧道工程建设技术领域，具体涉及一种基于图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法。

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进行监测，据此了解隧道围岩及支护结构变形的发展趋势，对围岩稳定性作出判断，从而为隧道施工提供依据。

目前，隧道监控量测主要方式为：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，主要存在以下不足：(1)操作繁琐，日常监控量测工作易影响隧道施工进度；(2)监控量测变化数据是隧道围岩支撑体系变化的最直观的体现，监控量测工作须在隧道施工过程中及时跟进。然而，此种监控量测方式得到的监控量测结果的反馈及时性较差，很难及时反馈至设计方、施工方、业主方等，从而无法及时指导隧道施工。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法，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图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法，包括以下步骤：

步骤1，选取n个隧道监测断面，按布置顺序分别表示为隧道监测断面P₁,隧道监测断面P₂,...,隧道监测断面P_n；

在任意隧道监测断面P_i，其中，i＝1,2,...,n，均采用以下方式布置测点：

在隧道监测断面P_i的拱顶布设测点C_i，在隧道监测断面P_i的左侧边墙布设测点A_i，在隧道监测断面P_i的右侧边墙布设测点B_i；

步骤2，在n个隧道监测断面的后方稳定位置点M安装图像采集传感器，各个隧道监测断面的测点均位于图像采集传感器的图幅之内；

步骤3，图像采集传感器预设置采样时间序列，分别为t₁,t₂,...,t_m；

每当达到采样时间t_j，j＝1,2,...,m，均执行以下操作：

图像采集传感器朝向各个隧道监测断面进行一次图像采集，得到一张包括n个隧道监测断面的测点的采集图像tu_j，然后将采集图像tu_j以及对应的采样时间t_j发送到图像处理服务器；

步骤4，每当图像处理服务器接收到图像采集传感器上传的与采样时间t_j对应的采集图像tu_j时，采用以下方式得到与采样时间t_j对应的各个隧道监测断面的拱顶高度和周边长度；

步骤4.1，图像处理服务器对采集图像tu_j进行分析，识别到每个隧道监测断面的测点；

对于任意的隧道监测断面P_i，采用以下方式计算拱顶高度和周边长度：

步骤4.1.1，图像处理服务器识别到隧道监测断面P_i的三个测点，分别为测点C_i、测点A_i和测点B_i；测点C_i、测点A_i和测点B_i围成三角形结构；

步骤4.1.2，通过图像分析算法，得到测点C_i的图像坐标、测点A_i的图像坐标和测点B_i的图像坐标；

步骤4.1.3，采用两点间距离公式，分别计算得到测点A_i到测点B_i的距离L_AB＝c，测点A_i到测点C_i的距离L_AC＝b，测点B_i到测点C_i的距离L_BC＝a；

其中，测点A_i到测点B_i的距离c为周边长度；

步骤4.1.4，利用海伦公式计算三角形的高L_CD，即拱顶高度h，方法为：

首先，根据下式计算得到p值：

然后，根据下式计算得到S值：

最后，根据下式计算得到拱顶高度h：

步骤4.2，因此，对于采集图像tu_j，共包括n个隧道监测断面，对于每个隧道监测断面，均得到与采样时间t_j对应的拱顶高度h和周边长度c；

步骤5，因此，对于任意隧道监测断面，当采样时间序列为t₁,t₂,...,t_m时，分别得到与采样时间t₁对应的拱顶高度h₁和周边长度c₁，与采样时间t₂对应的拱顶高度h₂和周边长度c₂,...,与采样时间t_m对应的拱顶高度h_m和周边长度c_m；

采样时间t₂对应的周边位移值ΔL₂和拱顶下沉值ΔH₂为：

ΔL₂＝c₂－c₁

ΔH₂＝h₂－h₁

采样时间t₃对应的周边位移值ΔL₃和拱顶下沉值ΔH₃为：

ΔL₃＝c₃－c₂

ΔH₃＝h₃－h₂

依此类推

采样时间t_m对应的周边位移值ΔL_m和拱顶下沉值ΔH_m为：

ΔL_m＝c_m－c_m-1

ΔH_m＝h_m－h_m-1

步骤6，由此实现同时对n个隧道监测断面的周边位移值和拱顶下沉值的连续监控量测。

优选的，步骤2中，图像采集传感器安装于n个隧道监测断面后方稳定的路面。

优选的，步骤6具体为：

对于每个隧道监测断面，以采样时间为横坐标，以周边位移值为纵坐标，得到周边位移值变化曲线；以采样时间为横坐标，以拱顶下沉值为横坐标，得到拱顶下沉值变化曲线。

优选的，步骤6具体为：

对于n个隧道监测断面，在每个采样时间，均绘制得到n个隧道监测断面的状态对比图，即：以隧道监测断面序号为横坐标，以拱顶下沉值为纵坐标，得到隧道监测断面拱顶下沉值状态对比图；以隧道监测断面序号为横坐标，以周边位移值为纵坐标，得到隧道监测断面周边位移值状态对比图。

本发明提供的一种基于图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法具有以下优点：

本发明提供的一种基于图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法，采用一个图像采集传感器，实现同时对多个隧道监测断面的变形数据自动采集和分析，实现高效精确的隧道断面变形测量。另外，本发明可进行实时采集，及时预警，满足实时对隧道监测断面监测的需求；本发明对隧道监测断面的采集数据量大，采集数据范围广，准确率高。

附图说明

图1为本发明提供的基于图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法的布置方式示意图；

图2为本发明提供的拱顶垂直下沉时隧道监测断面监控量测原理示意图；

图3为本发明提供的拱顶侧向下沉时隧道监测断面监控量测原理示意图。

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。

随着信息技术、图像处理技术的发展，基于图像识别的测量技术发展迅速，本发明提供一种基于图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法，实现同时对多个隧道监测断面的变形数据自动采集和分析，实现高效精确的隧道断面变形测量。

具体的，本发明提供一种基于图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法，利用图像采集传感器，对隧道围岩稳定情况进行数据采集，根据图像识别技术，实现拱顶下沉和周边收敛的数据处理，达到隧道监控量测的目的。

参考图1，包括以下步骤：

步骤1，选取n个隧道监测断面，按布置顺序分别表示为隧道监测断面P₁,隧道监测断面P₂,...,隧道监测断面P_n；

其中，n的数量根据实际使用需求设置，可以为1个、3个以上等，本发明对此并不限制。

在任意隧道监测断面P_i，其中，i＝1,2,...,n，均采用以下方式布置测点：

在隧道监测断面P_i的拱顶布设测点C_i，在隧道监测断面P_i的左侧边墙布设测点A_i，在隧道监测断面P_i的右侧边墙布设测点B_i；

步骤2，在n个隧道监测断面的后方稳定位置点M安装图像采集传感器，各个隧道监测断面的测点均位于图像采集传感器的图幅之内；

实际应用中，图像采集传感器安装位置为稳定安装位置，防止由于图像采集传感器位置偏移而带来分析误差。例如，图像采集传感器安装于n个隧道监测断面后方稳定的路面。

步骤3，图像采集传感器预设置采样时间序列，分别为t₁,t₂,...,t_m；

每当达到采样时间t_j，j＝1,2,...,m，均执行以下操作：

图像采集传感器朝向各个隧道监测断面进行一次图像采集，得到一张包括n个隧道监测断面的测点的采集图像tu_j，然后将采集图像tu_j以及对应的采样时间t_j发送到图像处理服务器；

步骤4，每当图像处理服务器接收到图像采集传感器上传的与采样时间t_j对应的采集图像tu_j时，采用以下方式得到与采样时间t_j对应的各个隧道监测断面的拱顶高度和周边长度；

步骤4.1，图像处理服务器对采集图像tu_j进行分析，识别到每个隧道监测断面的测点；

对于任意的隧道监测断面P_i，采用以下方式计算拱顶高度和周边长度：

步骤4.1.1，图像处理服务器识别到隧道监测断面P_i的三个测点，分别为测点C_i、测点A_i和测点B_i；测点C_i、测点A_i和测点B_i围成三角形结构；

步骤4.1.2，通过图像分析算法，得到测点C_i的图像坐标、测点A_i的图像坐标和测点B_i的图像坐标；

步骤4.1.3，采用两点间距离公式，分别计算得到测点A_i到测点B_i的距离L_AB＝c，测点A_i到测点C_i的距离L_AC＝b，测点B_i到测点C_i的距离L_BC＝a；

其中，测点A_i到测点B_i的距离c为周边长度；

步骤4.1.4，利用海伦公式计算三角形的高L_CD，即拱顶高度h，方法为：

首先，根据下式计算得到p值：

然后，根据下式计算得到S值：

最后，根据下式计算得到拱顶高度h：

步骤4.2，因此，对于采集图像tu_j，共包括n个隧道监测断面，对于每个隧道监测断面，均得到与采样时间t_j对应的拱顶高度h和周边长度c；

步骤5，因此，对于任意隧道监测断面，当采样时间序列为t₁,t₂,...,t_m时，分别得到与采样时间t₁对应的拱顶高度h₁和周边长度c₁，与采样时间t₂对应的拱顶高度h₂和周边长度c₂,...,与采样时间t_m对应的拱顶高度h_m和周边长度c_m；

采样时间t₂对应的周边位移值ΔL₂和拱顶下沉值ΔH₂为：

ΔL₂＝c₂－c₁

ΔH₂＝h₂－h₁

采样时间t₃对应的周边位移值ΔL₃和拱顶下沉值ΔH₃为：

ΔL₃＝c₃－c₂

ΔH₃＝h₃－h₂

依此类推

采样时间t_m对应的周边位移值ΔL_m和拱顶下沉值ΔH_m为：

ΔL_m＝c_m－c_m-1

ΔH_m＝h_m－h_m-1

步骤6，由此实现同时对n个隧道监测断面的周边位移值和拱顶下沉值的连续监控量测。

步骤6具体为：

对于每个隧道监测断面，以采样时间为横坐标，以周边位移值为纵坐标，得到周边位移值变化曲线；以采样时间为横坐标，以拱顶下沉值为横坐标，得到拱顶下沉值变化曲线。

或者：

对于n个隧道监测断面，在每个采样时间，均绘制得到n个隧道监测断面的状态对比图，即：以隧道监测断面序号为横坐标，以拱顶下沉值为纵坐标，得到隧道监测断面拱顶下沉值状态对比图；以隧道监测断面序号为横坐标，以周边位移值为纵坐标，得到隧道监测断面周边位移值状态对比图。

下面结合附图介绍一个具体实施例：

1)假设t₀时刻为采样初始时刻。拍摄得到与t₀时刻对应的图像。通过对图像分析，得到隧道监测断面的各测点的坐标值。即：参考图2，分别得到测点C的图像坐标、测点A的图像坐标和测点B的图像坐标；

2)根据测点C的图像坐标、测点A的图像坐标和测点B的图像坐标，采用两点间距离公式计算三角形各边长，L_AB＝c、L_AC＝b、L_BC＝a。

此时的c值作为周边位移的初始值。

3)根据三角形各边长，利用海伦公式计算三角形的高CD，即h。将此时的h值作为拱顶下沉的初始值。

4)间隔一定时间至t₁时刻，再进行一次图像采集，此时A、B、C三个测点由于隧道变形，位置已变到A’、B’、C’点处。按前述步骤，计算此时周边位移c’值、拱顶下沉h’值。

5)计算t₁时刻周边位移和拱顶下沉值，计算方法如下，参见图2。

①周边位移值：

ΔL＝c-c′

②拱顶下沉值：

ΔH＝h-h′

(6)重复步骤4和步骤5，持续观测ΔL、ΔH的变化情况，实现对该断面的无接触监测。

因此，基于以上构思，以上实施例可进行以下扩充：

(1)在多个隧道监测断面布置测点，可实现同时对多个隧道监测断面进行监控量测。

(2)该方法适用于一个断面布置三个以上测点情况。

(3)当拱顶C位置在下沉过程中左移或右移时，根据步骤5计算ΔH仍为拱顶下沉值。示意图参见参考图3。

综上所述，本发明提供的一种基于图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法，采用一个图像采集传感器，实现同时对多个隧道监测断面的变形数据自动采集和分析，实现高效精确的隧道断面变形测量。另外，本发明可进行实时采集，及时预警，满足实时对隧道监测断面监测的需求；本发明对隧道监测断面的采集数据量大，采集数据范围广，准确率高。

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 (4)

1.一种基于图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，选取n个隧道监测断面，按布置顺序分别表示为隧道监测断面P₁,隧道监测断面P₂,...,隧道监测断面P_n；

在任意隧道监测断面P_i，其中，i＝1,2,...,n，均采用以下方式布置测点：

在隧道监测断面P_i的拱顶布设测点C_i，在隧道监测断面P_i的左侧边墙布设测点A_i，在隧道监测断面P_i的右侧边墙布设测点B_i；

步骤2，在n个隧道监测断面的后方稳定位置点M安装图像采集传感器，各个隧道监测断面的测点均位于图像采集传感器的图幅之内；

步骤3，图像采集传感器预设置采样时间序列，分别为t₁,t₂,...,t_m；

每当达到采样时间t_j，j＝1,2,...,m，均执行以下操作：

图像采集传感器朝向各个隧道监测断面进行一次图像采集，得到一张包括n个隧道监测断面的测点的采集图像tu_j，然后将采集图像tu_j以及对应的采样时间t_j发送到图像处理服务器；

步骤4，每当图像处理服务器接收到图像采集传感器上传的与采样时间t_j对应的采集图像tu_j时，采用以下方式得到与采样时间t_j对应的各个隧道监测断面的拱顶高度和周边长度；

步骤4.1，图像处理服务器对采集图像tu_j进行分析，识别到每个隧道监测断面的测点；

对于任意的隧道监测断面P_i，采用以下方式计算拱顶高度和周边长度：

步骤4.1.1，图像处理服务器识别到隧道监测断面P_i的三个测点，分别为测点C_i、测点A_i和测点B_i；测点C_i、测点A_i和测点B_i围成三角形结构；

步骤4.1.2，通过图像分析算法，得到测点C_i的图像坐标、测点A_i的图像坐标和测点B_i的图像坐标；

步骤4.1.3，采用两点间距离公式，分别计算得到测点A_i到测点B_i的距离L_AB＝c，测点A_i到测点C_i的距离L_AC＝b，测点B_i到测点C_i的距离L_BC＝a；

其中，测点A_i到测点B_i的距离c为周边长度；

步骤4.1.4，利用海伦公式计算三角形的高L_CD，即拱顶高度h，方法为：

首先，根据下式计算得到p值：

然后，根据下式计算得到S值：

最后，根据下式计算得到拱顶高度h：

步骤4.2，因此，对于采集图像tu_j，共包括n个隧道监测断面，对于每个隧道监测断面，均得到与采样时间t_j对应的拱顶高度h和周边长度c；

步骤5，因此，对于任意隧道监测断面，当采样时间序列为t₁,t₂,...,t_m时，分别得到与采样时间t₁对应的拱顶高度h₁和周边长度c₁，与采样时间t₂对应的拱顶高度h₂和周边长度c₂,...,与采样时间t_m对应的拱顶高度h_m和周边长度c_m；

采样时间t₂对应的周边位移值ΔL₂和拱顶下沉值ΔH₂为：

ΔL₂＝c₂－c₁

ΔH₂＝h₂－h₁

采样时间t₃对应的周边位移值ΔL₃和拱顶下沉值ΔH₃为：

ΔL₃＝c₃－c₂

ΔH₃＝h₃－h₂

依此类推

采样时间t_m对应的周边位移值ΔL_m和拱顶下沉值ΔH_m为：

ΔL_m＝c_m－c_m-1

ΔH_m＝h_m－h_m-1

步骤6，由此实现同时对n个隧道监测断面的周边位移值和拱顶下沉值的连续监控量测。

2.根据权利要求1所述的基于图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法，其特征在于，步骤2中，图像采集传感器安装于n个隧道监测断面后方稳定的路面。

3.根据权利要求1所述的基于图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法，其特征在于，步骤6具体为：

对于每个隧道监测断面，以采样时间为横坐标，以周边位移值为纵坐标，得到周边位移值变化曲线；以采样时间为横坐标，以拱顶下沉值为横坐标，得到拱顶下沉值变化曲线。

4.根据权利要求1所述的基于图像采集传感器的非接触式隧道监控量测方法，其特征在于，步骤6具体为：

对于n个隧道监测断面，在每个采样时间，均绘制得到n个隧道监测断面的状态对比图，即：以隧道监测断面序号为横坐标，以拱顶下沉值为纵坐标，得到隧道监测断面拱顶下沉值状态对比图；以隧道监测断面序号为横坐标，以周边位移值为纵坐标，得到隧道监测断面周边位移值状态对比图。

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