一种隧道围岩变形监测方法

技术领域

本发明属于隧道监测技术领域，具体涉及一种隧道围岩变形监测方法。

背景技术

随着隧道建设的快速发展，目前铁路隧道出现了一些新的特点：断面大、隧道长且地质条件复杂，隧道围岩变形极易引起隧道塌方和涌水。这些因素不仅在技术上给隧道施工带来极大的困难，也常常因突发事故导致人身伤亡和工期延误，从而造成巨大的经济损失。为了保证隧道开发工作的安全进行，确定围岩是否变形具有十分重要的意义。但现有技术中通常采用人为巡检，其围岩变形监测的准确率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道围岩变形监测方法，解决上述现有技术中存在的问题。

本发明的技术方案是：一种隧道围岩变形监测方法包括以下步骤：

采集各个历史时刻围岩图像和当前时刻围岩图像，根据隧道围岩的环境参数对各个历史时刻围岩图像和当前时刻围岩图像进行亮度修正，得到各个历史时刻修正围岩图像和当前时刻修正围岩图像；

构建变形监测点过滤条件，将各个历史时刻修正围岩图像中满足变形监测点过滤条件的像素点作为变形监测点；

根据各个历史时刻修正围岩图像的变形监测点计算当前变形权重，并根据当前变形权重确定当前时刻修正围岩图像的变形监测区域；

根据当前时刻修正围岩图像的变形监测区域中像素点的灰度值，确定隧道围岩是否变形。

进一步地，采集各个历史时刻围岩图像和当前时刻围岩图像，根据隧道围岩的环境参数对各个历史时刻围岩图像和当前时刻围岩图像进行亮度修正，得到各个历史时刻修正围岩图像和当前时刻修正围岩图像，包括以下子步骤：

采集隧道围岩的环境参数；其中环境参数包括各个历史时刻的隧道自然光亮度和隧道照明光亮度以及当前时刻的隧道自然光亮度和隧道照明光亮度；

根据各个历史时刻的隧道自然光亮度和隧道照明光亮度，确定各个历史时刻的亮度修正系数；根据当前时刻的隧道自然光亮度和隧道照明光亮度，确定当前时刻的亮度修正系数；

根据各个历史时刻的亮度修正系数，对各个历史时刻围岩图像的像素点进行亮度修正，得到各个历史时刻修正围岩图像；根据当前时刻的亮度修正系数，对当前时刻围岩图像的像素点进行亮度修正，得到当前时刻修正围岩图像。

上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，通过在隧道围岩断面设置若干个图像采集点，对某个图像采集点进行连续图像采集，得到多个历史时刻和当前时刻的围岩图像。由于隧道围岩的环境多数较为昏暗且需借用照明灯进行补光，且图像采集点布设的摄像头采集的围岩图像质量不一，所以需要综合隧道围岩自然光和照明光的影响，对所有时刻的围岩图像进行亮度修正，提高图像质量，便于后续步骤提取变形监测区域的准确性。

进一步地，各个历史时刻的亮度修正系数的计算公式为：

；

式中，

当前时刻的亮度修正系数

；

式中，

上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，考虑到隧道围岩内自然光往往呈现缓慢变化的趋势（如太阳光被云层遮挡导致自然光光线明暗的变化）且照明光往往呈现突然变化的趋势（如工作人员开关照明光），所以在计算历史时刻的亮度修正系数时，需要将第

进一步地，对各个历史时刻围岩图像的像素点进行亮度修正的计算公式为：

；

；

式中，

对当前时刻围岩图像的像素点进行亮度修正的计算公式为：

；

式中，

进一步地，变形监测点过滤条件的表达式为：

上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，考虑像素点的上下左右邻近像素点灰度值以及该像素点所处围岩修正图像中所有像素点灰度值的标准值，以此构建变形监测点过滤条件，筛选符合变形监测点过滤条件的像素点作为变形监测点，可以表征一个历史时刻修正围岩图像中像素点的灰度变化。

进一步地，根据各个历史时刻修正围岩图像的变形监测点计算当前变形权重，并根据当前变形权重确定当前时刻修正围岩图像的变形监测区域，包括以下子步骤：

提取前

提取后

提取剩余历史时刻修正围岩图像中所有变形监测点的灰度值，并根据第一变形权重和第二变形权重，计算剩余历史时刻修正围岩图像对应的第三变形权重；

根据第一变形权重、第二变形权重和第三变形权重，确定当前变形权重；

根据当前变形权重，确定当前时刻修正围岩图像的变形监测区域。

上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，在确定当前时刻修正围岩图像的变形监测区域时，会依据多个历史时刻修正围岩图像中灰度值的变形权重来确定当前时刻修正围岩图像中需要重点监测的变形区域，充分考虑围岩变形整个过程的连续性，不将当前时刻修正围岩图像孤立监测，考虑所监测到图像的所有灰度变化，使生成的变形监测区域更加准确。

进一步地，第一变形权重

；

式中，

第二变形权重

；

式中，

第三变形权重

；

式中，

进一步地，当前变形权重

；

式中，

进一步地，确定当前时刻修正围岩图像的变形监测区域的具体方法：提取当前时刻修正围岩图像中所有像素点的灰度值，将小于当前变形权重的灰度值对应的像素点作为变形监测区域的像素点集合，将像素点集合中各个像素点顺时针连接，生成变形监测区域。

进一步地，确定隧道围岩是否变形的具体方法为：提取变形监测区域中最大灰度值对应的像素点，作为第一像素点；提取变形监测区域中最小灰度值对应的像素点，作为第二像素点；判断第一像素点和第二像素点之间的欧式距离是否大于或等于欧式距离阈值，若是则隧道围岩发生变形，否则隧道围岩未发生变形。

本发明的有益效果是：本发明通过对多个历史时刻和当前时刻的围岩图像进行连续采集和处理，避免隧道昏暗环境对采集图像亮度的影响，提高监测准确率；并依次确定变形监测点和变形监测区域，充分考虑隧道围岩连续变化，便于监测人员及时判断围岩是否发生变形，并及时对围岩做出合理的支护决策。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的隧道围岩变形监测方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明提供了一种隧道围岩变形监测方法，包括以下步骤：

采集各个历史时刻围岩图像和当前时刻围岩图像，根据隧道围岩的环境参数对各个历史时刻围岩图像和当前时刻围岩图像进行亮度修正，得到各个历史时刻修正围岩图像和当前时刻修正围岩图像。

构建变形监测点过滤条件，将各个历史时刻修正围岩图像中满足变形监测点过滤条件的像素点作为变形监测点。

根据各个历史时刻修正围岩图像的变形监测点计算当前变形权重，并根据当前变形权重确定当前时刻修正围岩图像的变形监测区域。

根据当前时刻修正围岩图像的变形监测区域中像素点的灰度值，确定隧道围岩是否变形。

在本发明实施例中，采集各个历史时刻围岩图像和当前时刻围岩图像，根据隧道围岩的环境参数对各个历史时刻围岩图像和当前时刻围岩图像进行亮度修正，得到各个历史时刻修正围岩图像和当前时刻修正围岩图像，包括以下子步骤：

采集隧道围岩的环境参数。其中环境参数包括各个历史时刻的隧道自然光亮度和隧道照明光亮度以及当前时刻的隧道自然光亮度和隧道照明光亮度。

根据各个历史时刻的隧道自然光亮度和隧道照明光亮度，确定各个历史时刻的亮度修正系数。根据当前时刻的隧道自然光亮度和隧道照明光亮度，确定当前时刻的亮度修正系数。

根据各个历史时刻的亮度修正系数，对各个历史时刻围岩图像的像素点进行亮度修正，得到各个历史时刻修正围岩图像。根据当前时刻的亮度修正系数，对当前时刻围岩图像的像素点进行亮度修正，得到当前时刻修正围岩图像。

在本发明中，通过在隧道围岩断面设置若干个图像采集点，对某个图像采集点进行连续图像采集，得到多个历史时刻和当前时刻的围岩图像。由于隧道围岩的环境多数较为昏暗且需借用照明灯进行补光，且图像采集点布设的摄像头采集的围岩图像质量不一，所以需要综合隧道围岩自然光和照明光的影响，对所有时刻的围岩图像进行亮度修正，提高图像质量，便于后续步骤提取变形监测区域的准确性。

在本发明实施例中，各个历史时刻的亮度修正系数的计算公式为：

；

式中，

当前时刻的亮度修正系数

；

式中，

在本发明中，考虑到隧道围岩内自然光往往呈现缓慢变化的趋势（如太阳光被云层遮挡导致自然光光线明暗的变化）且照明光往往呈现突然变化的趋势（如工作人员开关照明光），所以在计算历史时刻的亮度修正系数时，需要将第

在本发明实施例中，对各个历史时刻围岩图像的像素点进行亮度修正的计算公式为：

；

；

式中，

对当前时刻围岩图像的像素点进行亮度修正的计算公式为：

；

式中，

在本发明实施例中，变形监测点过滤条件的表达式为：

在本发明中，考虑像素点的上下左右邻近像素点灰度值以及该像素点所处围岩修正图像中所有像素点灰度值的标准值，以此构建变形监测点过滤条件，筛选符合变形监测点过滤条件的像素点作为变形监测点，可以表征一个历史时刻修正围岩图像中像素点的灰度变化。

在本发明实施例中，根据各个历史时刻修正围岩图像的变形监测点计算当前变形权重，并根据当前变形权重确定当前时刻修正围岩图像的变形监测区域，包括以下子步骤：

提取前

提取后

提取剩余历史时刻修正围岩图像中所有变形监测点的灰度值，并根据第一变形权重和第二变形权重，计算剩余历史时刻修正围岩图像对应的第三变形权重。

根据第一变形权重、第二变形权重和第三变形权重，确定当前变形权重。

根据当前变形权重，确定当前时刻修正围岩图像的变形监测区域。

在本发明中，在确定当前时刻修正围岩图像的变形监测区域时，会依据多个历史时刻修正围岩图像中灰度值的变形权重来确定当前时刻修正围岩图像中需要重点监测的变形区域，充分考虑围岩变形整个过程的连续性，不将当前时刻修正围岩图像孤立监测，考虑所监测到图像的所有灰度变化，使生成的变形监测区域更加准确。

在本发明实施例中，第一变形权重

；

式中，

第二变形权重

；

式中，

第三变形权重

；

式中，

在本发明实施例中，当前变形权重

；

式中，

在本发明实施例中，确定当前时刻修正围岩图像的变形监测区域的具体方法：提取当前时刻修正围岩图像中所有像素点的灰度值，将小于当前变形权重的灰度值对应的像素点作为变形监测区域的像素点集合，将像素点集合中各个像素点顺时针连接，生成变形监测区域。

在本发明实施例中，确定隧道围岩是否变形的具体方法为：提取变形监测区域中最大灰度值对应的像素点，作为第一像素点。提取变形监测区域中最小灰度值对应的像素点，作为第二像素点。判断第一像素点和第二像素点之间的欧式距离是否大于或等于欧式距离阈值，若是则隧道围岩发生变形，否则隧道围岩未发生变形。

在本实施例中，欧式距离阈值的设置可以根据多次实验或者经验进行设置，其用于判断围岩是否变形。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。