一种隧道洞口的变形监测系统

技术领域

本申请涉及工程监测技术领域，具体而言，涉及一种隧道洞口的变形监测系统。

背景技术

在隧道的建设过程中，施工单位在保质保量的完成目标进度的同时，还需要快速而准确的获得施工中的实时监测数据，通过这些监测数据，既能够精确地判断问题的发生以解决问题，保证项目施工合理合规地安全进行，又能够在施工作业的过程中不影响施工进度，及时快速的监测并反馈给项目工程建设单位。由于洞口开挖段长度有限，通常而言，隧道开挖洞口段的监测采用监测隧道外沿的收缩、变形，同时采用监测一定范围内的地表沉降来表示，由此判断开挖隧道洞口施工段是否符合标准。

目前针对隧道洞口的监测的方法，在施工建设单位主要还是采用的传统手段，人工使用水准仪，全站仪进行测量，测量频率低，操作空间大，人为产生的误差也难以得到有效的控制，甚至存在人为修改数据的隐患，而工程监理单位也很难实时发现项目建设中可能存在的问题，做出及时的反馈。

因此，现有的隧道洞口的监测技术，效率低，有效性和准确性较差。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种隧道洞口的变形监测系统，用以提高监测效率，以及提高监测的有效性和准确性。

本申请实施例提供一种隧道洞口的变形监测系统，包括：图像获取设备和图像处理设备，所述图像获取设备和所述图像处理设备通信连接；所述图像获取设备包括：第一相机和第二相机；其中，所述第一相机设置在预先标定的第一相机测量点，所述第一相机测量点与隧道洞口之间的距离满足预设距离；所述第二相机设置在预先标定的第二相机测量点，所述第二相机测量点与所述第一相机测量点之间的距离满足所述预设距离；在所述隧道洞口施工时，所述第一相机用于采集隧道洞口图像，所述第二相机用于采集第一相机图像；所述图像处理设备用于根据所述隧道洞口图像和所述第一相机图像确定所述隧道洞口的变形信息。

在本申请实施例中，利用图像处理技术实现隧道洞口的变形监测，无需人工干预，提高变形监测的效率；其中，图像获取设备包括第一相机和第二相机，通过第一相机，实现隧道洞口图像的采集；考虑到外界条件对相机采集图像造成的相机，通过第二相机，实现第一相机图像的采集；进而，图像处理设备可以结合第一相机图像和隧道洞口图像实现变形信息的有效且准确地确定。因此，利用该变形监测系统对隧道洞口的变形监测，不仅监测效率较高，且监测的有效性和准确性都较高。

作为一种可能的实现方式，所述隧道洞口预设有变形控制点，所述第一相机测量点与所述变形控制点满足所述预设距离；所述预设距离的范围为：20-30m。

在本申请实施例中，通过隧道洞口预设的变形控制点，以及预设距离，能够准确且有效地确定第一相机测量点的位置；再结合第一相机测量点和预设距离，能够准确且有效地确定第二相机测量点的位置。

作为一种可能的实现方式，所述第一相机预设有数据采集频率，所述第二相机预设有所述数据采集频率；在所述隧道洞口开始施工后，所述第一相机用于按照所述数据采集频率周期性的采集所述隧道洞口图像，所述第二相机用于按照所述数据采集频率周期性的采集所述第一相机图像。

在本申请实施例中，通过第一相机和第二相机预设的数据采集频率，第一相机按照该数据采集频率实现隧道洞口图像的有效采集，以及第二相机按照该数据采集频率实现第一相机图像的有效采集，进而图像处理设备可以有效且准确地确定变形信息。

作为一种可能的实现方式，所述图像处理设备具体用于：根据所述第一相机图像判断所述第一相机是否发生形变或者发生位移；若所述第一相机发生形变或者位移，对所述隧道洞口图像进行修正；根据修正后的隧道洞口图像确定所述隧道洞口的变形信息。

在本申请实施例中，图像处理设备先通过第一相机图像判断第一相机是否发生形变或者位移，若第一相机发生形变或者位移，则对隧道洞口图像进行修正，基于修正后的隧道洞口图像确定的变形信息更准确。

作为一种可能的实现方式，所述第一相机还用于通过内置振动判断算法确定振动判断结果；所述图像处理设备具体还用于：根据所述第一相机图像和所述振动判断结果判断所述第一相机是否发生形变或者发生位移。

在本申请实施例中，通过第一相机的内置振动判断算法，还可以得到一个振动判断结果，进而图像处理设备结合该振动判断结果和第一相机图像实现第一相机是否发生形变或者发生位移的更准确地判断。

作为一种可能的实现方式，所述图像处理设备具体还用于：若所述第一相机发生形变或者位移，确定所述隧道洞口图像中包括运动特征的感兴趣区域；对所述感兴趣区域进行增强处理；对增强处理后的感兴趣区域进行过滤处理；确定过滤处理后的感兴趣区域的全局运动参数；基于所述全局运动参数对所述隧道洞口图像进行修正。

在本申请实施例中，若第一相机发生形变或者位移，则图像处理设备先确定感兴趣区域，然后对感兴趣区域进行处理，再基于处理后的感兴趣区域确定全局运动参数，基于全局运动参数实现隧道洞口图像的有效且准确地修正。

作为一种可能的实现方式，所述图像处理设备具体还用于：通过迭代的方式确定过滤处理后的感兴趣区域的全局运动参数。

在本申请实施例中，在确定全局运动参数时，可以通过迭代的方式确定，实现全局运动参数的准确确定。

作为一种可能的实现方式，所述图像处理设备具体还用于：确定修正后的隧道洞口图像中目标点的像素坐标；根据所述目标点的像素坐标进行坐标变换，确定所述目标点的像素坐标对应的实际坐标；根据不同时刻的实际坐标确定所述隧道洞口的变形信息。

在本申请实施例中，图像处理设备先确定目标点的像素坐标，然后基于目标点的像素坐标进行坐标变换，实现实际坐标的确定，最后再基于不同时刻的实际坐标确定隧道洞口的变形信息。

作为一种可能的实现方式，所述目标点为基于霍夫变换直线检测原理所构建的多边形轮廓上的多个角点。

在本申请实施例中，基于霍夫变换直线检测原理所构建的多边形轮廓上的多个角点，能够准确地反映隧道洞口的沉降变形，实现沉降变形的有效确定。

作为一种可能的实现方式，所述第一相机和所述第二相机均为CCD(ChargeCoupled Device，电荷耦合器件)工业相机，所述CCD工业相机的精度等级为1980*1280；所述图像处理设备为FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编辑逻辑门阵列)设备。

在本申请实施例中，通过高精度的CCD相机实现图像的有效采集，提高监测系统的有效性和准确性；通过FPGA设备实现图像的高效的处理，提高监测系统的监测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请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申请的某些实施例，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为本申请实施例提供的变形监测系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的变形监测流程图。

图标：100-变形监测系统；110-图像获取设备；111-第一相机；112-第二相机；120-图像处理设备。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

请参照图1，为本申请实施例提供的变形监测系统100的结构示意图，变形监测系统100包括图像获取设备110和图像处理设备120，其中，图像获取设备110包括第一相机111和第二相机112。图像获取设备110与图像处理设备120通信连接，也即图像处理设备120与第一相机111和第二相机112分别通信连接。

该变形监测系统100应用于隧道洞口的变形监测，对于隧道洞口来说，在施工过程中，比如：在开挖隧道洞口之后，其会产生沉降变形，通过变形监测系统100，能够实现沉降变形的监测。

在本申请实施例中，图像处理设备120可以为FPGA设备，FPGA的基本结构包括可编程输入输出单元，可配置逻辑块，数字时钟管理模块，嵌入式块，布线资源，内嵌专用硬核，底层内嵌功能单元等，其处理效率相较于其他的处理设备来说更高。

FPGA是一种专用集成电路中的半定制电路，可以将图像处理的代码写入，直接对采集到的数据进行处理然后传输坐标给监测端，取代了图像数据传输的步骤，从而减少了图像数据损失的可能，也缩短了获得结果的时间。

在本申请实施例中，第一相机111和第二相机112均可以采用工业CCD相机，具体地，可以采用精度等级为1980*1280的工业CCD相机。CCD是电荷耦合器件的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的CCD相机元件，以其构成的CCD相机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击之特性而被广泛应用。因此，工业CCD相机应用在隧道洞口这种施工环境中，效果较佳。

在本申请实施例中，通过高精度的CCD相机实现图像的有效采集，提高监测系统的有效性和准确性；通过FPGA设备实现图像的高效的处理，提高监测系统的监测效率。

当然，在实际应用中，也可以结合具体的应用场景合理的选用其他图像处理设备120或者相机，在本申请实施例中不作限定。

对于第一相机111来说，设置在预先标定的第一相机测量点，第一相机测量点与隧道洞口之间的距离满足预设距离。

对于第二相机112来说，设置在预先标定的第二相机测量点，第二相机测量点与第一相机测量点之间的距离满足预设距离。

在隧道洞口施工时，第一相机111用于采集隧道洞口图像，第二相机112用于采集第一相机图像；图像处理设备120用于根据隧道洞口图像和第一相机图像确定隧道洞口的变形信息。

在本申请实施例中，利用图像处理技术实现隧道洞口的变形监测，无需人工干预，提高变形监测的效率；其中，图像获取设备110包括第一相机111和第二相机112，通过第一相机111，实现隧道洞口图像的采集；考虑到外界条件对相机采集图像造成的相机，通过第二相机112，实现第一相机图像的采集；进而，图像处理设备120可以结合第一相机图像和隧道洞口图像实现变形信息的有效且准确地确定。因此，利用该变形监测系统100对隧道洞口的变形监测，不仅监测效率较高，且监测的有效性和准确性都较高。

为了实现隧道洞口图像和第一相机图像的采集，第一相机测量点的位置和第二相机测量点的位置需要进行合理的标定。

作为一种可选的实施方式，预先通过现场工程单位的地形，施工方法，施工步序等现有资料，利用工程相关经验，结合施工现场的当地土质情况，利用传统岩土工程数值软件的模拟或者文献资料参考，确定施工现场开挖洞口周围地表和隧洞洞口结构位置的变形控制点，以便于第一相机测量点和第二相机测量点的标定。

进一步地，基于该变形控制点，考虑到现实施工生产时，空间架设相对有限的情况，在施工现场隧道口两侧较为开阔的坚硬岩石空地上架设水泥墩柱以设置测量点。

在本申请实施例中，第一相机111和第二相机112中均可以包括多个相机，即第一相机111可能是一组CCD相机，第二相机112可能是与该一组CCD相机对应设置的另一组CCD相机。

在施工现场的较为空旷的双侧翼位置选择第一相机111的架设位置点(即第一相机测量点)，以便于通过一组CCD工业相机的相互位置关系，提高采集图像数据的精度。若施工现场位置条件实在受限，可考虑在现场洞口侧翼拉升架设水泥墩柱以设置CCD工业相机测量点，CCD工业相机与洞口架设测量标定点距离满足20m-30m，两台CCD工业相机测量点相对位置关系满足20m-30m，并满足以下条件和关系：第一组直接测量形变的CCD相机(即第一相机111)可以用水泥墩固定在坚硬地面上，避开中间施工道路，避免扰动的干扰。第二组相机(即第二相机112)可以远离施工隧道口，并且在其被测范围内能够检测到第一组CCD工业相机，比如：其图像采集方向朝着第一组CCD相机。

在本申请实施例中，通过隧道洞口预设的变形控制点，以及预设距离，能够准确且有效地确定第一相机测量点的位置；再结合第一相机测量点和预设距离，能够准确且有效地确定第二相机测量点的位置。

在将第一相机111设置在第一相机测量点，以及将第二相机112设置在第二相机测量点之后，开启整个变形监测系统100，即第一相机111、第二相机112和图像处理设备120均开启。

在本申请实施例中，第一相机111预设有数据采集频率，所述第二相机112预设有数据采集频率；在隧道洞口开始施工后，第一相机111用于按照数据采集频率周期性的采集所述隧道洞口图像，第二相机112用于按照数据采集频率周期性的采集第一相机图像。

其中，预设的数据采集频率可以结合实际的应用场景进行设置。比如：隧道洞口的施工速度较快，则隧道洞口的变形速度也较快，此时，预设的数据采集频率可以相应的较高；隧道洞口的施工速度较慢，则隧道洞口的变形速度也较慢，此时，预设的数据采集频率可以相应的较低。在预设时，可以先了解施工现场的情况，根据施工现场的情况对数据采集频率进行合理设置。

当然，该数据采集频率可以为可更新的值，即当在现场完成安装之后，可以现场对数据采集频率进行调节，以满足施工现场的条件。

在本申请实施例中，通过第一相机111和第二相机112预设的数据采集频率，第一相机111按照该数据采集频率实现隧道洞口图像的有效采集，以及第二相机112按照该数据采集频率实现第一相机图像的有效采集，进而图像处理设备120可以有效且准确地确定变形信息。

在隧道开始施工之后，通过图像获取设备110进行全周期、不间断的数据采集并存储，利用以太网网络实时传输给图像处理设备120，然后图像处理设备120进行实时数据分析。接下来对图像处理设备120的数据处理流程进行介绍。

在本申请实施例中，在第一相机111和第二相机112安装完毕之后，还可以先利用棋盘格进行相机矫正。该矫正技术属于本领域成熟的技术，在本申请实施例中不进行详细介绍。

对于图像处理设备120来说，在接收到第一相机111和第二相机112分别传输的图像之后，根据第一相机图像判断第一相机111是否发生形变或者发生位移；若第一相机111发生形变或者位移，对隧道洞口图像进行修正；根据修正后的隧道洞口图像确定隧道洞口的变形信息。

在本申请实施例中，图像处理设备120先通过第一相机图像判断第一相机111是否发生形变或者位移，若第一相机111发生形变或者位移，则对隧道洞口图像进行修正，基于修正后的隧道洞口图像确定的变形信息更准确。

在这种实施方式中，图像处理设备120中可以预先存储第一相机111在正常状态下的图像，即没有发生形变或者位移的正常图像，在获取到实时的第一相机图像之后，将预存的正常状态的图像与第一相机图像进行比对，如果比对一致，则说明没有发生形变或者位移；如果比对不一致，则说明没有发生形变或者位移。其中，图像与图像之间进行匹配或者比对为本领域成熟的技术，在此不进行详细介绍。

在本申请实施例中，为了提高判断结果的准确性，第一相机111还可以内置振动判断算法，第一相机111还用于通过内置振动判断算法确定振动判断结果；在这种实施方式中，对于图像处理设备120来说，根据第一相机图像和振动判断结果判断第一相机111是否发生形变或者发生位移。

其中，振动判断结果也可以代表第一相机111是否发生振动或者形变，根据第一相机图像也能够得到一个比对结果，只要振动判断结果和比对结果中有一个结果指示第一相机111发生形变或者位移，则确定第一相机111发生形变或者位移；如果振动判断结果和比对结果中均指示第一相机111没有发生形变或者位移，则确定第一相机111没有发生形变或者位移。

在本申请实施例中，通过第一相机111的内置振动判断算法，还可以得到一个振动判断结果，进而图像处理设备120结合该振动判断结果和第一相机图像实现第一相机111是否发生形变或者发生位移的更准确地判断。

进一步地，如果确定第一相机111发生形变或者发生位移，那么第一相机111所采集到的隧道洞口图像的准确性较差，则图像处理设备120还需要对隧道洞口图像进行修正。作为一种可选的实施方式，该修正过程包括：确定隧道洞口图像中包括运动特征的感兴趣区域；对感兴趣区域进行增强处理；对增强处理后的感兴趣区域进行过滤处理；确定过滤处理后的感兴趣区域的全局运动参数；基于全局运动参数对隧道洞口图像进行修正。

在本申请实施例中，若第一相机111发生形变或者位移，则图像处理设备120先确定感兴趣区域，然后对感兴趣区域进行处理，再基于处理后的感兴趣区域确定全局运动参数，基于全局运动参数实现隧道洞口图像的有效且准确地修正。

在这种实施方式中，由于感兴趣区域中包括运动特征，则感兴趣区域的确定过程可以包括：先根据第一相机图像和/或内置振动算法确定第一相机111发生形变或者发生位移所导致的采集到的图像的变化，比如：第一相机111向左发生了位移，则第一相机111采集到的图像也对应的往左偏移，则，此时的感兴趣区域可以是隧道洞口图像的左半部分图像。

其中，对感兴趣区域进行增强处理、过滤处理均为本领域成熟的图像处理技术，在本申请实施例不作详细介绍。

在确定全局运动参数时，作为一种可选的实施方式，通过迭代的方式确定过滤处理后的感兴趣区域的全局运动参数。在这种方式中，运用迭代算法进行全局运动参数的确定，当全局运动参数满足预设的阈值时，则停止迭代。

在本申请实施例中，在确定全局运动参数时，可以通过迭代的方式确定，实现全局运动参数的准确确定。

在确定全局运动参数之后，便可以基于全局运动参数对隧道洞口图像进行修正，该修正技术属于本领域成熟的技术，在此不进行详细介绍。

此外，在完成隧道洞口图像的修正之后，还可以对隧道洞口图像进行裁剪，比如：裁剪没有包括洞口特征的部分等。然后再利用裁剪之后的隧道洞口图像进行变形信息的确定。

在图像处理设备120进行变形信息的确实时，以修正过的隧道洞口图像为例，该过程包括：确定修正后的隧道洞口图像中目标点的像素坐标；根据目标点的像素坐标进行坐标变换，确定目标点的像素坐标对应的实际坐标；根据不同时刻的实际坐标确定隧道洞口的变形信息。

在本申请实施例中，图像处理设备120先确定目标点的像素坐标，然后基于目标点的像素坐标进行坐标变换，实现实际坐标的确定，最后再基于不同时刻的实际坐标确定隧道洞口的变形信息。

其中，目标点可以为基于霍夫变换直线检测原理所构建的多边形轮廓上的多个角点。其中，基于霍夫变换直线检测原理构建多边形轮廓属于本领域成熟的技术，在此不进行详细介绍。

在本申请实施例中，基于霍夫变换直线检测原理所构建的多边形轮廓上的多个角点，能够准确地反映隧道洞口的沉降变形，实现沉降变形的有效确定。选用黑白棋盘格作为被检测对象，可以在一张被捕获图像中获得多个棋盘格角点信息，计算其坐标信息并取平均值，以提升检测精度。

此外，对于坐标的变换，也属于本领域的成熟技术，在此不进行详细介绍。

在本申请实施例中，获得变形信息的过程大概可以分为摄像机校准，获得无畸变图像，基于无畸变图像进行图像处理与目标检测，确定高亮区域像素中心位置，像素形变测量，计算比例因子和实际变形，降噪处理，得到最终的变形测量值。

可以理解，在确定各个角点(可理解为被监测点)的坐标之后，根据不同时刻的角点的坐标变化便可以确定各个角点的横纵坐标的变化，基于横纵坐标的变化便可以确定各个被监测点的横纵位移，该横纵位移便为最终确定的变形信息。

在本申请实施例中，图像处理设备120基于最终确定的变形信息，可以获得隧道洞口以及边坡地表实时检测曲线和地面沉降等值线等数据。

为了便于理解，接下来请参照图2，为本申请实施例提供的实际应用时变形监测系统100中的处理流程图，可以看出，在整个处理流程总，先进行相机的放置，以及高亮标记的布设，接着是图像数据采集。然后判断相机是否发生振动或者位移，若发生振动或者位移，则进行修正；若没有发生振动或者位移，直接进行变形信息的确定。在修正流程中，基于振动或位移产生的图像序列，定义感兴趣区域，感兴趣区域增强处理，感兴趣区域过滤处理，然后迭代求取全局运动参数，然后利用全局运动参数修正原始图像，然后进行图像裁剪，然后进入变形信息的确定流程。

在变形信息的确定流程中，先进行摄像机校准，获得无畸变图像，基于无畸变图像进行图像处理与目标检测，确定高亮区域像素中心位置，像素形变测量，计算比例因子和实际变形，降噪处理，得到最终的变形测量值。最终，基于最终的变形测量值，获得隧道洞口以及边坡地表实时检测曲线和地面沉降等值线等数据。

通过本申请实施例所提供的变形监测系统100，捕获图像信息，进行图像处理，提取被测角点位置坐标信息，进行一系列坐标变换，得到实际坐标系中被监测点的横纵位移。并通过第二套相机的监测，减少扰动等干扰带来的误差。通过图像处理实现无接触式隧道口变形监测，自动程度高，无需人工定时定点测量变形，无需人为干预，不依赖操作人员的经验技术，准确度高，环境适应性强，精度高。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。