一种隧道形变监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种隧道形变监测系统及方法，该系统包括设置在检修车上的弧形架，弧形架围成的弧面与检修车行进方向垂直或者呈非零的一定角度，在弧形架上布设有多个图像传感器、多个补光灯、多个测量弧形架与隧道衬砌距离的形变检测模块；还包括姿态传感模块，图像采集模块，控制系统和服务器。该系统能够对隧道进行全景图像和地形距离点云数据进行采集；基于图像数据和距离点云数据构建隧道真实三维图像，非接触实现隧道收敛图建立，与隧道标准收敛图或上一次测量结果比对，实现隧道形变的检测，并且实现形变异常点的图像可视化观察。通过姿态传感模块对检修车行驶中的振动、转弯、加减速等造成的误差进行补偿，提高了测量结果的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种隧道形变监测系统及方法
本专利技术涉及隧道检测领域，特别是涉及一种隧道形变监测系统及方法。
技术介绍
地铁隧道在施工及营运过程中，由于受到地面、周边建筑物负载及土体扰动、隧道周边工程施工及隧道工程结构施工、地铁列车运行振动等，对隧道产生综合影响而造成隧道变形，为了保证地铁建设及运营期间的安全，相关单位会定期对地铁隧道形变进行监测，隧道的形变监测对隧道的施工及运营阶段的安全性都有重要意义。目前传统检测方法主要依靠专用测量仪器(全站仪、断面仪、收敛仪等)及建立检测基准网监测隧道沉降的方法来对隧道的形变状况进行监测。隧道形变监测的工作原理是在明暗交界处、围岩变化段及变形缝位置设置一个及以上的断面，并在每个断面相应的两侧边墙处设一对沉降观测点，经过漫长的定期观测之后绘制沉降时态曲线。这一种形变监测的方法耗时持久，且当观测数据不足或工后沉降评估不能满足设计要求时，监测耗时可能又会延长；且不同地区的地质和水文复杂多变，这使得传统隧道监测方法对于本土隧道健康安全监测效果并不明显。传统监测方法更大的缺陷是难以实现对隧道的整体、实时、自动监测，不能获取较为准确的数据反馈。现有技术中，公开号为CN1OR047930B的中国专利中披露了一种车载式地铁隧道病害数据自动化采集系统，该系统中平板车每行驶设定的距离后，中控主板控制图像采集装置实时采集地铁隧道图像，电机组件带动测距仪测量图像采集装置的实时位置并记录，编码器计算平板车的行驶距离，并采集当前图像采集装置的纵向定位数据，中控主板读取测距仪和编码器中的数据后送往主控计算机。该专利技术采用六台相机进行拍照，同时运用测距仪和编码器进行定位，病害信息采集快速、准确。但对于平板车行驶中遇到的振动、转弯、加减速等造成图像畸变、图像特征模糊等问题并未涉及以及解决。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种隧道形变监测系统及方法。为了实现本专利技术的上述目的，根据本专利技术的第一个方面，本专利技术提供了一种隧道形变监测系统，包括设置在检修车上的弧形架，所述弧形架围成的弧面与检修车行进方向垂直或者呈非零的一定角度，在弧形架上布设有多个图像传感器、为所述图像传感器提供照度的多个补光灯、多个测量所述弧形架与隧道衬砌距离的形变检测模块；还包括用于获取检修车姿态信息的姿态传感模块，采集图像传感器输出的图像数据的图像采集模块，实时同步获取所述图像采集模块、形变检测模块和姿态传感模块的输出数据的控制系统，以及接收所述控制系统输出数据并进行形变分析处理的位于监控室的服务器。上述技术方案的有益效果为：该系统通过在弧形架上布设图像传感器和形变检测模块，对隧道进行全景监测；基于图像数据和距离点云数据构建隧道真实三维图像。通过设置姿态传感模块对检修车行驶中的振动、转弯、加减速等造成的误差进行补偿，提高了测量结果的准确性。控制系统实时采集图像采集模块、姿态传感模块、测距模块的输出数据并传输至监控室的服务器进行离线分析处理，有效避开地铁停运时段过短带来的人为漏判问题，大大延长了地铁隧道监测天窗期，对隧道形变实时监测。在本专利技术的一种优选实施方式中，所述形变检测模块为多个布设在所述弧形架上的测距模块。上述技术方案的有益效果为：便于数据处理和还原隧道三维结构，测距模块成本低，性价比高。在本专利技术的一种优选实施方式中，还包括位于监控室的显示操控模块，所述显示操控模块的数据端与所述服务器的显控数据端通信连接；和/或还包括电源管理子系统，所述电源管理子系统为系统提供稳定电源。为系统提供稳定电源，保证隧道监测顺利进行。上述技术方案的有益效果为：通过显示操控系统的启动和关闭，并实时显示隧道全景三维图像或报警信息等，便于人机交互。为了实现本专利技术的上述目的，根据本专利技术的第二个方面，本专利技术提供了一种隧道形变监测方法，包括：S1，控制系统同步获取图像采集模块输出的图像数据、形变检测模块输出的点云数据和姿态传感模块输出的姿态数据，将图像数据、点云数据和姿态数据分开或一起压缩后获得数据包，并在数据包中标记时间标签和空间标签；所述时间标签为控制系统同步获取图像数据、点云数据、数据和姿态数据的时间；S2，控制系统发送数据包至服务器，服务器对数据包进行解压处理；S3，服务器对解压处理后的图像数据进行拼接融合处理，获得隧道全景图像；S4，在每个时间标签或空间标签的数据包中，服务器基于姿态数据对点云数据进行补偿处理；S5，服务器对补偿处理后的点云数据基于三角剖分算法重构隧道三维结构；S6，服务器将隧道全景图像和隧道三维结构按照时间和空间顺序进行融合，获得隧道全景三维图像；S7，基于补偿处理后的点云数据获得多个关联有空间标签的隧道收敛面，将所述隧道收敛面与标准隧道收敛面或者上一个空间标签关联的隧道收敛面进行比对处理，获得隧道形变监测结果，记录该空间标签并将其关联的隧道全景三维图像和隧道形变监测结果发送至显示操控模块显示。上述技术方案的有益效果为：同步采集图像采集模块输出的图像数据、形变检测模块输出的点云数据和姿态传感模块输出的姿态数据并标记时间标签和空间标签，保证了监测的实时性，使数据处理获得的隧道全景图像和隧道三维结构具有相同的时间基准和空间基准，使隧道全景三维图像更准确还原隧道真实情况，非接触实现隧道收敛图建立，与隧道标准收敛图或上一次测量结果比对，实现隧道形变的检测，并且实现形变异常点的图像可视化观察；通过姿态数据对点云数据进行补偿，能够消除检修车行驶中振动、转弯、加减速等带来的误差，增加隧道三维结构的重构精度，以及收敛面的精准性，进而提高系统隧道形变监测的准确性。通过收敛比对获得形变测量值，直观，运算量少。服务器对数据离线分析处理，有效避开地铁停运时段过短带来的人为漏判问题，大大延长了地铁隧道监测天窗期。硬件模块与软件模块具有无耦合，阻抗高和灵敏度高低功耗的特点。在本专利技术的一种优选实施方式中，所述S3包括：S31，在一个时间标签或空间标签对应的图像数据中，对紧邻的两个摄像头中任一图像传感器输出的图像数据进行透视处理；S32，将透视处理后的图像数据进行桶形变化处理；S33，基于ofast算法提取另一个图像传感器输出的图像数据和所述桶形变化处理后的图像数据的特征点；S34，基于NCC算法利用特征点的图像局部灰度进行特征点匹配；S35，基于特征点匹配结果进行图像融合，获得隧道全景图像。上述技术方案的有益效果为：拼接速度快。在本专利技术的一种优选实施方式中，所述S3包括：基于金字塔图像融合算法对图像数据进行拼接融合处理，获得隧道全景图像。上述技术方案的有益效果为：能得到具有更多有用信息的高对比度的融合图像，融合效果良好。在本专利技术的一种优选实施方式中，所述S4包括：S41，基于姿态数据获取检修车行驶中的航向角、俯仰角和横滚角；S42，使用航向角、俯仰角和横滚角对点云数据进行坐标补偿，补偿公式为：其中，为测距模块的激光脉冲打在隧道内壁上的激光脚点P相对姿态传感模块的测量中心的坐标；(xIG，yIG，zIG)为姿态传感模块的测量中心,(xLI，yLI，zLI)为测距模块的光学中心相对于姿态传感模块的测量中心的坐标偏移量；Rθ为测距模块瞬时扫描坐标系相对于测距模块仪器坐标系的转换矩阵，旋转角为扫描角(-θ)；RIMU为姿态传感模块惯性坐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧道形变监测系统，其特征在于，包括设置在检修车上的弧形架，所述弧形架围成的弧面与检修车行进方向垂直或者呈非零的一定角度，在弧形架上布设有多个图像传感器、为所述图像传感器提供照度的多个补光灯、多个测量所述弧形架与隧道衬砌距离的形变检测模块；还包括用于获取检修车姿态信息的姿态传感模块，采集图像传感器输出的图像数据的图像采集模块，实时同步获取所述图像采集模块、形变检测模块和姿态传感模块的输出数据的控制系统，以及接收所述控制系统输出数据并进行形变分析处理的位于监控室的服务器。

【技术特征摘要】
1.一种隧道形变监测系统，其特征在于，包括设置在检修车上的弧形架，所述弧形架围成的弧面与检修车行进方向垂直或者呈非零的一定角度，在弧形架上布设有多个图像传感器、为所述图像传感器提供照度的多个补光灯、多个测量所述弧形架与隧道衬砌距离的形变检测模块；还包括用于获取检修车姿态信息的姿态传感模块，采集图像传感器输出的图像数据的图像采集模块，实时同步获取所述图像采集模块、形变检测模块和姿态传感模块的输出数据的控制系统，以及接收所述控制系统输出数据并进行形变分析处理的位于监控室的服务器。2.如权利要求1所述的隧道形变监测系统，其特征在于，所述形变检测模块为多个布设在所述弧形架上的测距模块。3.如权利要求1所述的隧道形变监测系统，其特征在于，还包括位于监控室的显示操控模块，所述显示操控模块的数据端与所述服务器的显控数据端通信连接；和/或还包括电源管理子系统，所述电源管理子系统为系统提供稳定电源。4.一种基于权利要求1-3中任一所述的隧道形变监测系统的隧道形变监测方法，其特征在于，包括：S1，控制系统同步获取图像采集模块输出的图像数据、形变检测模块输出的点云数据和姿态传感模块输出的姿态数据，将图像数据、点云数据和姿态数据分开或一起压缩后获得数据包，并在数据包中标记时间标签和空间标签；所述时间标签为控制系统同步获取图像数据、点云数据和姿态数据的时间；S2，控制系统发送数据包至服务器，服务器对数据包进行解压处理；S3，服务器对解压处理后的图像数据进行拼接融合处理，获得隧道全景图像；S4，在每个时间标签或空间标签的数据包中，服务器基于姿态数据对点云数据进行补偿处理；S5，服务器对补偿处理后的点云数据基于三角剖分算法重构隧道三维结构；S6，服务器将隧道全景图像和隧道三维结构按照时间和空间顺序进行融合，获得隧道全景三维图像；S7，基于补偿处理后的点云数据获得多个关联有空间标签的隧道收敛面，将所述隧道收敛面与标准隧道收敛面或者上一个空间标签关联的隧道收敛面进行比对处理，获得隧道形变监测结果，记录该空间标签并将其关联的隧道全景三维图像和隧道形变监测结果发送至显示操控模块显示。5.如权利要求4所述的隧道形变监测方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓亮，戴小燕，徐顺东，
申请(专利权)人：常州沃翌智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32