基于數(shù)字圖像技術(shù)的隧道位移監(jiān)測研究

陳鎮(zhèn)　錢棱鋒　劉龑　李波　周琪琪

摘要 數(shù)字圖像技術(shù)廣泛應用于結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測工作中，文章探究該技術(shù)在隧道位移監(jiān)測中的應用方法。為解決隧道中光信號容易被遮擋的問題，對隧道中激光標靶點位布設位置進行設計計算，提出了兩種分別適用于隧道直線段和曲線段測點位置布置方法。測點位置計算結(jié)合數(shù)字圖像設備橫向和豎向鏡頭視角，可避免前面標靶對后面標靶的遮擋、平曲線段隧道內(nèi)輪廓對光信號的遮擋。

關(guān)鍵詞 數(shù)字圖像技術(shù)；隧道位移；健康監(jiān)測

中圖分類號 U456文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0001-04

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的不斷發(fā)展，隧道建設數(shù)量與日俱增，隧道施工和運營階段的結(jié)構(gòu)變形是評估隧道結(jié)構(gòu)安全的重要指標，因此對隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測技術(shù)的選擇尤為重要。目前常見的隧道位移監(jiān)測方式包括：靜力水準儀監(jiān)測、智能型全站儀監(jiān)測、激光傳感器監(jiān)測、三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測和分布式光纖技術(shù)監(jiān)測等方法，在實際應用中，隧道位移測量存在著只能實現(xiàn)一維測量、基點與數(shù)據(jù)連續(xù)問題、難以實現(xiàn)自動化和實時性等問題[1]，該文提出了一種基于數(shù)字圖像技術(shù)的隧道位移監(jiān)測技術(shù)[2]。

1 數(shù)字圖像位移監(jiān)測技術(shù)

基于機器視覺的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測技術(shù)[3]，利用標靶發(fā)射特定波長段的紅外光，圖像傳感器接收分析標靶信息完成監(jiān)測。具體紅外靶目標通過圖像監(jiān)測傳感器的長焦光學系統(tǒng)成像在攝像頭的光敏面上，通過基于嵌入式處理平臺的圖像處理識別和高精度定位技術(shù)，確定像點的精確位置，最后由物像關(guān)系確定靶目標的空間位置。通過對不同時刻靶目標的空間位置比較分析，確定靶目標的變形情況，進而獲得被測結(jié)構(gòu)的變形參數(shù)。

數(shù)字圖像位移傳感器的光學鏡頭瞄準被測目標上設置的靶標，圖像傳感器為CCD或CMOS傳感器[4]，以獲取被測量靶標的圖像，也就是將靶標的圖像成像于CCD或CMOS芯片上。

設t0時刻，靶標的中心位置為P0，其坐標為（X0，Y0）[5]；在t時刻，靶標的中心位置為P（t），其坐標為（Xt，Yt）；同時在CCD或CMOS芯片上成像的像點相應地從P0?移動到Pt?，像平面內(nèi)的坐標分別是（X0?，Y0?）和（Xt?，Yt?）。數(shù)字圖像傳感器光軸與靶標運動平面（實際坐標系）和像平面（像素坐標系）的交點分別為O點和O?點，如圖1所示。

以P0為基準，Pt相對于P0的X方向位移Dx=Xt?X0，Y方向的位移為Dy=Yt?Y0。則在CCD或CMOS芯片的像平面內(nèi)，Pt?相對于P0?的X方向位移Dx?=Xt??X0?，Y方向的位移為Dy?=Yt??Y0?。

假設數(shù)字圖像傳感器的CCD或CMOS芯片像元大小為Px×Py，則由光學成像、物像[6]位置關(guān)系式可知，物點和像點的關(guān)系如下：

式中，β——物像之間的比例系數(shù)。

當β值確定，則待測點的水平方向和垂直方向位移為：

顯然，由于像平面的坐標可以根據(jù)CMOS芯片獲得，也就是像平面內(nèi)的P0?和Pt?的坐標（X0?，Y0?）和（Xt?，Yt?）確定，根據(jù)上述公式計算得出靶標在不同時刻的二維位移。

隨著電子科技的進步，嵌入式系統(tǒng)處理速度和處理能力已經(jīng)大幅提高，因此高端智能算法的硬件化和高級智能儀器的小型化已經(jīng)成為可能。圖像匹配問題是圖像處理中的一個經(jīng)典問題，在主要匹配算法的基礎(chǔ)上，從匹配相似性度量函數(shù)和模板快速搜索方法兩方面進行升級，提高匹配速度和準確度，以適應嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存容量小、不適應復雜浮點運算的特點。

在基于靶型匹配算法研究中，為解決匹配對象（靶目標）存在一定角度旋轉(zhuǎn)的情況，引入中心區(qū)域置信度加大思想：為解決任意角度旋轉(zhuǎn)的快速匹配問題，對已有的具有旋轉(zhuǎn)不變性的基于圓投影匹配方法進行改進，通過比較模板和子圖去均值投影向量是否屬于同一灰度級進行粗匹配，選取若干個待準匹配點，在此基礎(chǔ)上再進行精匹配；對匹配相似性度量函數(shù)NCC進行修正，在差分求和方法的基礎(chǔ)上利用差分有序數(shù)組方法，推演至多值模板方法，即用體現(xiàn)匹配對象主要特征K的灰度值替代初始灰度模板的256值；將差分有序數(shù)組方法和多值模板方法相結(jié)合，通過對K值模板的排序和差分，減少NCC公式的運算量。同時，使用基于多值模板的快速粗搜索方法，粗、精搜索相結(jié)合，使算法在保持準確度的前提下，大幅度提高匹配速度。

該匹配算法可以滿足匹配實際應用中的實時性問題，適應匹配對象受一定噪聲點干擾、局部整體光照變化以及復雜背景干擾等情況，滿足嵌入式系統(tǒng)快速處理的需求，計算速度可以達到20幀/s。

2 基于數(shù)字圖像技術(shù)的隧道位移監(jiān)測方案

數(shù)字圖像設備通過光信號傳播，需同時接受多個激光標靶光源，在考慮設備鏡頭視場的基礎(chǔ)上，還應滿足在信號傳播長度內(nèi)不出現(xiàn)障礙物遮擋。由于隧道內(nèi)部環(huán)境存在視場小、障礙物多、線形多變等特點，為避免障礙物或隧道內(nèi)輪廓遮擋光信號，數(shù)字位移傳感器應用于隧道位移監(jiān)測時須對測點布設位置進行設計計算。

2.1 隧道直線段布置方案

按照便于施工的原則，將標靶布置于拱頂，傳感器布置于隧道某一斷面弧線上某一位置，標靶鏡頭垂直于隧道走向[7]。具體布置如圖2所示。

考慮標靶之間存在視線遮擋的問題，為實現(xiàn)有效監(jiān)測，需要確定傳感器與首個監(jiān)測標靶之間的距離a，確保倒數(shù)標靶不會擋住最后一個標靶的信號。

另外，考慮可能會存在視場角利用不充分以及a過大的問題，提出傳感器安裝時加一定的轉(zhuǎn)角，充分利用視場角的布置方案。

需要滿足三個條件實現(xiàn)監(jiān)測目的，第一個條件是傳感器接收第一個標靶與最后一個標靶信號之間的橫向夾角小于傳感器固定的橫向視場角；第二個條件是傳感器接收第一個標靶與最后一個標靶信號之間的豎向夾角小于傳感器固定的豎向視場角；第三個條件是倒數(shù)第二個監(jiān)測標靶不會擋住最后一個標靶的信號。

根據(jù)上面分析，以首個監(jiān)測距離a為求解參數(shù)，需要滿足下面公式（3）、公式（4）、公式（5）：

式中，αx——傳感器的橫向視場角大小；αz——傳感器的縱向視場角大小；b——傳感器在水平方向與標靶的距離；c——傳感器在垂直方向與標靶的距離；z——傳感器的長度；n——監(jiān)測段數(shù)，其中n+1為傳感器監(jiān)測的標靶總數(shù)；l——監(jiān)測點之間的距離；t——標靶的尺寸，下標x、y、z分別為標靶的寬、高、長。

結(jié)合公式（3）、公式（4）、公式（5），以首個監(jiān)測距離a為待求量，得到a需要滿足：

（6）

2.2 隧道平曲線段布置方案

在隧道平曲線段，為避免標靶信號遮擋，需要考慮存在水平變形曲率的問題，傳感器布置示意圖如圖3所示，CD與CF組成的錐形區(qū)域為傳感器的橫向視場角范圍，中間虛線為拱頂監(jiān)測標靶的布置線，在CD與CF組成的錐形區(qū)域范圍內(nèi)的標靶是能夠被監(jiān)測到的。

但是，視場角固定，隧道曲率半徑和車道寬度是不同的，導致能夠觀測到的標靶范圍不同。例如，假設將傳感器布置于C點偏離拱頂位置水平距離為b的位置，隧道內(nèi)側(cè)壁與拱頂水平距離為b1，隧道曲率半徑為R，過C點作隧道內(nèi)壁的切線交于A、作標靶布置線的切線交于F，若視場角能夠同時包含A點和F點，就能夠達到最大監(jiān)測距離。但是，隨著隧道曲率半徑的增大，傳感器往往不能同時監(jiān)測這兩個點，而保證監(jiān)測點的連續(xù)性，F(xiàn)點是必須觀測到的。因此下面計算同時能監(jiān)測兩個點的臨界值。

為保證所有監(jiān)測標靶均在傳感器視線范圍內(nèi)，需要保證∠FCA<αx，其中αx為傳感器的橫向視場角，計算簡圖如圖3所示。

為求得∠FCA，需要求得∠FCO與∠ACO，下面演示求解過程。

當滿足公式（8）時，說明傳感器能夠同時監(jiān)測到A點和F點。分析最不利的布置情況，也就是傳感器監(jiān)測的標靶都處于隧道轉(zhuǎn)彎部分中，由圖3可見，視場角的一部分會被隧道內(nèi)壁遮擋，最終的監(jiān)測范圍為弧線段BD。以下為弧BD長度計算方法。

以O為原點建立直角坐標系，首先求AC直線表達式，C點坐標為（R+b1+b，0）。

設AC直線為y?0=k（x?R?b1?b），直線AC與O點的距離為R，因此：

得到，下面為方便計算令b2=R+b1+b，b2也是邊OC的長度。

為了求解弧長BD，可以先∠BOE，設∠BOE為θ，弧BD=2θ（R+b1）。令A點的橫坐標為x1，B點的橫坐標為x2，C點橫坐標為x3=（b2，0），隧道內(nèi)圓方程表達式為y2+x2=R2，標靶布置線的表達式為y2+x2=（R2+b1）2，分別聯(lián)立式（10）、式（11）求解x1、x2：

∵AC切于內(nèi)圓，∴AC⊥OA，

∵AO=R，OC=b2，∴。

OA長度已知，求θ的關(guān)鍵在于AB的長度，而目前已經(jīng)求得x1、x2、x3與AC的值，只需要通過比例關(guān)系就可以求得AB。

將x1、x2、x3代入該方程得到：

計算得到最大監(jiān)測距離弧：

3 結(jié)論

對數(shù)字圖像技術(shù)在隧道位移監(jiān)測中的應用展開研究，詳細介紹了數(shù)字圖像技術(shù)位移測量原理。為實現(xiàn)一套設備多點位移同步監(jiān)測，需保證數(shù)字圖像設備同時接收多個激光標靶的光源，針對數(shù)字圖像設備在隧道位移測量中易出現(xiàn)光信號遮擋問題，該文在考慮前后障礙物、內(nèi)輪廓線等因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字圖像設備視角范圍，提出了兩種分別適用于隧道直線段和曲線段的測點位置計算方法。

參考文獻

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