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(yīng)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(yīng)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(biāo)靶點(diǎn)位布設(shè)位置進(jìn)行設(shè)計計算，提出了兩種分別適用于隧道直線段和曲線段測點(diǎn)位置布置方法。測點(diǎn)位置計算結(jié)合數(shù)字圖像設(shè)備橫向和豎向鏡頭視角，可避免前面標(biāo)靶對后面標(biāo)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(xiàn)標(biāo)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(shè)數(shù)量與日俱增，隧道施工和運(yùn)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(biāo)，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(zhǔn)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(yīng)用中，隧道位移測量存在著只能實現(xiàn)一維測量、基點(diǎn)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(jī)器視覺的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測技術(shù)[3]，利用標(biāo)靶發(fā)射特定波長段的紅外光，圖像傳感器接收分析標(biāo)靶信息完成監(jiān)測。具體紅外靶目標(biāo)通過圖像監(jiān)測傳感器的長焦光學(xué)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(diǎn)的精確位置，最后由物像關(guān)系確定靶目標(biāo)的空間位置。通過對不同時刻靶目標(biāo)的空間位置比較分析，確定靶目標(biāo)的變形情況，進(jìn)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(xué)鏡頭瞄準(zhǔn)被測目標(biāo)上設(shè)置的靶標(biāo)，圖像傳感器為CCD或CMOS傳感器[4]，以獲取被測量靶標(biāo)的圖像，也就是將靶標(biāo)的圖像成像于CCD或CMOS芯片上。

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

以P0為基準(zhǔn)，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(shè)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(xué)成像、物像[6]位置關(guān)系式可知，物點(diǎn)和像點(diǎn)的關(guān)系如下：

式中，β——物像之間的比例系數(shù)。

當(dāng)β值確定，則待測點(diǎn)的水平方向和垂直方向位移為：

顯然，由于像平面的坐標(biāo)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(biāo)（X0?，Y0?）和（Xt?，Yt?）確定，根據(jù)上述公式計算得出靶標(biāo)在不同時刻的二維位移。

隨著電子科技的進(jìn)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(jìn)行升級，提高匹配速度和準(zhǔn)確度，以適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存容量小、不適應(yīng)復(fù)雜浮點(diǎn)運(yùn)算的特點(diǎn)。

在基于靶型匹配算法研究中，為解決匹配對象（靶目標(biāo)）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(jìn)行改進(jìn)，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(jìn)行粗匹配，選取若干個待準(zhǔn)匹配點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行精匹配；對匹配相似性度量函數(shù)NCC進(jìn)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(yùn)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(zhǔn)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(yīng)用中的實時性問題，適應(yīng)匹配對象受一定噪聲點(diǎn)干擾、局部整體光照變化以及復(fù)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(dá)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(shè)備通過光信號傳播，需同時接受多個激光標(biāo)靶光源，在考慮設(shè)備鏡頭視場的基礎(chǔ)上，還應(yīng)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(diǎn)，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(yīng)用于隧道位移監(jiān)測時須對測點(diǎn)布設(shè)位置進(jìn)行設(shè)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(biāo)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(biāo)靶鏡頭垂直于隧道走向[7]。具體布置如圖2所示。

考慮標(biāo)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(biāo)靶之間的距離a，確保倒數(shù)標(biāo)靶不會擋住最后一個標(biāo)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(biāo)靶與最后一個標(biāo)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(biāo)靶與最后一個標(biāo)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(biāo)靶不會擋住最后一個標(biāo)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?。沪羫——傳感器的縱向視場角大?。籦——傳感器在水平方向與標(biāo)靶的距離；c——傳感器在垂直方向與標(biāo)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(biāo)靶總數(shù)；l——監(jiān)測點(diǎn)之間的距離；t——標(biāo)靶的尺寸，下標(biāo)x、y、z分別為標(biāo)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(biāo)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(biāo)靶的布置線，在CD與CF組成的錐形區(qū)域范圍內(nèi)的標(biāo)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(dǎo)致能夠觀測到的標(biāo)靶范圍不同。例如，假設(shè)將傳感器布置于C點(diǎn)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(diǎn)作隧道內(nèi)壁的切線交于A、作標(biāo)靶布置線的切線交于F，若視場角能夠同時包含A點(diǎn)和F點(diǎn)，就能夠達(dá)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(diǎn)，而保證監(jiān)測點(diǎn)的連續(xù)性，F(xiàn)點(diǎn)是必須觀測到的。因此下面計算同時能監(jiān)測兩個點(diǎn)的臨界值。

為保證所有監(jiān)測標(biāo)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(dāng)滿足公式（8）時，說明傳感器能夠同時監(jiān)測到A點(diǎn)和F點(diǎn)。分析最不利的布置情況，也就是傳感器監(jiān)測的標(biāo)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(shè)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，首先求AC直線表達(dá)式，C點(diǎn)坐標(biāo)為（R+b1+b，0）。

設(shè)AC直線為y?0=k（x?R?b1?b），直線AC與O點(diǎn)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(shè)∠BOE為θ，弧BD=2θ（R+b1）。令A(yù)點(diǎn)的橫坐標(biāo)為x1，B點(diǎn)的橫坐標(biāo)為x2，C點(diǎn)橫坐標(biāo)為x3=（b2，0），隧道內(nèi)圓方程表達(dá)式為y2+x2=R2，標(biāo)靶布置線的表達(dá)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?。?/p>

3 結(jié)論

對數(shù)字圖像技術(shù)在隧道位移監(jiān)測中的應(yīng)用展開研究，詳細(xì)介紹了數(shù)字圖像技術(shù)位移測量原理。為實現(xiàn)一套設(shè)備多點(diǎn)位移同步監(jiān)測，需保證數(shù)字圖像設(shè)備同時接收多個激光標(biāo)靶的光源，針對數(shù)字圖像設(shè)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(shè)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(diǎn)位置計算方法。

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