基于双目视觉及激光测距的隧道变形监测系统

摘要

随着我国经济的飞速增长，我国的交通网建设也迅速增长。高速公路网络以及高速铁路大量建设，城市地铁建设也进入高速发展期，我国隧道及地下工程对于TBM(TunnelBoring Machine，隧道掘进机)的需求也越来越大。然而TBM设备庞大，对地质条件的适应性不够灵活，其在施工时对围岩变形影响显著，如果在没有预警的情况下遇到不良地质条件，很可能由于过大的隧道变形会造成隧道塌方、TBM卡机等工程事故。因此对隧道的变形情况进行实时的监测具有十分重要的意义。
　　本文提出了基于双目视觉及激光测距的隧道变形监测方案以实现隧道变形的自动、精确及实时的监测。在课题组前期研究成果的基础上，在隧道岩壁上设置人工标志点，由激光测量系统完成部分点的测量，由双目立体视觉系统获取岩壁其他标志点相互位置，由基于半定规划的拼接方法完成数据的融合。
　　论文首先介绍了TBM施工的概况以及由于隧道过大变形可能导致的后果，简单介绍了目前国内外关于隧道变形监测的方法，提出了论文的研究意义。
　　之后对本课题的整体测量方案进行了详细的叙述，对双目立体视觉系统的误差来源进行分析，建立了系统的误差模型，分析推算出不同工作距离条件下合理的双目系统的结构参数。
　　随后对双目立体视觉系统的各个步骤进行了详细的介绍，介绍了摄像机成像模型及标定方法，摄像机的畸变模型以及畸变矫正及极线校正的方法，提取目标形心的图像处理方法，立体匹配以及三维信息恢复方法。
　　提出了基于三点法的相邻隧道断面拼接方法以及基于半定规划的激光测距及双目视觉系统的数据融合方法，以提高系统的测量效率。
　　最后，搭建了实验系统分别在实验室以及隧道施工现场进行实验，以验证方案是否达到了设计要求。

目录

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致谢

摘要

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表格

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外相关研究现状

1．2．1 收敛仪法

1．2．2 全站仪自由三维工作站

1．2．3 三维激光扫描仪

1．2．4 近景摄影测量

1．2．5 无线遥感技术

1．2．6 隧道变形监测其他方法

1．3 课题研究意义及研究内容

1．3．1 隧道变形监测研究目的及意义

1．3．2 隧道变形监测研究内容

1．4 本章小结

2 隧道变形监测整体测量方案

2．1 引言

2．2 隧道交形监测整体方案

2．3 基于激光测距的自动化测量方案

2．4 基于双日视觉的测距方案

2．4．1 双目立体视觉关键技术

2．4．2 双目立体视觉系统的硬件组成

2．5 本章小结

3 双目系统误差分析与结构参数设计

3．1 引言

3．2 双目立体系统误差来源分析

3．2．1 摄像机标定过程中的误差

3．2．2 三维重建过程中的误差

3．3 双目立体系统误差模型的建立与分析

3．3．1 光轴与基线的夹角对系统精度的影响

3．3．2 基线长度对系统精度的影响

3．4 双目系统结构参数设计

3．5 本章小结

4 双目立体视觉系统三维信息提取

4．1 引言

4．2 摄像机标定

4．2．1 摄像机成像几何模型

4．2．2 双目立体视觉系统标定结果

4．3 图像的畸变矫正与双目立体视觉极线校正

4．3．1 图像的畸变矫正

4．3．2 双目立体视觉的极线矫正

4．4 特征识别与提取

4．5 图像匹配

4．6 三维信息获取

4．7 本章小结

5 三维坐标的拼接

5．1 引言

5．2 基于三点法的相邻隧道断面的拼接

5．2．1 匹配重叠区域的三对标志点

5．2．2 基于三点法芫成拼按

5．2．3 仿真

5．3 基于SFSDP的激光测量数据与双目数据拼接

5．3．1 三维坐标求解的数学模型

5．3．2 三维坐标求解的SDP松弛模型

5．3．3 FSDP的稀疏化

5．3．4 仿真

5．4 测量实验

5．4．1 实验系统的搭建

5．4．2 测量实验与结果分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历及在攻读硕士学位期间的主要研究成果