基于图像测量姿态补偿方法及其装置和隧道沉降变形监测系统

摘要

本发明涉及基于图像测量姿态补偿方法及其装置和隧道沉降变形监测系统，属于隧道工程监测技术领域。该方法涉及的主要装置包括图像传感器（图像采集系统）、显微镜头、十字标志物、光源等。该装置的各个部分都安置在一个密闭的空间内。通过光源照射在标志物上，图像传感器（图像采集系统）测量悬挂在密闭空间内的十字标志物，来确定图像采集系统自身的角度位置变化。该方法用以实现在隧道变形监测中由于测量装置自身的偏转而引起的误差补偿和提高监测系统精度和可靠性，原理简单实用、应用方便、满足使用要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于图像测量姿态补偿方法及其装置和隧道沉降变形监测系统，属于隧道工程监测技术领域。

背景技术

运营地铁隧道的变形包括隧道纵轴线沿横断面的位移及隧道横断面形状的变化，当隧道变形过大时将影响地铁安全运营。为此，研制运营隧道变形检测分析系统非常必要，根据隧道变形的渐变性及长期性，采集隧道变形实时数据并建立长时段基础数据，通过对数据进行时间及空间的融合，实现隧道变形的网络发布并建立隧道变形预警机制。

隧道的变形是个缓慢渐变的过程。要实现对隧道状态进行准确监测，对监测系统的精度要求很高。而采用新型的非接触式的图像传感器进行测量的过程中，存在误差传播，这就对每个测站的位置测量精度要求很高。

最接近现有技术为中国专利公开号为CN101936715A的“地铁隧道整体形变检测拍摄镜头姿态消减方法”，该专利也涉及一种隧道变形监测技术领域的误差消减技术，具体为一种地铁隧道整体形变检测拍摄镜头姿态消减方法。该专利在同一测站上装有两组镜头，镜头的中心线重合，该两个镜头分别进行前向和后向的测量，这样每个测站的位置均由两个镜头给出，由此消除镜头空间转角的影响。采用该专利误差消减技术手段，可以减少测量误差，提高隧道轴向整体形变监测系统精度。由此消除镜头的姿态误差，保证了每个测站的位置精度，而且避免由于误差传播导致提高整体的测量误差。

发明内容

本发明的目的在于提出另一种地铁隧道整体变形检测拍摄镜头姿态误差消减方法及其相应的装置，同样也是消除由于拍摄镜头安装时由于姿态产生的测量误差。采用本发明方法由此减少测量误差，提高隧道整体变形监测系统的精度。隧道整体形变监测系统可以有效检测隧道的整体变形量，据此分析得到隧道的变形情况，及时提供预警信号，保持隧道营运安全。

本发明是通过以下技术方案实现的：

方案一：为防止外界因素的影响，其特征在于，将具有一定自重的十字形标志物置于密闭空间内并与该密闭空间一起固定于测站箱体内，设置光源照射在十字形标志物上，同时设置显微镜头及其图像传感器用以实时采集十字标志物因外界测站位置偏转而引起其同步角度位置变化，从而来测量确定测站自身的角度位置变化，并据此补偿隧道轴向图像采集系统姿态误差，由此消除隧道整体变形监测系统因轴向镜头空间转角的影响。

方案二：一种实施上述方法涉及的偏转角测量装置，为一密封装置，该密闭装置安装固定于测站的大箱体内，其特征在于，密封装置内包括十字形标志物、光源A、一组显微镜头A及其CCD传感器A，将十字标志物通过细绳悬挂在该密封装置的顶部，使之处于水平状态，显微镜头A及其CCD传感器A组装在一起固定在密封装置的底部，显微镜头A及其CCD传感器A正对十字标志物中心，使得十字标志物A成像尽量在CCD传感器A的中心位置，同时将光源A固定于密封装置上，使光源A投射照亮十字标志物A，CCD传感器A输出端与图像采集系统连接。

进一步说明，增加细线长度可以提高测量精度。

方案三：一种基于图像测量姿态补偿消除误差的隧道沉降变形监测系统，其特征在于，相邻两车站区间的隧道上设置若干测点，各个测点呈轴向布置，每个测点设备都安装在测站内，测站固定于隧道内壁上。

每个测站包括两路镜头及其图像传感器和两路光源，分别为镜头及其图像传感器B、镜头及其图像传感器A、光源B、光源A，其中一路镜头及其图像传感器B和光源B用以安装于测站大箱体边侧，镜头及其图像传感器B用于拍摄相邻前一测站的光源，光源B为相邻后一测站的镜头及其图像传感器提供标志物，从而实现采集隧道轴向各个测点的位点信息，另一路镜头及其图像传感器A用于拍摄本测站内的十字标志物，用于补偿测站本身轴向转角的偏差。

测站还包括图像采集系统，所述图像传感器A和图像传感器B分别与图像采集系统连接。

所述测站图像采集系统包括控制板和RS485接口。

各个测点通过RS485总线连接在一起。

每个测站的显微镜头及其图像传感器A拍摄十字标志物，得到的图像传到控制板上的处理中心进行图像处理，拟合得到标志物的中心点，通过比较前后两次拟合的中心点位置，计算出偏转角度，通过RS485总线将该角度值上传至站级监测系统的监控电脑，用这个角度进行该测站的姿态补偿；同时每个测站采集处理获得的相邻测站坐标相对位移信息也发至站级监测系统并由监控电脑统一汇总分析两车站间隧道变形状况。

本发明地铁隧道沉降形变检测系统，采用网络传感器技术和图像识别技术对运营地铁隧道形变进行在线式实时监测，根据隧道变形数据分析隧道变形状况，及时预报隧道变形状况不良引起的灾害。

本发明采用误差补偿技术手段，可以减少测量误差，提高隧道整体变形监测系统精度，如果不消除测站的姿态误差，就会降低了每个测站的位置精度。采用本发明各个测站可以独立克服自身偏转导致的误差，从而保证整个系统测量精度。

附图说明

图1隧道沉降变形检测网络示意图及各个测站。

图2倾角测量系统模型及其网络。

图3控制板的硬件结构框图。

图4基于图像测量姿态补偿方法的装置组成结构示意图。

图5偏转角测量原理图。

图6十字标志物拟合中心坐标比较示意图。

图7位置偏移△L与偏转角α关系图（注：图上横坐标单位为mm，纵坐标单位为度，取L=5cm=50mm）。

标记说明：1-标志物光源，2-细绳，3-十字标记物，4-回转中心，5-显微镜头B，6-图像传感器A，7-图像采集系统，8-密封装置，9-测站箱体，10-镜头及其图像传感器A、11-光源A，

偏转角α，十字标志物中心点位移△L，设定的细绳长度L，十字标志物像中心点位移△x。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明。

实施例一

如图1所示，本发明系统为，相邻两车站区间的隧道上设置若干测点，各个测点呈轴向布置，每个测点固定在内壁上，每个测点设备都安装在测站内，各个测点通过RS485总线连接在一起，构成新的隧道沉降变形监测网络。

网络中各个测站箱体两边侧轴向分别安装镜头及其图像传感器B和光源B，镜头及其图像传感器B用于拍摄相邻前一测站的光源B，每个测站采集处理获得的相邻测站相对位移信息发至站级监测系统并由监控电脑统一汇总分析两车站间隧道变形状况。

由于外界因素影响测站装置本身会发生偏转，固定在测站箱体中的镜头及其图像传感器B也会同时随之偏转，由于两个测站的距离较大，很小的角度偏转都会对测量带来很大的误差，所以在后期的数据处理中必须消除测站自身偏转带来的测量误差。

实施例二

本发明的目的之一就是测量出测站本身角度偏转，本实施例即公开了实现隧道沉降变形监测系统姿态偏转消减的方法及其测量装置的结构。

为防止外界因素的影响，将具有一定自重的十字形标志物置于密闭空间内并与该密闭空间一起固定于测站箱体内，设置光源照射在十字形标志物上，同时设置镜头及其图像传感器用以实时采集十字标志物因外界测站位置偏转而引起其同步角度位置变化，从而来测量确定测站自身的角度位置变化，并据此补偿隧道轴向图像采集系统姿态误差，由此消除隧道整体变形监测系统因轴向镜头空间转角的影响。

如图4所示，公开了一种实现上述姿态补偿方法的具体优选设计的测量装置。为一密封装置，该密闭装置安装固定于测站的大箱体内，密封装置内包括十字形标志物、光源A、一组显微镜头A及其CCD传感器A，将十字标志物通过细绳悬挂在该密封装置的顶部，使之处于水平状态，显微镜头A及其CCD传感器A组装在一起固定在密封装置的底部，显微镜头A及其CCD传感器A正对十字标志物中心，使得十字标志物A成像尽量在CCD传感器A的中心位置，同时将光源A固定于密封装置上，使光源A投射照亮十字标志物A，CCD传感器A输出端图像采集系统连接，此时可测得十字标志物A的初始位置。

如图5所示，当测站在外界环境下绕着回转中心偏移了一个角度后，该密封装置也必然随之同步发生偏转。设偏转角度为α，十字标志物系在细绳上，由于自重的影响其保持竖直，而显微镜头及其图像传感器A也必然会随测站同步发生偏转，此时标志物的像在图像传感器中发生位移，前后两个十字标志物在图像传感器中成像的中心点偏移的距离为△x（如图6所示），十字标志物中心偏移距离△L（如图5所示）。细绳的长度L由设计时给出。计算如下：

△L=K△x

其中K是镜头成像中物体与其像的比例系数，比如上所述镜头倍率为1，则K取值为1。

如图5所示，容易得出偏转角度公式：

tanα=ΔL/L

计算出偏转角α的值。

1. 由公式tanα=ΔL/L可知细绳长度与角度及位移关系。

当α=5′时，分别取L=1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm时，

则可测量获得△L=0.0014cm，0.0028cm，0.0042cm，0.0056cm，0.0069cm，0.0083cm，0.0097cm，0.0111cm，0.0125cm，0.0139cm。

2. 在此如取L=5cm可拟合出△L与α的关系图，如图7所示。

本实施例方法用以实现在隧道变形监测中由于系统轴向测量装置自身的偏转而引起的误差补偿和提高监测系统精度和可靠性，原理简单实用、应用方便、满足使用要求。由此消除监测网中各个测站上轴向安装镜头的姿态误差，避免测量系统因为测站自身偏转带来误差传递。

实施例三

基于实施例一和实施例二思路，本实施例具体公开了一种基于图像测量姿态补偿的隧道沉降变形监测系统。

如图1所示，相邻两车站区间的隧道上设置若干测点，各个测点呈轴向布置，每个测站作为测点固定在内壁上，每个测点设备都安装在测站内。每个测站包括两路镜头及其图像传感器和两路光源，分别为镜头及其图像传感器B、显微镜头及其图像传感器A、光源B、光源A，其中一路镜头及其图像传感器B和光源B用以安装于测站大箱体边侧，镜头及其图像传感器B用于拍摄相邻前一测站的光源，光源B为相邻后一测站的镜头及其图像传感器提供标志物，从而实现采集隧道轴向各个测点的位点信息，另一路镜头及其图像传感器A用于拍摄本测站内的十字标志物，用于补偿测站本身轴向转角的偏差。测站还包括图像采集系统，所述图像传感器A和图像传感器B分别与图像采集系统连接。

所述测站图像采集系统包括控制板和RS485接口。

各个测点通过RS485总线连接在一起，构成于图像测量姿态补偿的隧道沉降变形监测系统网络，如图2所示。

所述测站图像采集系统硬件平台，如图3所示：本系统为嵌入式平台是基于S3C2440微处理器，板载64M的SDRAM以及64M的Nand Flash，通过SPI接口外接两路OV9650摄像头来获取图像数据，其中OV9650摄像头B用来拍摄前一个测站上的光源B，OV9650摄像头A用来拍摄本测站上密闭装置内的十字标志物。OV9650是CMOS彩色图像传感器，可输出130万像素，支持SXGA、VGA、QGA、QVGA等多种图像分辨率，含自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡、自动黑级校准等功能。S3C2440微处理器内部集成了Camera控制器，专门用来与外部的多媒体设备进行通信。该Camera控制器最大支持4096×4096像素图像，并且提供了Preview/Codec两种模式，分别用来视频预览以及图像压缩功能，通过配置Camera控制器，可以对0V9650传感器的视频流进行编码压缩或直接预览。RS485接口用来构建隧道沉降变形监测网络，JTAG接口主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、测试。

构建偏转角度检测网如图2所示，以测点1为例说明系统的工作过程：测点1的镜头及其图像传感器A拍摄十字标志物，得到的图像传到控制板上的处理中心进行图像处理，拟合得到标志物的中心点，通过比较前后两次拟合的中心点位置，计算出偏转角度，通过RS485总线将该角度值上传至站级监测系统的监控电脑，用这个角度进行该测站的姿态的补偿；同时每个测站采集处理获得的相邻测站坐标位移信息也发至站级监测系统并由监控电脑统一汇总分析两车站间隧道变形状况。

本实施例系统在后期的沉降量计算时可消除被测物测站自身偏转而引起的误差。