CN102721365B - 隧道断面高速精确测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道断面高速精确测量方法及装置，该方法使用多个线式激光器首尾重叠拼接出隧道的大角度断面；采用多个高速相机同步采集激光轮廓，经过图像处理；通过对图像坐标到空间坐标的模型运算，得到真实隧道断面的坐标。该装置包括激光扫描测距模块，摄影测量模块和数据采集处理模块。本发明融合了激光扫描测距技术和三角摄影测量技术，解决了高速动态检测时数据量大难以处理的问题，满足了高速高精度的测量需求。此外本发明具有结构紧凑，安装施测方便的特点。
Description
技术领域
本发明属于隧道几何轮廓测量方法及其设备。特别涉及一种隧道断面高速精确测量方法及装置。
背景技术
由于列车冲击、地质变形、临近施工与线路养护保养等因素，隧道洞体经常发生变形，严重影响运营安全。因此，隧道全断面与洞体变形的动态检测技术一直是关系到轨道交通运营安全的核心技术之一。
目前，国内外的动态检测技术主要包括激光辅助三角形摄影测量技术以及基于光传播时间原理的激光扫描测量技术。这两种测量原理都有各自的优缺点。激光扫描测量虽然不受外界光线干扰，但由于受扫描光点发散效应的限制，测量复杂断面时的精度低，必须通过多次往复测量提高测量精度，测量效率较低。同时由于多次往复动态测量对定位精度要求极高，实施也较为困难。而三角形摄影测量虽然具有较高的动态测量精度，但测量时易受阳光、隧道内灯光等外界光线干扰而产生偏差，严重时甚至失效。因此必须采用复杂的图像处理算法进行一定程度的弥补，例如通过二维滤波和模式识别技术，滤除灯光影像，识别隧道洞壁上的激光光带位置。通常，动态测量要求每秒几百甚至上千帧的采样速率，目前技术难以实现全部图像数据的实时存储，只能借助图像处理技术提取和存储激光光带位置。但图像处理算法会大大增加处理时间，降低***采样速度，不适合高速动态应用条件。因此，目前国内外现有的隧道断面检测技术无法在高速动态测量条件下同时保证高测量精度和高采样速率。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提出一种隧道断面高速精确测量方法及装置，实现隧道断面的实时、连续地测量。
本发明技术方案是：一种隧道断面高速精确测量方法，其特征在于：该方法使用多个线式激光器首尾重叠拼接出隧道的大角度断面；采用多个高速相机同步采集激光轮廓，经过图像处理；通过对图像坐标到空间坐标的模型运算，得到真实隧道断面的坐标。
进一步地，所述首尾重叠拼接出隧道的大角度为大于270度断面。
一种隧道断面高速精确测量方法的测量装置，包括激光扫描测距模块、摄影测量模块、数据采集处理模块，其特征在于：所述激光扫描测距模块包括两个激光扫描测距仪；所述摄影测量模块包括多个线式激光器和多个高速工业相机；所述数据采集处理模块包括用于处理各路相机采集数据的以FPGA为处理核心的图像采集处理卡，用于采集左右激光扫描测距仪数据的采集卡，用于综合采集数据、显示存储并对各采集通路进行配置和通信的计算机。
进一步地，所述测量装置的机械结构，包括激光扫描测距仪1、激光扫描测距仪的安装底座2、线式激光器3、装置主体支撑结构4、高速工业相机5、带旋转叶片的法兰盘6，其特征在于：所述装置主体支撑结构4是中空的多面柱状体，一端安装激光扫描测距仪1和线式激光器3，线式激光器成对安装在激光扫描测距仪的安装底座2上形成扇形扫描面，激光扫描测距仪的安装底座2与装置主体支撑结构4相连接；装置主体支撑结构4另一端是带旋转叶片的法兰盘6，带旋转叶片的法兰盘6的每个叶片上安装一个高速工业相机5。
进一步地，所述高速工业相机5的数量可根据实际测量需要进行调整。
本发明优点效果是：本发明隧道断面高速精确测量方法及装置采用激光扫描测距模块（粗测模快）和摄影测量模块（精测模块）搭配使用。通过粗测模快实时获取隧道轮廓的粗略位置，指导摄影测量***（精测模块）进行快速二维图像滤波，只对目标位置在图像上可能出现的区域进行处理，直接获取激光光带的准确位置，这样就减少了图像处理量，大大提高了处理速度。同时预先划定激光光带所在窗口也能回避部分镜头内的外界光线干扰，提高了采集的精度。
本发明融合了激光扫描测距技术和三角摄影测量技术，解决了高速动态检测时数据量大难以处理的问题，满足了高速高精度的测量需求。此外本发明具有结构紧凑，安装施测方便的特点。
附图说明
图1为本发明隧道断面高速精确测量方法的测量装置机械结构示意图
图2为本发明采集图像划窗示例
图3为本发明数据采集处理结构框图
附图标示：1为激光扫描测距仪、2为激光扫描测距仪的安装底座、3为线式激光器、4为装置主体支撑结构、5为高速工业相机、6为带旋转叶片的法兰盘；
21为激光在图像上的显示、22划窗上限、23划窗下限；
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细阐述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本发明主要装备在铁路检测车上，当检测车通过隧道时***开始工作。激光扫描测距***由两个德国SICK激光测距传感器组成，以35帧每秒的频率实时更新目标距离，精度10mm。在装置运行过程中，当由激光扫描测距传感器检测到目标轮廓假设在半径3m附近时，这个信息上传到计算机，计算机根据预先标定的模型计算得出空间高度3m对应摄影测量***相应角度的相机采集图像上的第286行附近，如图2中21，同时目标半径0.5m上下对应图像第240行和第317行附近，如图2中22和23。然后，计算机指令摄影测量***的相应相机仅向采集卡传输图像第240行到第317行数据，这样相对于全幅图像1024行图像信息，采集卡仅获取并处理77行有用数据，这样就减少了93%的多余图像信息，为后续处理节省计算能力。图像采集卡在获取这部分图像信息后，在板上对图像进行处理并计算出隧道轮廓的精确空间坐标，最后将计算结果再传回计算机，在软件界面上实时显示。
实施例2
整个测量装置由三部分组成，（1）主要由两个激光扫描测距仪构成的粗测模块；（2）由多个激光器和多个高速工业相机构成的摄影测量模块；（3）数据处理***，包括多张以FPGA为处理核心的图像处理卡、激光测距采集卡和计算机。
激光测距采集卡采集激光扫描测距仪的数据上传给工控机，图像处理卡完成相机的图像采集和模型计算功能，与相机一一对应，如图3所示。所有采集卡与工控机通过PCI总线相连。图像处理卡以硬件电路实现的方法对窗口内的图像进行多级滤波、光带亚像素级中心提取，再根据空间三角模型方程，由图像坐标计算出激光光带的空间坐标，从而得出隧道轮廓精确尺寸。在3m的测量半径附近，本装置的断面测量精度优于1mm。硬件处理的结果在计算机上进行坐标点合成和拼接，得到可视化的完整断面轮廓信息。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种隧道断面高速精确测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1）由激光扫描测距***检测到目标轮廓，并将目标轮廓信息上传到计算机；
步骤2）计算机根据激光扫描测距***上传的信息，经过预先标定的模型计算得出目标轮廓对应摄影测量***相应角度的相机采集图像的范围；
步骤3）计算机指令摄影测量***的相应相机仅摄取并向采集卡传输目标轮廓对应范围的图像数据；
步骤4）图像采集卡在获取这部分图像信息后，对图像进行处理并计算出目标轮廓的精确空间坐标，最后将计算结果再传回计算机，在软件界面上实时显示。
2.一种隧道断面高速精确测量方法的测量装置，包括激光扫描测距模块，摄影测量模块和数据采集处理模块，其特征在于：所述激光扫描测距模块包括两个激光扫描测距仪；所述摄影测量模块包括多个线式激光器和多个高速工业相机；所述数据采集处理模块包括用于处理各路相机采集数据的以FPGA为处理核心的图像采集处理卡，用于采集左右激光扫描测距仪数据的采集卡，用于综合采集数据、显示存储并对各采集通路进行配置和通信的计算机。
3.根据权利要求2所述的一种隧道断面高速精确测量方法的测量装置，其特征在于：所述测量装置的机械结构，包括激光扫描测距仪（1）、激光扫描测距仪的安装底座（2）、线式激光器（3）、装置主体支撑结构（4）、高速工业相机（5）、带旋转叶片的法兰盘（6），其特征在于：所述装置主体支撑结构（4）是中空的多面柱状体，其一端安装激光扫描测距仪（1）和线式激光器（3），所述线式激光器（3）成对安装在激光扫描测距仪的安装底座（2）上形成扇形扫描面，激光扫描测距仪的安装底座（2）与装置主体支撑结构（4）相连接；装置主体支撑结构（4）另一端是带旋转叶片的法兰盘（6），带旋转叶片的法兰盘（6）的每个叶片上安装一个高速工业相机（5）。
4.根据权利要求3所述的一种隧道断面高速精确测量方法的测量装置，其特征在于：所述高速工业相机（5）的数量可根据实际测量需要进行调整。
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