CN112330745A - 基于双目视觉的隧道洞口边仰坡稳定性监测预警***及方法 - Google Patents

基于双目视觉的隧道洞口边仰坡稳定性监测预警***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双目视觉的隧道洞口边仰坡稳定性监测预警***及方法，属于隧道技术领域。该***包括：固定安装在待待监测区域网格内的红外反光合作标志；双目远射工业相机；工控机；太阳能光伏板供电装置；监测预警信息中心；红外反光合作标志与待测点连为一体，跟随待测点一起运动，使得待测点位移可视化；双目远射工业相机实时采集待测点的图像信息；工控机植入图像分析算法，实时获取待测点相对相机测站位置的三维坐标，并根据测站位置的绝对坐标，还原待测点的绝对位置坐标，并将处理后的数据通过内置的远程数据传输模块传输至监测预警信息中心；监测预警信息中心实时展示隧道边仰坡三维变形形态，同时向用户发布预警信息。

Description

基于双目视觉的隧道洞口边仰坡稳定性监测预警***及方法
技术领域
本发明属于隧道技术领域，涉及基于双目视觉的隧道洞口边仰坡稳定性监测预警***及方法。
背景技术
隧道洞口边仰坡的稳定性问题一直是隧道建设运营期安全管控的重要部位与环节，目前常规的做法是人工水准测量、人工全站仪测量获测量机器人自动测量，但这些方法已经不能满足监测对大范围、高密度、高频频率、数字化与智能化的需求，同时在时间上和空间上存在一定的监测空窗期与盲区，导致不必要的灾害事故的发生，随着图像分析技术与双目立体视觉技术的发展，使得隧道洞口边仰坡实时三维形态测量变为可能，从而实现实时动态的监测预警。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于双目视觉的隧道洞口边仰坡稳定性监测预警***及方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于双目视觉的隧道洞口边仰坡稳定性监测预警***，该***包括：
固定安装在待待监测区域网格内的红外反光合作标志；
双目远射工业相机；
工控机；
太阳能光伏板供电装置；
监测预警信息中心；
红外反光合作标志与待测点连为一体，跟随待测点一起运动，使得待测点位移可视化；
双目远射工业相机实时采集待测点的图像信息；
工控机植入图像分析算法，实时获取待测点相对相机测站位置的三维坐标，并根据测站位置的绝对坐标，还原待测点的绝对位置坐标，并将处理后的数据通过内置的远程数据传输模块传输至监测预警信息中心；
太阳能光伏板供电装置为双目远射工业相机供电；
监测预警信息中心实时展示隧道边仰坡三维变形形态，同时向用户发布预警信息。
可选的，所述太阳能光伏板供电装置包括依次连接光伏板、太阳能控制器和锂电池。
可选的，所述双目远射工业相机包括依次连接的摄像机、视像采集模块、嵌入式图像数据处理模块、通信模块、存储模块、现场调试接口和视像数据处理终端；其中嵌入式图像数据处理模块与监测预警信息中心的中央控制模块连接。
基于双目视觉的隧道洞口边仰坡稳定性监测预警方法，该方法包括以下步骤：
(1)确定监测范围；纵向监测范围为根据设计图纸确定的浅埋区段，横向监测范围隧道底部向上45度扩散的监测区域；
(2)在确定的监测区域范围划分监测区域网格；
(3)在每一个监测区域的网格中心点布置一个反光合作标志，反光合作标志须与待监测部位的岩土牢固结合，协同变形；
(4)在隧道洞口对面获侧面坡体上选择相对稳定，视场范围能够覆盖整个监测区域的部位，用混凝浇筑监测测站的基座；
(5)在监测测站的基座上安装双目远射工业相机；
(6)进行初始化设置，找准待测目标，调节镜头与焦距，使得采集的图像信息达到最优；
(7)基于双相机双相片测量，根据空间点在两幅图中的视差，通过一定的坐标转化获得图像中同一待测点的的三维坐标值，双目立体视觉三维测量是基于视差原理，基线间距B＝两摄像机的投影中心连线的距离；相机焦距为f；设两摄像机在同一时刻观看空间物体的同一特征点(x，y，z)，分别在“左眼”和“右眼”上获取了点P的图像，它们的图像坐标分别为Pleft＝(xl，yl)，pright＝(xr，yr)；
两摄像机的图像在同一个平面上，则特征点P的图像坐标Y坐标相同，即yl＝yr＝y，则由三角几何关系计算出特征点P在相机坐标系下的三维坐标为：
Figure BDA0002799070670000021
其中相机坐标系通过内置相机内的基座北斗测量***GNSS实时获取；
(8)通过工控机进行坐标结算，将实时监测结果上传至监测预警信息中心，监测预警信息中心根据收到的监测结果绘制边坡三维变形云图，进行展示，实时发布预警信息。
可选的，所述监测区域网格的尺寸的大小为2*2m。
本发明的有益效果在于：本发明将隧道边仰坡一定范围内的待监测区域网格化，在网格内设置待测点，同时在远离边仰坡的山体上设置稳定的测站，安放远射双目相机，固定频率进行拍摄，通过一定的图像分析技术与空间坐标换算实时获取各待测点的三维坐标值，从而获得隧道洞口边仰坡的实时三维空间形态。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明构成图；
图2为本发明***组成图；
图3为纵向监测范围；
图4为横向监测范围；
图5为监测区域网格化及反光标靶；
图6为双目相机坐标换算原理图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图2，为一种基于双目视觉的隧道洞口边仰坡稳定性监测预警***及方法。
该***是通过远距离双目立体视觉的方法，实时获取隧道洞口边仰坡三维空间形态，从而实现隧道边仰坡稳定性实时、全天候、远程、数值化监测。
整套***包括：(1)固定安装在待待监测区域网格内的红外反光合作标志；(2)远射双目相机测站；(3)工控机；(4)太阳能光伏板供电装置；(5)监测预警信息中心。
各组成部分的基本功能与分工如下：
(1)反光合作标志：与待测点连为一体，跟随待测点一起运动，使得待测点位移可视化。
(2)远射双目相机：实时采集待测点的图像信息。
(3)工控机：植入图像分析算法，实时获取待测点相对相机测站位置的三维坐标，并根据测站位置的绝对坐标，还原待测点的绝对位置坐标，并将处理后的数据通过内置的远程数据传输模块传输至监测预警信息中心。
(4)太阳能光伏板：为双目远射相机供电。
(5)监测预警信息中心，实时展示隧道边仰坡三维变形形态，同时向用户发布预警信息。
具体实施方法与步骤如下：
(1)确定监测范围；纵向监测范围为根据设计图纸确定的浅埋区段，横向监测范围隧道底部向上45度扩散的监测区域，如图3和图4所示。
(2)在确定的监测区域范围划分监测区域网格，网格尺寸的大小为2*2m。
(3)在每一个监测区域的网格中心点布置一个反光合作标志，反光合作标志须与待监测部位的岩土牢固结合，协同变形，如图5所示。
(4)在隧道洞口对面获侧面坡体上选择相对稳定，视场范围能够覆盖整个监测区域的部位，用混凝浇筑监测测站的基座。
(5)在监测测站的基座上安装双目远射工业相机。
(6)进行初始化设置，找准待测目标，调节镜头与焦距，使得采集的图像信息达到最优。
(7)基于双相机双相片测量，根据空间点在两幅图中的视差，通过一定的坐标转化获得图像中同一待测点的的三维坐标值，双目立体视觉三维测量是基于视差原理，其坐标计算方法如图6所示，其中基线间距B＝两摄像机的投影中心连线的距离；相机焦距为f。设两摄像机在同一时刻观看空间物体的同一特征点(x，y，z)，分别在“左眼”和“右眼”上获取了点P的图像，它们的图像坐标分别为Pleft＝(xl，yl)，pright＝(xr，yr)。
现两摄像机的图像在同一个平面上，则特征点P的图像坐标Y坐标相同，即yl＝yr＝y，则由三角几何关系可计算出特征点P在相机坐标系下的三维坐标为：
Figure BDA0002799070670000051
其中相机坐标系通过内置相机内的基座北斗测量***(GNSS)实时获取。
(8)通过工控机进行坐标结算，将实时监测结果上传至监测预警信息中心，监测预警信息中心根据收到的监测结果绘制边坡三维变形云图，进行展示，实时发布预警信息。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.基于双目视觉的隧道洞口边仰坡稳定性监测预警***，其特征在于：该***包括：
固定安装在待待监测区域网格内的红外反光合作标志；
双目远射工业相机；
工控机；
太阳能光伏板供电装置；
监测预警信息中心；
红外反光合作标志与待测点连为一体，跟随待测点一起运动，使得待测点位移可视化；
双目远射工业相机实时采集待测点的图像信息；
工控机植入图像分析算法，实时获取待测点相对相机测站位置的三维坐标，并根据测站位置的绝对坐标，还原待测点的绝对位置坐标，并将处理后的数据通过内置的远程数据传输模块传输至监测预警信息中心；
太阳能光伏板供电装置为双目远射工业相机供电；
监测预警信息中心实时展示隧道边仰坡三维变形形态，同时向用户发布预警信息。
2.根据权利要求1所述的基于双目视觉的隧道洞口边仰坡稳定性监测预警***，其特征在于：所述太阳能光伏板供电装置包括依次连接光伏板、太阳能控制器和锂电池。
3.根据权利要求1所述的基于双目视觉的隧道洞口边仰坡稳定性监测预警***，其特征在于：所述双目远射工业相机包括依次连接的摄像机、视像采集模块、嵌入式图像数据处理模块、通信模块、存储模块、现场调试接口和视像数据处理终端；其中嵌入式图像数据处理模块与监测预警信息中心的中央控制模块连接。
4.基于双目视觉的隧道洞口边仰坡稳定性监测预警方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)确定监测范围；纵向监测范围为根据设计图纸确定的浅埋区段，横向监测范围隧道底部向上45度扩散的监测区域；
(2)在确定的监测区域范围划分监测区域网格；
(3)在每一个监测区域的网格中心点布置一个反光合作标志，反光合作标志须与待监测部位的岩土牢固结合，协同变形；
(4)在隧道洞口对面获侧面坡体上选择相对稳定，视场范围能够覆盖整个监测区域的部位，用混凝浇筑监测测站的基座；
(5)在监测测站的基座上安装双目远射工业相机；
(6)进行初始化设置，找准待测目标，调节镜头与焦距，使得采集的图像信息达到最优；
(7)基于双相机双相片测量，根据空间点在两幅图中的视差，通过一定的坐标转化获得图像中同一待测点的的三维坐标值，双目立体视觉三维测量是基于视差原理，基线间距B＝两摄像机的投影中心连线的距离；相机焦距为f；设两摄像机在同一时刻观看空间物体的同一特征点(x，y，z)，分别在“左眼”和“右眼”上获取了点P的图像，它们的图像坐标分别为Pleft＝(xl，yl)，pright＝(xr，yr)；
两摄像机的图像在同一个平面上，则特征点P的图像坐标Y坐标相同，即yl＝yr＝y，则由三角几何关系计算出特征点P在相机坐标系下的三维坐标为：
Figure FDA0002799070660000021
其中相机坐标系通过内置相机内的基座北斗测量***GNSS实时获取；
(8)通过工控机进行坐标结算，将实时监测结果上传至监测预警信息中心，监测预警信息中心根据收到的监测结果绘制边坡三维变形云图，进行展示，实时发布预警信息。
5.根据权利要求4所述的基于双目视觉的隧道洞口边仰坡稳定性监测预警方法，其特征在于：所述监测区域网格的尺寸的大小为2*2m。
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