[发明专利]一种基于数字图像的隧道三维形貌测量方法

说明书

本发明公开了一种基于数字图像的隧道三维形貌测量方法，属于光学测量技术领域，用于对可旋转的第一相机和第二相机拍摄的隧道表面散斑图像进行处理，包括：在每个旋转角度值下，获取第一相机和第二相机采集的隧道内表面散斑图像并构成隧道内表面散斑图像对；计算每对隧道内表面散斑图像中特征点的图像坐标；根据每对特征点的图像坐标、第一相机的标定参数以及第二相机的标定参数，计算每对待测点的三维空间坐标，并构建三维云图；采用点云拼接方法，将一周期内所有三维云图统一到一个坐标系下，得到所述隧道整个横截面形貌，以实现隧道进行侵限检测。本发明可在保证测量精度不低于激光三维扫描仪的前提下降低隧道施工成本。

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种基于数字图像的隧道三维形貌测量方法。

背景技术

由于受地形限制，为满足铁(公)路建设标准，往往要采用一定数量的隧道来穿越崇山峻岭。为了保证施工过程安全，确保速到初期支护和二次衬砌质量满足设计要求，在隧道建设过程中，需对开挖轮廓及初期支护轮廓进行检测，以保证隧道施工后的运营安全。

目前，轮廓侵限检测常用的方法是采用全站仪通过实测某个断面的上限测点三维坐标，人工描绘断面形状，再与设计断面进行比较，检查该断面是否存在侵限问题。这种传统的方法存在以下几个缺陷：一是，测点偏少，不能对断面进行全面的数据采集，往往采用拟合数据代替未测点，导致精度较低；二是，采用的是断面法，往往是采用一个断面代表一定长度范围的隧道轮廓，与实际情况不符；三是，作业人员的工作量大，作业时间长，且成果如何依靠的是作业人员的工作经验，测量结果主观性较强。

为了准确、全方位的获取隧道空间变形数据，一些工程应用基于激光测距原理的激光三维扫描仪进行隧道轮廓三维分析，全方位分析隧道轮廓侵限情况，指导隧道信息化施工，具有非常重要的工程应用价值。但是其存在的缺陷在于成本高、且所测量数据中冗余数据量大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字图像的隧道三维形貌测量方法，在保证测量精度的前提下降低隧道施工的成本。

为实现以上目的，本发明采用一种基于数字图像的隧道三维形貌测量方法，其用于对可旋转的第一相机和第二相机拍摄的隧道表面散斑图像进行处理，该第一相机和第二相机以一旋转轴进行旋转拍摄，所述方法包括：

对第一相机、第二相机进行标定，得到第一相机和第二相机的标定参数；

在每个旋转角度值下，获取第一相机和第二相机采集的隧道内表面散斑图像并构成隧道内表面散斑图像对；

基于图像匹配算法，计算每对隧道内表面散斑图像中特征点的图像坐标；

根据每对特征点的图像坐标、第一相机的标定参数以及第二相机的标定参数，计算每对待测点的三维空间坐标，并构建三维云图；

采用点云拼接方法，将所述旋转轴转动一圈内的所有三维云图统一到一个坐标系下，得到所述隧道整个横截面形貌，以实现隧道进行侵限检测。

进一步地，所述对第一相机、第二相机进行标定，得到第一相机和第二相机的标定参数，包括：

调节所述第一相机与第二相机之间的对焦距离和夹角，使得第一相机观察的第一待检测区域和第二相机观察的第二待检测区域同时清晰成像；

利用所述第一相机和第二相机分别采集标定板的n个图像来构成n对标定图像对，并利用标定图像标定所述第一相机和第二相机的标定参数；

旋转所述旋转轴以使所述第一相机对第一待检测区域进行旋转拍摄和和第二相机对第二待检测区域进行旋转拍摄，得到重合面积在规定范围内的重合图像对；

采用点对应的方式对所述重合图像对进行处理，得到所述旋转轴的单位旋转向量和固定旋转点。