[发明专利]一种基于视频监控的隧道塌方区围岩变形实时监测方法

权利要求书

1.一种基于视频监控的隧道塌方区围岩变形实时监测方法，其特征在于首先采用地面激光扫描技术获得隧道塌方区的三维虚拟实景模型，包括点云数据和与三维图像数据，其次根据每个摄影机位置及其监控塌方区的视频数据，构建摄像机位置与塌方区三维虚拟实景模型之间的透射投影关系，而后采用三焦点张量与对极约束法，实现多视角摄影视频中塌方区目标监测点在空间三维坐标系下相对基准控制点的定位，最后依据透射投影关系计算目标监测点的位移值；

该方法包括以下步骤：

第一步：目标监测点与基准控制点布置，在塌方区内均匀布置若干目标监测点，在塌方区外围均匀布置若干基准控制点，基准控制点的数量应保证每两个摄像机的视频图像应有7个以上共有基准点，目标监测点与基准控制点采用不同颜色的荧光笔标记，为了方便计算机识别，每个标记点应有明显差别；

第二步：摄像机位置设置，保证每个目标监测点与基准控制点必须在三个以上摄像机视角内，三个摄影机视角的夹角控制在45～60°；根据摄影机的位置，采用对极约束关系构建多摄像机的视频图像坐标系之间转换关系；

第三步：激光扫描仪测量，距离塌方区5～10m选择合适的仪器测点，满足激光扫描区应覆盖所有目标监测点与基准控制点，确定三维激光扫描仪架设测点的站点数量、测站点具体位置以及仪器架设的高度、扫描角度；若需要多站测量，还需要在不同相邻扫描区内包含3个拼接标识点，以便对不同站点的点云数据拼接；最终扫描测量完毕获得描述激光扫描区表面坐标信息的点云数据和为识别目标监测点与基准控制点标记的图像数据；

第四步：三维虚拟实景模型构建，根据激光扫描仪内部校准参数和扫描仪相机的固有参数，建立Mounting矩阵即相机坐标系与扫描仪坐标系之间的坐标转换参数矩阵、COP矩阵即相机拍摄瞬间相机坐标系和初始相机坐标系的旋转矩阵、SOP矩阵即扫描站点测站坐标系相对于工程坐标系的旋转平移矩阵，实现点云数据和图像数据的配准，从而构建三维虚拟实景模型；

第五步：基准控制点与目标监测点的初值标定，采用Delaunay三角剖分法将点云数据转换为三角形格网，在图像数据中标记出基准控制点与目标监测点，将三维三角形格网投影到图像数据的平面坐标上，依据基准控制点与目标监测点的像素坐标与投影后三角形格网角点的像素坐标可以搜索出各个基准控制点与目标监测点的所属的三角形格网以及相对该三角形格网角点的距离，然后还原回投影前的三维坐标，从而获得基准控制点与目标监测点的实际初始三维坐标；

第六步：透射投影关系构建，每个摄像机的透射投影关系构建，通过摄影机位置、焦距参数、实景中基准控制点与目标监测点初始坐标构建摄像机透射投影关系，建立视频图像的像素坐标与实景坐标的关系；

第七步：视频采集中目标监测点定位，间隔n帧采集视频图像，采用sift算法依据不同帧视频图像中对应基准控制点配准获得一系列视频图像，保证一系列视频图像在各自摄像机透射投影坐标系中准确位置，记录视频图像中目标监测点与基准控制点的像素坐标，根据对应摄影机的透射投影关系，采用三焦点张量点转移与多摄像机的视频图像坐标系之间转换关系，计算在摄影机三维坐标下目标监测点与基准控制点相对位置；

第八步：计算变形位移值，利用实景三维坐标系下基准控制点坐标，获得实景三维坐标系下目标监测点坐标，与目标监测点初始坐标相比较，从而得到目标监测点的变形矢量。