[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

说明书

本发明是一种基于视频监控的隧道塌方区围岩变形实时监测方法。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，实现了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。本发明实现了非接触式实时全时自动变形监测，规避了隧道塌方区监测的高危高风险性，解决了接触式测量量程与成本限制、非全时监测无法及时安全预警的困境。

技术领域

本发明涉及隧道施工过程塌方区围岩变形安全监测技术。属于岩土工程安全监测技术领域。适用于针对高危险区域与常规仪器难以布设区的非接触式、全时实时安全监测工作。

背景技术

随着生产的发展，各类土木工程如雨后春笋般涌现，并向着高、深、大的方向发展，而岩土工程测试技术是从根本上保证岩土工程勘察、设计、治理、监理的准确性、可靠性以及经济合理性的重要手段，因此，岩土体工程特性的准确测试更显得异常重要。

为解决各类复杂的岩土工程问题，出现了许多新理论和新设计方法，而岩土工程理论是以岩土测试技术和相应的实验依据作为发展背景的。如果没有新的测试技术的相应发展，设计所依据的各项参数就无法测得，设计的结果也无从验证，故而岩土工程理论、设计的先进性也无法体现。因此岩土工程测试不仅在土木工程实践中非常重要，而且在岩土工程学科理论发展中也起着关键作用。

表1隧道监测项目表

发明内容

技术问题：本发明是一种基于视频监控的隧道塌方区围岩变形实时监测方法。本发明实现了非接触式变形监测，规避了隧道塌方区的高危高风险，同时满足实时监测，解决了其它非接触变形监测技术无法全时监测的困境，数字化数据处理过程可实现自动化，从而达到自动预警的要求。

技术方案：本发明是一种基于视频监控的隧道塌方区围岩变形实时监测方法，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。

具体步骤如下：

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(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(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(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；