（長安大學(xué)，陜西 西安 710046）

0 引 言

在隧道工程建設(shè)過程中，巖體原有平衡被破壞導(dǎo)致應(yīng)力場與應(yīng)力重新分布[1]，常出現(xiàn)坍塌、冒頂、突水突泥、巖土斷裂、形變等地質(zhì)災(zāi)害。其中，圍巖形變因其持續(xù)時間長、危害程度大、整治費用高成為隧道建設(shè)安全最艱難的挑戰(zhàn)之一?，F(xiàn)有的隧道圍巖形變測量方法主要有隧道圍巖形變現(xiàn)場測量方法，可以分為接觸式測量與非接觸式測量兩種，接觸式測量方法如精密水準(zhǔn)儀、鋼尺收斂計、巴塞特收斂系統(tǒng)[2]，測量儀器需要與側(cè)面接觸，對施工造成一定影響，并且測量精度受人工讀數(shù)影響嚴(yán)重。非接觸測量方式以全站儀測量、三維激光掃描測量[3-6]為主，測量精度較高，但儀器在使用過程中仍需人工調(diào)試與操作，且價格昂貴，測量數(shù)據(jù)需進行復(fù)雜處理，無法實時直觀反映圍巖形變。因此，本文提出了基于雙目立體視覺的隧道圍巖形變監(jiān)測系統(tǒng)。雙目立體視覺是一種模擬人眼的計算機視覺，它根據(jù)左右攝像頭的相對位置計算出物體的體積、距離等信息[7]，近年來被廣泛應(yīng)用于測量領(lǐng)域，如橋梁裂縫、物體距離、位姿測量等?；陔p目立體視覺的隧道圍巖形變監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)隧道圍巖圖像實時采集與傳輸，通過灰度化、特征點識別、三維計算等圖像處理算法可以從圖像獲取的二維平面信息中恢復(fù)形變的三維信息，具有非接觸性、連續(xù)性、高精度性、實時性等優(yōu)點。

1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

基于雙目立體視覺的隧道圍巖形變測量系統(tǒng)由圖像采集模塊、圖像傳輸模塊、圖像處理及可視化模塊、數(shù)據(jù)管理模塊以及智能預(yù)警模塊組成，每個模塊的主要功能如下。

（1）圖像采集模塊：在監(jiān)測點處固定工業(yè)雙目相機，定時對待測隧道圍巖面進行圖像采集。

（2）圖像傳輸模塊：利用無線網(wǎng)橋等設(shè)備實現(xiàn)隧道圍巖圖像高質(zhì)量、實時傳輸以及控制指令等信息傳輸。

（3）圖像處理模塊：利用灰度化、高斯濾波等圖像處理算法對隧道圍巖特征點進行識別并獲取其三維坐標(biāo)，基于雙目立體視覺原理計算得到特征點三維坐標(biāo)。

（4）數(shù)據(jù)管理及可視化模塊：系統(tǒng)根據(jù)每次采集獲取的特征點計算特征點在三維坐標(biāo)軸上變化的速度及加速度、角度等信息，并進行顯示與存儲。此外，用戶可查看隧道圍巖圖像及歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（5）智能預(yù)警模塊：當(dāng)形變量超過設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)可及時、遠程發(fā)送預(yù)警信息。

2 隧道圍巖形變計算

在使用雙目相機采集與傳輸隧道圍巖圖像的過程中，受隧道惡劣施工環(huán)境、傳輸方式與距離等因素影響，隧道圍巖圖像質(zhì)量較低，表現(xiàn)為圖像模糊、亮度不均勻及多種噪聲污染，因此必須對圖像進行預(yù)處理。采用加權(quán)平均值法[8]將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖，選用7×7的高斯卷積核[9]遍歷圖像去除噪聲污染，利用Hough算法[10]對特征點進行識別與定位，獲取監(jiān)測點二維圖像坐標(biāo)。

雙目立體視覺通過左右2個相機不同角度的成像獲取物體三維信息[11]。單個相機成像遵循小孔成像模型原理，成像涉及4個坐標(biāo)系，分別為像素坐標(biāo)系(o,u,v)、圖像坐標(biāo)系(o,x,y)、相機坐標(biāo)系(OC,XC,YC,ZC)、世界坐標(biāo)系(OW,XW,YW,ZW)，相機成像模型與各坐標(biāo)系之間的關(guān)系[7]如圖1所示。

圖1 小孔成像模型（坐標(biāo)系關(guān)系）

在圖像處理中獲取的標(biāo)識物中心坐標(biāo)(u,v)位于像素坐標(biāo)系，像素坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系見式（1）：

式中，M代表雙目相機內(nèi)參矩陣與外參矩陣乘積。

通過對雙目相機采集到的圖像進行處理，可獲得同一點在左右兩張圖像上的像素坐標(biāo)。由成像模型可知，解式（2）方程可得到該點的三維坐標(biāo)：

持續(xù)采集隧道圍巖圖像，形變量可由式（3）計算得到：

式中，i表示圖像采集時刻，i+1表示圖像下一采集時刻。

3 系統(tǒng)運行

基于雙目立體視覺的隧道圍巖形變監(jiān)測控制系統(tǒng)應(yīng)用展示界面如圖2所示。主界面主要包括三部分，分別為監(jiān)測設(shè)備所采集的隧道圍巖圖像展示部分、圍巖形變數(shù)據(jù)展示部分及用戶操作部分。在圖2左側(cè)上方，展示了最近一次采集到的圍巖圖像，下方展示了隧道圍巖特征點相對于原始位置在二維平面與三維平面的相對變化圖。圖2右側(cè)上方展示了用戶信息，右側(cè)下方展示了各監(jiān)測點上形變數(shù)據(jù)情況，使用者可通過選擇日期及時間查看歷史數(shù)據(jù)，如監(jiān)測點的三維坐標(biāo)及每個點的平均形變量。

圖2 隧道圍巖形變監(jiān)測主界面

4 結(jié) 語

本文提出了基于雙目立體視覺的隧道圍巖形變監(jiān)測系統(tǒng)，通過設(shè)置雙目相機對隧道圍巖監(jiān)測點圖像進行采集，利用無線網(wǎng)橋模塊將采集到的高質(zhì)量圖像傳輸?shù)教幚碇行?，利用特征點識別、高斯濾波、三維坐標(biāo)計算等圖像處理算法獲取形變相關(guān)數(shù)據(jù)并進行展示，當(dāng)形變量達到設(shè)定閾值時，將自動發(fā)送消息預(yù)警，實現(xiàn)隧道圍巖形變遠距離、非接觸、實時監(jiān)測。