基于偏振三維成像技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)分析

西南地區(qū)隧道建設(shè)期的隧道變形監(jiān)測(cè)問(wèn)題越來(lái)越受到重視。提供一種偏振三維成像技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)方法，完成隧道輪廓高精度三維實(shí)景視覺(jué)數(shù)據(jù)采集與智能監(jiān)測(cè)，獲取隧道輪廓高精度視覺(jué)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道變形數(shù)據(jù)的快速采集。

偏振三維成像技術(shù)； 隧道變形； 監(jiān)測(cè)

U456.3+1A

巖土工程與地下工程巖土工程與地下工程

［定稿日期］2023-03-07

［基金項(xiàng)目］成都市產(chǎn)業(yè)集群協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2021-XT00-00001-GX）

［作者簡(jiǎn)介］蔣玄葦（1991—），女，碩士，主要從事鐵路隧道、站房檢監(jiān)測(cè)方面的工作。

0" 引言

西南地區(qū)鐵路沿線(xiàn)地質(zhì)條件復(fù)雜，長(zhǎng)大不良地質(zhì)隧道眾多，鐵路隧道建設(shè)期的施工安全問(wèn)題越來(lái)越受到重視，隧道施工期圍巖變形收斂數(shù)據(jù)的快速采集、分析及應(yīng)用對(duì)隧道建設(shè)期安全起到至關(guān)重要的作用。

本研究提供一種新的隧道變形監(jiān)測(cè)方法，完成隧道輪廓高精度三維實(shí)景視覺(jué)數(shù)據(jù)采集與智能監(jiān)測(cè)，獲取隧道輪廓高精度視覺(jué)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道變形數(shù)據(jù)的快速采集，為西南地區(qū)鐵路隧道安全快速施工提供技術(shù)支持。

1" 隧道收斂變形快速監(jiān)測(cè)裝備研究應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，針對(duì)隧道開(kāi)挖段的變形監(jiān)測(cè)主要有收斂計(jì)、水準(zhǔn)儀量測(cè)、全站儀量測(cè)、巴賽特收斂系統(tǒng)、近景攝影量測(cè)、分布式光纖傳感技術(shù)等。精密化儀器和自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用技術(shù)雖然得到了進(jìn)一步提升，但大部分以傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備為主，不能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道施工期圍巖收斂變形數(shù)據(jù)快速獲取，對(duì)隧道惡劣環(huán)境適應(yīng)性差［1］，現(xiàn)有隧道變形監(jiān)測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀器存在監(jiān)測(cè)成本高、不能連續(xù)監(jiān)測(cè)、布置安裝缺乏依據(jù)以及不能整體監(jiān)測(cè)等諸多限制，急需采用新理論、研發(fā)新設(shè)備，及時(shí)獲取隧道施工期圍巖變形數(shù)據(jù)，指導(dǎo)隧道安全施工。

2" 基于偏振三維成像技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)設(shè)備

2.1" 偏振三維成像技術(shù)原理及特點(diǎn)

傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)主要獲取目標(biāo)不同波長(zhǎng)或譜段的強(qiáng)度成像信息，光波中的偏振信息沒(méi)有被有效獲取或利用。相比于傳統(tǒng)三維成像，偏振三維成像技術(shù)具有單目、被動(dòng)式、遠(yuǎn)距離、高精度等特點(diǎn)，具有即拍即得、圖高合一等優(yōu)點(diǎn)［2］。具體有兩點(diǎn)：

（1）偏振三維成像技術(shù)相對(duì)于其他三維測(cè)繪手段，無(wú)需獲取多幅圖像進(jìn)行匹配，可以采用單個(gè)面陣偏振探測(cè)器成像獲得目標(biāo)三維形狀，系統(tǒng)穩(wěn)定性高、匹配難度低，圖像的強(qiáng)度信息和高程信息具有像素級(jí)對(duì)應(yīng)精度，尤其適用于時(shí)變目標(biāo)的瞬時(shí)三維成像。

（2）偏振三維成像技術(shù)可以利用目標(biāo)反射光的偏振特性進(jìn)行表面三維反演，無(wú)需主動(dòng)光源，探測(cè)距離可提升至百公里

分布式光纖傳感技術(shù)自動(dòng)化測(cè)試，良好的抗電磁性，對(duì)施工的干擾也比較小處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，未能在現(xiàn)場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用級(jí)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.2" 基于偏振三維成像技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)設(shè)備

本研究根據(jù)西南地區(qū)鐵路隧道特點(diǎn)，研發(fā)了基于偏振三維成像技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)設(shè)備。其系統(tǒng)集成架構(gòu)主要由偏振相機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、三腳架、三維坐標(biāo)控制系、控制點(diǎn)、激光測(cè)距儀、UWB定位基站、照明設(shè)備、插線(xiàn)板組成，具體見(jiàn)表2。

基于偏振三維成像技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)設(shè)備采用單幀圖像進(jìn)行三維成像，無(wú)需多次成像，無(wú)需進(jìn)行圖像匹配，無(wú)需主動(dòng)光源，可解決西南地區(qū)隧道中高速運(yùn)動(dòng)多幅圖像獲取與目標(biāo)高精度匹配的難題。該設(shè)備可對(duì)逆光成像條件下的強(qiáng)背景光進(jìn)行抑制，有效提升光照不均勻和成像姿態(tài)變化等不利條件下的三維成像準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道變形數(shù)據(jù)的快速采集。該設(shè)備可同時(shí)獲取目標(biāo)4個(gè)偏振方向的圖像，并利用單目高精度偏振三維計(jì)算成像方法完成目標(biāo)高精度三維重建。其譜段范圍、偏振方向、探測(cè)器規(guī)模等設(shè)備主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

3" 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1" 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)膨脹螺釘進(jìn)出變形量測(cè)量及定量化薄板/薄片的測(cè)量，在短期內(nèi)模擬隧道內(nèi)壁的變形，對(duì)西南地區(qū)在隧道施工過(guò)程中隧道圍巖的變形進(jìn)行量測(cè)，并與實(shí)際變形量進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果可供實(shí)際隧道施工圍巖變形參考。

3.2" 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)流程

3.2.1" 試驗(yàn)總案

試驗(yàn)流程包括相機(jī)標(biāo)定、圖像預(yù)處理、坐標(biāo)測(cè)量、變形分析、三位顯示，具體流程詳見(jiàn)圖1。

由于隧道在施工過(guò)程中Neibu光線(xiàn)不足，粉塵嚴(yán)重，施測(cè)空間窄小，測(cè)量中所受干擾大（施工機(jī)械等施工設(shè)備的影響），所以獲取控制點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)的位置時(shí)要注意：

（1）選擇測(cè)點(diǎn)位置、坐標(biāo)系位置和攝影測(cè)站位置應(yīng)注意要避開(kāi)屏障，同時(shí)要注意防止死角的出現(xiàn)，圖像應(yīng)覆蓋整個(gè)攝影區(qū)域，以保證像點(diǎn)的完全清晰展現(xiàn)，避免特征點(diǎn)在一張像片上有，而另外一張像片上就沒(méi)有的現(xiàn)象。

（2）環(huán)境條件不同，會(huì)造成光線(xiàn)條件也就不同，所以要注意因地制宜，利用照明設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)光，并結(jié)合所測(cè)量地方的環(huán)境情況來(lái)選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)點(diǎn)位置、坐標(biāo)系位置和攝影測(cè)站位置來(lái)進(jìn)行拍攝，進(jìn)而得到適合進(jìn)行后期處理的像片。

（3）利用偏振去霧方法對(duì)獲取到的圖像進(jìn)行預(yù)處理［3］。

巖土工程與地下工程蔣玄葦， 張?jiān)拢?張學(xué)敏： 基于偏振三維成像技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)分析

3.2.2" 膨脹螺釘進(jìn)出變形量測(cè)量及定量化薄板/薄片（砂紙）的測(cè)量

3.2.2.1" 膨脹螺釘進(jìn)出變形量測(cè)量

利用膨脹螺釘打入隧道壁，模擬隧道內(nèi)壁的變形，用基于偏振三維成像技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)設(shè)備及傳統(tǒng)方法，分別測(cè)量變形量并對(duì)比，進(jìn)行兩次試驗(yàn)。具體方法如下：

（1）在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)找尋安全、合適的壁面。

（2）利用電鉆在不同的位置處打入3～4個(gè)膨脹螺釘。

（3）以膨脹螺釘某一斷面為基準(zhǔn)，利用游標(biāo)卡尺或直尺測(cè)量膨脹螺釘?shù)母叨?，記錄?shù)據(jù)并拍照留存。

（4）在膨脹螺釘?shù)闹車(chē)?、設(shè)備視場(chǎng)邊緣，布置黑白靶標(biāo)板。

（5）將設(shè)備布置在膨脹螺釘兩側(cè)，同時(shí)照亮膨脹螺釘。

（6）設(shè)備以某傾斜視角對(duì)膨脹螺釘進(jìn)行成像。

（7）同時(shí)利用激光測(cè)距測(cè)量螺釘位置數(shù)據(jù)，記錄。

（8）將膨脹螺釘打入或擰出壁面，每個(gè)膨脹螺釘?shù)淖兓啃韪鳟悺?/p>

（9）以膨脹螺釘某一斷面為基準(zhǔn)，利用游標(biāo)卡尺或直尺測(cè)量膨脹螺釘?shù)母叨?，記錄?shù)據(jù)并拍照留存。

（10）設(shè)備再次對(duì)膨脹螺釘進(jìn)行成像。

（11）求解膨脹螺釘?shù)母叨茸兓?，與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。

3.2.2.2" 定量化薄片（砂紙）的測(cè)量

利用定量化薄片（砂紙）粘貼于隧道內(nèi)壁，模擬隧道內(nèi)壁的變形，用基于偏振三維成像技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)設(shè)備及傳統(tǒng)方法分別測(cè)量變形量并對(duì)比，進(jìn)行3次試驗(yàn)。具體方法如下：

（1）在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)找尋安全、合適的壁面。

（2）將定量化薄板/薄片，以1個(gè)為一組、2個(gè)重疊為一組、3個(gè)重疊為一組，代表3個(gè)不同高度，用雙面膠或膠帶貼在壁面上。

（3）在定量化薄板/薄片的周?chē)⒃O(shè)備視場(chǎng)邊緣，布置黑白靶標(biāo)板。

（4）將兩臺(tái)設(shè)備布置在定量化薄板/薄片兩側(cè)，同時(shí)照亮定量化薄板/薄片。

（5）設(shè)備以某視角對(duì)定量化薄板/薄片進(jìn)行成像。

（6）采用增加定量化薄板/薄片的方式，改變之前的3個(gè)高度，記錄每個(gè)高度的變化值。

（7）設(shè)備再次對(duì)定量化薄板/薄片進(jìn)行成像。

（8）求解定量化薄板/薄片的高度變化值，與記錄的實(shí)際高度變化值進(jìn)行對(duì)比。

3.2.2.3" 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，膨脹螺釘進(jìn)出變形量進(jìn)行了2次測(cè)量，誤差值分別為7.2 mm及6.0 mm，平均值6.6 mm；定量化薄板/薄片（砂紙）變形量進(jìn)行了3次測(cè)量，誤差值分別為5.2 mm、2.4 mm、5.9 mm，平均值4.5 mm。

可見(jiàn)，基于偏振三維成像技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值與常規(guī)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差均在 mm量級(jí)內(nèi)，試驗(yàn)效果良好，可應(yīng)用于西南地區(qū)隧道建設(shè)期的隧道變形監(jiān)測(cè)。

4" 結(jié)論

本裝置在偏振三維成像研究基礎(chǔ)上，突破隧道復(fù)雜環(huán)境光條件下隧道結(jié)構(gòu)三維成像等關(guān)鍵技術(shù)研究，研發(fā)輕量級(jí)便攜一體化測(cè)量系統(tǒng)，高速運(yùn)動(dòng)中利用單個(gè)面陣探測(cè)器瞬時(shí)獲取高精度圖像，通過(guò)計(jì)算成像方法獲得“圖高合一”的隧道內(nèi)壁二維圖像和高程信息。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）基于偏振三維成像技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)設(shè)備首次采用單幀圖像進(jìn)行三維成像，可解決多幅圖像獲取與高精度匹配的難題。

（2）基于偏振三維成像技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)設(shè)備首次應(yīng)用于相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較大的隧道壁目標(biāo)三維測(cè)量場(chǎng)景，可瞬時(shí)完成隧道壁形貌三維抓取。

（3）基于偏振三維成像技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)設(shè)備首次將智能識(shí)別技術(shù)與目標(biāo)三維形貌重建結(jié)合，具有對(duì)高程信息的高感知作用，可有效解決光照不均勻和成像姿態(tài)變化帶來(lái)的隧道壁及其他特征目標(biāo)識(shí)別不準(zhǔn)確問(wèn)題。

（4）基于偏振三維成像技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值與常規(guī)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差均在 mm量級(jí)，試驗(yàn)效果良好。

參考文獻(xiàn)

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