專利名稱：基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種隧道變形在線監(jiān)測相關技術，尤其是涉及一種基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)及其應用。
背景技術：
目前，國內隧道變形量測多采用人工現(xiàn)場量測手段，一方面效率比較低，另一方面，人為因素影響較大，量測誤差較大，且無法實現(xiàn)在線監(jiān)測以及自動預警。隨著計算機性能的不斷提高，電腦圖像處理性能的增強和高分辨率數(shù)字產品的出現(xiàn)，以及功能強大的圖像處理計算軟件的誕生，使得基于數(shù)字照相的變形測量在巖土工程領域中的開發(fā)應用成為可能?；跀?shù)字照相的變形測量是以數(shù)碼相機拍攝獲得的數(shù)碼照片為基礎，通過計算機分析和處理，獲取數(shù)字圖形和數(shù)字圖像信息的測量技術。利用數(shù)碼相機進行變形量測的方法，根據(jù)是否在巖土工程結構上布置量測物理標志點，變形量測法可以分為有標點法和無標點法。目前大部分測量方法屬于有標點法。由于網(wǎng)絡攝像機的精度已經(jīng)達到了百萬以上，而且，方便實現(xiàn)遠程控制，因此，采用高清網(wǎng)絡攝像機進行有標點法的隧道變形在線監(jiān)側成為一種容易實施的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)。但是目前的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)普遍存在實現(xiàn)成本高、監(jiān)測進度差等缺陷。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種實施簡單、能實現(xiàn)在線監(jiān)測與自動預警且能保存現(xiàn)場歷史照片以便于回溯分析的基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)及其應用。本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)一種基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括標識點、網(wǎng)絡攝像機、中心控制電腦和傳輸網(wǎng)絡，所述的網(wǎng)絡攝像機對準標識點，所述的傳輸網(wǎng)絡用于連接網(wǎng)絡攝像機與中心控制電腦。所述的標識點由3行3列連續(xù)排列的組成；從上到下每行標識點的顏色排列分別為黑白黑、白黑白、黑白黑。所述的正方形為2cmX2cm的正方形。所述的標識點共布放3個，分別位于拱頂和左右拱腳處，并處于同一個豎直立面上。所述的網(wǎng)絡攝像機安裝位置垂直于標識點安裝立面并設有LED白光補光燈。所述的中心控制電腦包括依次連接的拍照控制模塊、圖像處理模塊和監(jiān)測預警模塊。所述的圖像處理模塊通過sobel算子進行邊緣檢測識別標識點邊緣，提取標識點中心坐標。一種基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用，其特征在于，包括以下步驟I)布設標識點；2)中心控制電腦周期性控制網(wǎng)絡攝像機變焦拍照；
3)網(wǎng)絡攝像機將照片傳輸至中心控制電腦；4)中心控制電腦對照片進行自適應濾波變換，根據(jù)圖像的局部方差來調整濾波器的輸出，當局部方差大時，濾波器的平滑效果較小，當局部方差小時，濾波器平滑效果強；5)中心控制電腦進行灰度的閾值變換，判斷圖像中像素的灰度值是否小于設定的閾值，若為是則將該像素的灰度值設置為0，即黑色，否則灰度值設置為255，即白色，以獲取二值圖像；6)中心控制電腦進行圖像邊緣檢測,獲取標識點；7)標識點拱頂下沉位移和拱腳收斂位移計算；8)判斷拱頂下沉位移和拱腳收斂位移是否都小于設定閾值，若為是，返回步驟
2)，否則進行報警。所述的標識點拱頂下沉位移和拱腳收斂位移計算如下根據(jù)3X3標識點的邊緣檢測結果，以照片左上角為坐標原點，水平方向為X軸，豎直方向為Y軸，計算中心黑色方格的中心像素坐標，拱頂下沉位移的計算為計算前后兩次照片中標識點的I坐標變化值，根據(jù)相機標定參數(shù)，把像素坐標I變化值換算為位移量，即得到隧道掌子面的拱頂下沉位移；拱腳收斂位移計算為計算前后兩次照片中左右拱腳標識點的X坐標變化值，根據(jù)相機標定參數(shù)，把像素坐標X變化值換算為位移量，即得到隧道掌子面的左右拱腳收斂位移。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明現(xiàn)場實施簡單、可以實現(xiàn)在線監(jiān)側與自動預警，同時可以保存現(xiàn)場歷史照片以便于回溯分析。


圖I為隧道變形監(jiān)測系統(tǒng)工作流程；圖2為標識點布設示意圖；圖3為標識點示意圖。圖2中A_位于拱頂?shù)臉俗R點，B-位于左拱腳的標識點，C-位于右拱腳的標識點。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例一種基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括標識點、網(wǎng)絡攝像機、中心控制電腦和傳輸網(wǎng)絡，所述的標識點的布設保證正對網(wǎng)絡攝像機的安裝位置，所述的傳輸網(wǎng)絡用于連接網(wǎng)絡攝像機與中心控制電腦。如圖2所示，所述的標識點由3行3列連續(xù)排列的2cmX 2cm的正方形組成；從上到下每行標識點的顏色排列分別為黑白黑、白黑白、黑白黑。標識點布放3個，分別位于拱頂和左右拱腳，位于同一個豎直立面上。所述的網(wǎng)絡攝像機安裝位置垂直于標識點安裝立面并設有LED白光補光燈。網(wǎng)絡攝像機拍攝圖像分辨率不小于120萬像素；網(wǎng)絡攝像機安裝位置垂直于權利要求2的標識點安裝立面；網(wǎng)絡攝像機安裝距離掌子面在30米到50米之間；網(wǎng)絡攝像機鏡頭的變焦范圍保證滿畫面能夠拍攝IOm見方的場景,也能夠拍攝Im見方的場景；所述的中心控制電腦包括拍照控制模塊、圖像處理模塊和監(jiān)測預警模塊，所述的拍照控制模塊、圖像處理模塊和監(jiān)測預警模塊依次連接。所述的圖像處理模塊通過sobel算子，進行邊緣檢測識別標識點邊緣，提取標識點中心坐標。拍照控制模塊，通過網(wǎng)絡控制網(wǎng)絡攝像機的調焦和拍照，并將照片保存到中心控制電腦；圖像處理模塊，對保存的照片進行平滑處理，灰度修正，提取標識點坐標；監(jiān)測預警模塊，對標識點坐標與歷史數(shù)據(jù)對比，實現(xiàn)拱頂下沉、拱腳位移監(jiān)測。如圖I 圖3所示，ー種基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用，其特征在于，包括以下步驟 I)布設標識點，作為照片的控制點；2)中心控制電腦周期性控制網(wǎng)絡攝像機變焦拍照，網(wǎng)絡攝像機帶云臺安裝于已經(jīng)穩(wěn)定的隧道圍巖內壁上；3)中心控制電腦控制將照片傳輸至中心控制電腦；4)中心控制電腦對照片進行自適應濾波變換，根據(jù)圖像的局部方差來調整濾波器的輸出，當局部方差大時，濾波器的平滑效果較小，當局部方差小吋，濾波器平滑效果強；5)中心控制電腦進行灰度的閾值變換，如果圖像中像素的灰度值小于設定的閾值，則將該像素的灰度值設置為0，即黑色，否則灰度值設置為255，即白色，以獲取ニ值圖像；6)中心控制電腦應用經(jīng)典的Sobel圖像邊緣檢測算法進行圖像邊緣檢測，獲取標識點；7)標識點拱頂下沉位移和拱腳收斂位移計算，以得到變形數(shù)據(jù)，具體方式為根據(jù)3X3標識點的邊緣檢測結果，以照片左上角為坐標原點，水平方向為X軸，豎直方向為Y軸，計算中心黒色方格的中心像素坐標，所述的拱頂下沉位移的計算方法為計算前后兩次照片中標識點的I坐標變化值，根據(jù)相機標定參數(shù)，把像素坐標I變化值換算為位移量，即得到隧道掌子面的拱頂下沉；所述的拱腳收斂位移計算方法為計算前后兩次照片中左右拱腳標識點的X坐標變化值，根據(jù)相機標定參數(shù)，把像素坐標X變化值換算為位移量，即得到隧道掌子面的左右拱腳收斂；8)拱頂下沉、拱腳收斂的判斷，實現(xiàn)變形實時監(jiān)測預警。運用標識點、網(wǎng)絡攝像機和中心控制電腦，實現(xiàn)隧道掌子面變形的實時分析與自動監(jiān)測。在拍照前，首先在隧道掌子面布設標識點，作為照片的控制點，網(wǎng)絡攝像機安裝于不會隨掌子面變形的固定位置上，通過網(wǎng)絡與中心控制電腦連接，控制程序遠程控制攝像機拍照，并對照片進行實時分析，實現(xiàn)隧道掌子面變形的自動監(jiān)測與預警。首先進行標識點的布設，多個標識點粘貼于不穩(wěn)定圍巖的初期支護上，網(wǎng)絡攝像機帶云臺安裝于已經(jīng)穩(wěn)定的隧道圍巖內壁上。然后攝像機朝向標識點，對隧道掌子面進行拍照，并將照片傳送到中心控制電腦。接著中心控制電腦對照片進行分析處理，得出隧道掌子面的變形數(shù)據(jù)，實現(xiàn)變形實時監(jiān)測預警。I、圖像預處理
在對掌子面拍照過程中，由于隧道內部潮濕、灰塵以及照明不足等環(huán)境影響，所得到的圖像常常不盡人意，在拍攝過程中常會引入噪聲、照片局部可能會欠曝或過曝，這時我們需要對圖像進行圖像平滑、灰度變換等預處理。具體操作如下①圖形變換常用的圖像變換方法有線性變換、中值變換、自適應濾波變換等三種，其中，線性濾波是對于給定的圖像f(i，j)中的每個像點(m，n)，取其鄰域S。設S含M個像素，取其平均值作為處理后所得圖像像點(m，n)處的灰度。用一像素鄰域內各像素灰度平均值來代替該像素原來的灰度，即使鄰域平均技術。而中值濾波是抑制噪聲的非線性處理方法。對于給定的n個數(shù)值{al，a2... an}，將它們按大小有序排列。當n為奇數(shù)時，位于中間位置的那個數(shù)值稱為這n個數(shù)值中值。當n為偶數(shù)時，位于中間位置的兩個數(shù)值的平均值稱為這n個數(shù)值的中值，中值濾波就是圖像中濾波后某像素的輸出等于該像素鄰域中各像素灰度的中值。只有自適應濾波可以實現(xiàn)圖像噪聲的自適應濾除，他根據(jù)圖像的局部方差來調整濾波器的輸出，當局部方差大時，濾波器的平滑效果較小，當局部方差小時，濾波器平滑效果強。通常自適應濾波比線性濾波效果好，它比相應的線性濾波具有更好的選擇性，可以更好的保存圖像的邊緣和高頻細節(jié)信息。由于標識點設計3x3方格的圖像邊緣變化劇烈， 照片其他掌子面部分相對變化平緩，而照片處理的目標是獲取標識點位置，因此，采用自適應濾波圖形變換算法。②灰度變換灰度變換可實現(xiàn)圖像動態(tài)范圍的加大，對比度的擴展，提高圖像清晰度，使圖像特征明顯。常用方法包括灰度的線性變換、灰度的拉伸、灰度的閾值變化等?；叶鹊木€性變換灰度的線性變換就是將圖像中所有點的灰度按照線性灰度變換函數(shù)進行變換。在處理圖像時,選用一維線性函數(shù)T(x) = A*x+B做為變換函數(shù)，因此灰度變換方程為Db = T (Da) =AX Da+B式中參數(shù)A為線性函數(shù)的斜率，B為線性函數(shù)的在y軸的截距，DA表示輸入圖像的灰度，DB表示處理后輸出圖像的灰度。當A> I時，輸出圖像的對比度將增大；當A < I 時，輸出圖像的對比度將減??；當六=I時，輸出圖像將變得更暗或更亮；如果A < 0時，圖像暗區(qū)域變亮，亮區(qū)域變暗?？筛鶕?jù)圖像的實際情況由用戶輸入斜率A和截距B的數(shù)值，以便處理后的圖像達到預期效果?；叶鹊睦旎叶壤炫c灰度線性變換同樣用到了灰度的線性變換，不同在于灰度拉伸使用的不是完全的線性變換，而是分段進行線性變換。它采用的灰度變換函數(shù)表達式如下
權利要求
1.ー種基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括標識點、網(wǎng)絡攝像機、中心控制電腦和傳輸網(wǎng)絡，所述的網(wǎng)絡攝像機對準標識點，所述的傳輸網(wǎng)絡用于連接網(wǎng)絡攝像機與中心控制電腦。
2.根據(jù)權利要求I所述的ー種基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在干，所述的標識點由3行3列連續(xù)排列的組成；從上到下每行標識點的顔色排列分別為黑白黒、白黑白、黑白黒。
3.根據(jù)權利要求2所述的ー種基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在干，所述的正方形為2cmX2cm的正方形。
4.根據(jù)權利要求2所述的ー種基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在干，所述的標識點共布放3個，分別位于拱頂和左右拱腳處，并處于同一個豎直立面上。
5.根據(jù)權利要求I所述的ー種基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在干，所述的網(wǎng)絡攝像機安裝位置垂直于標識點安裝立面并設有LED白光補光燈。
6.根據(jù)權利要求I所述的ー種基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在干，所述的中心控制電腦包括依次連接的拍照控制模塊、圖像處理模塊和監(jiān)測預警模塊。
7.根據(jù)權利要求4所述的ー種基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在干，所述的圖像處理模塊通過sobel算子進行邊緣檢測識別標識點邊緣，提取標識點中心坐標。
8.—種如權利要求I所述的基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用，其特征在于，包括以下步驟 1)布設標識點； 2)中心控制電腦周期性控制網(wǎng)絡攝像機變焦拍照； 3)網(wǎng)絡攝像機將照片傳輸至中心控制電腦； 4)中心控制電腦對照片進行自適應濾波變換； 5)中心控制電腦進行灰度的閾值變換，判斷圖像中像素的灰度值是否小于設定的閾值，若為是則將該像素的灰度值設置為0，即黑色，否則灰度值設置為255，即白色，以獲取ニ值圖像； 6)中心控制電腦進行圖像邊緣檢測，獲取標識點； 7)標識點拱頂下沉位移和拱腳收斂位移計算； 8)判斷拱頂下沉位移和拱腳收斂位移是否都小于設定閾值，若為是，返回步驟2)，否則進行報警。
9.根據(jù)權利要求8所述的ー種基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用，其特征在于，所述的標識點拱頂下沉位移和拱腳收斂位移計算如下 根據(jù)3 X 3標識點的邊緣檢測結果，以照片左上角為坐標原點，水平方向為X軸，豎直方向為Y軸，計算中心黒色方格的中心像素坐標，拱頂下沉位移的計算為計算前后兩次照片中標識點的I坐標變化值，根據(jù)相機標定參數(shù)，把像素坐標I變化值換算為位移量，即得到隧道掌子面的拱頂下沉位移；拱腳收斂位移計算為計算前后兩次照片中左右拱腳標識點的X坐標變化值，根據(jù)相機標定參數(shù)，把像素坐標X變化值換算為位移量，即得到隧道掌子面的左右拱腳收斂位移。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于圖像分析的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)及其應用，標識點、網(wǎng)絡攝像機、中心控制電腦和傳輸網(wǎng)絡，該系統(tǒng)的應用包括以下步驟1)布設標識點；2)中心控制電腦周期性控制網(wǎng)絡攝像機變焦拍照；3)網(wǎng)絡攝像機將照片傳輸至中心控制電腦；4)中心控制電腦對照片進行自適應濾波變換；5)中心控制電腦進行灰度的閾值變換；6)中心控制電腦進行圖像邊緣檢測，獲取標識點；7)標識點拱頂下沉位移和拱腳收斂位移計算；8)判斷拱頂下沉位移和拱腳收斂位移是否都小于設定閾值，若為是，返回步驟2)，否則進行報警。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有實施簡單、可以實現(xiàn)在線監(jiān)側與自動預警等優(yōu)點。
文檔編號G01B11/16GK102620673SQ20121007145
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月16日 優(yōu)先權日2012年3月16日
發(fā)明者劉學增, 朱合華, 桑運龍 申請人:同濟大學