隧道位移测量实验平台设计与开发

罗 佳，刘大刚，杨 姝，杨菊英

（1. 电子科技大学 成都学院，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 国家重点实验室，四川 成都 610031）

隧道围岩分级课题是西南交通大学隧道与地下工程国家重点实验室的一个国家级课题，其中隧道位移测量是该课题下的一个前期子课题，也是关系到围岩分级准确性的关键环节。相较于传统人工或全站仪的采集方式，如何利用计算机信息化技术获得位移信息指标，是该课题重点研究思路和方向。随着计算机图像处理技术的迅猛发展，图像测量技术走进了课题组的视线。

图像测量技术[1]是一门新兴的计算机综合性应用技术。严格意义来讲，图像测量是以图像输入及图像处理为手段确定被测对象，诸如空间、坐标、时间、温度、速度、心理、情绪等有关参数或者特征的过程。图像测量包括图像输入（采集）和图像处理2部分。前者把特定的被测量按一定的物理效应转化为可用的数字图像信息输出；后者通过对输出的可用信息进行处理以确定被测空间分布的有关数值。图像测量技术已经广泛应用于军事科学、农业生产、医疗、交通工程和教学科研。课题组应用图像测量技术自行研究设计了一套用于隧道位移测量的实验平台，既适合学生实验，又满足生产实际需求。

1 实验平台设计

本实验平台设计的指导思想是在原图像测量技术的2大模块上根据本实验需求进行必要细化，主要包括图像采集、图像处理和图像分析3大模块，设计流程如图1所示。

图1 实验平台设计流程

1.1 图像采集模块设计

传统位移测量主要采用机械式收敛计和水准仪进行手工接触量测，量测精度较高，但耗时、费力，与施工互相干扰，人为因素大，量测质量不稳定。

随着计算机技术的发展，一种非接触量测技术应运而生[2]，全站仪观测器就是典型的非接触量测技术，其避免了设站的复杂性，且精度可达1 mm以内，效果很好，但设备造价非常昂贵，投入成本巨大，不适合大规模使用。课题组按照扬长避短的思路，仍采用全站仪的采集模式，发挥其优势，但换用低成本的设备，避开其劣势。对国内外相关技术进行反复研究后发现，数码成像技术[3]非常符合此需求，一台或多台普通数码相机即可完成图像采集工作。图2展示了多台数码相机共同摄像完成图像采集工作的示意图。

1.2 图像处理模块设计

经数码相机采集的图像一般是 RGB彩色图像，而且受隧道周边环境影响，照片中应该有很多噪声干扰，这些都不利于后期的数据分析。因此在进行数据分析前需对原始图像进行一些处理，主要包括以下几个方面[4-5]：

（1）图像灰度修正。可使图像动态范围加大，对比度扩展，图像清晰，特征明显。主要分为灰度线性变换、灰度拉伸以及灰度均衡等。其中灰度均衡技术比较适用于较暗的图像，能使图像整体对比度增大，以突出图像中“目标”信息的特征。因隧道在大多数情况下光线较差，所摄取的图像往往都表现出较暗的效果，因此特别适合采用灰度均衡法实现图像增强。

图2 多台数码相机摄像示意图

（2）图像平滑。主要目的是消除图像的噪声干扰，改善图像质量，强化图像表现特征。其中领域平均法、中值滤波法、梯度倒数加权法是经典的平滑方法。这里仅采用最简单的领域平均法即可完成平滑。

（3）图像锐化。目的是使模糊图像变清晰，使颜色鲜明突出。图像模糊实质上是由平均或积分运算造成的，因此可对图像进行逆运算如微分运算来使图像清晰化。常用的锐化方法有梯度锐化、拉普拉斯锐化、模板匹配锐化等。鉴于是对地质图像的锐化，这里采用效果较好的梯度锐化方法。

（4）图像分割。将数字图像分割成互不相交的区域，以便把识别对象及其背景区别开来。图像分割方法很多，其中阈值变换方法最为常见。对地质图像而言，所需识别的主要对象是结构面，因此这里采用普通的二值化方法。

1.3 图像分析模块设计

图像采集和图像处理都是为最终的图像分析服务的。图像分析[6]一般是指利用数学模型并结合图像处理技术分析底层特征和上层结构，从而提取具有一定智能性的信息。这里具体是指通过提取处理后的图像的特征点坐标，按照一定的计算公式计算，从而完成图像位移坐标的测量。其基本原理主要涉及以下内容：

（1）确定坐标系。要用坐标值表示像点和地面间的空间几何关系，首先要选择适当的坐标系。数码摄影常用的坐标系[7]有图像坐标系、相机坐标系、辅助坐标系和全局坐标系等。

（2）定义方位元素。数码摄影测量[8]主要是根据像点坐标求解地面间的空间坐标，这就需要知道相机的空间状态，而这是由方位元素即物镜与像片面的相对位置决定的。

（3）推求共线方程。是指用数值相机进行摄像的成像系统中，物点、摄像中心及相应的像点在空间满足一定的共线条件，这是数码图像测量的理论基础。

2 实验平台实现

按照实验平台设计思路，课题组分别从硬件和软件两个核心部分着手，一方面置办相关硬件设备，并安装到位，一方面着手编写相关软件代码。

2.1 硬件实现

图像处理和图像分析 2大模块主要依靠软件实现，其硬件就是一台普通的计算机。而图像采集模块的主要工作是从真实的隧道中获取原始图像，因此需要以下设备：

（1）数码相机。是图像采集的最主要工具，相机的分辨率是相机的主要性能指标，也是影响摄像测量精度的最主要因素。经过对隧道环境的综合环境考察，所采用的数码相机分辨率至少应达到300万像素，以便减少像素损失对测量结果精度的影响[9]。

（2）底部置平装置。用于安放相机，它的摆放将直接影响相机摄像瞬间的空间位置状态。

（3）三角架。是数码相机和底部置平装置的基础，必须具备良好的稳定性，因此采用木质三角架[10]。

（4）照明设备。因隧道里光线阴暗，烟尘较多，直接影响摄像质量，而相机自带的闪光灯却无济于事，因此在隧道内测点断面处应配备强力照明灯[11]，用于改善环境，以保证相机可获取清晰、质量高的图片。

2.2 软件实现

实验平台的软件部分是课题组自行研发的，采用的编程语言是Visual C++6.0，主要用于图像处理和图像分析2个模块，其源代码数量为2万多行。

3 实验流程及结果分析

为验证实验平台的有效性，还需进行相应的测试实验。任意选定某一隧道，按图2方式通过3台日本产SONY DSC-70型号数码相机进行图像采集，并以BMP格式保存。再在一台安装了本实验平台的PC机上打开一幅刚采集的图像，如图 3(a)所示。单击实验平台上的菜单进行图像处理，包括图像增强如图3(b)以及图像分割如图3(c)；然后进行坐标提取如图3(d)，最后由该实验平台根据线性求解法自动计算出隧道的位移参数值，如图4(e)所示。具体操作步骤如下：

Step1：【文件处理】→【打开位图文件】

Step2：【图像增强】→【转化为灰度图像】

Step3：【图像增强】→【图像平滑】→【领域平均法】

Step4：【图像增强】→【图像锐化】→【梯度锐化】

Step5：【图像分割】→【阈值分割】

Step6：【图像坐标】→【目标点坐标】

Step7：【图像坐标】→【系统标定】

Step8：【图像坐标】→【线性求解法】

图3 测试实验流程

为进一步验证系统的准确性，除了用实验平台进行位移测量外，还同时进行了人工位移测量，两者实验结果对比如表1所示。

测试点实际位移坐标值与观测坐标值之间的点位偏差最大为0.63 mm，没有超过规范中规定的1 mm的要求[12]。说明本实验平台是完全可行的，精度也较高。

表1 各测试点位移坐标值比较表

4 结语

本文详细介绍了利用图像测量技术自行研发的用于测量隧道位移的实验平台。从实验平台的设计、实现到测试实验都大量用到图像测量中的关键技术，如图像增强、图像分割以及图像分析等。相较于传统的人工位移测量技术，本实验平台具有设备经济、成本低廉、操作简便快捷、精度较高等优势，适合隧道施工中大规模使用。同时，该实验平台还广泛应用于“地下工程”等相关课程的实验教学中，深受学生欢迎。