隧道位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

羅 佳，劉大剛，楊 姝，楊菊英

（1. 電子科技大學(xué) 成都學(xué)院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

隧道圍巖分級(jí)課題是西南交通大學(xué)隧道與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)國(guó)家級(jí)課題，其中隧道位移測(cè)量是該課題下的一個(gè)前期子課題，也是關(guān)系到圍巖分級(jí)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。相較于傳統(tǒng)人工或全站儀的采集方式，如何利用計(jì)算機(jī)信息化技術(shù)獲得位移信息指標(biāo)，是該課題重點(diǎn)研究思路和方向。隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，圖像測(cè)量技術(shù)走進(jìn)了課題組的視線。

圖像測(cè)量技術(shù)[1]是一門新興的計(jì)算機(jī)綜合性應(yīng)用技術(shù)。嚴(yán)格意義來講，圖像測(cè)量是以圖像輸入及圖像處理為手段確定被測(cè)對(duì)象，諸如空間、坐標(biāo)、時(shí)間、溫度、速度、心理、情緒等有關(guān)參數(shù)或者特征的過程。圖像測(cè)量包括圖像輸入（采集）和圖像處理2部分。前者把特定的被測(cè)量按一定的物理效應(yīng)轉(zhuǎn)化為可用的數(shù)字圖像信息輸出；后者通過對(duì)輸出的可用信息進(jìn)行處理以確定被測(cè)空間分布的有關(guān)數(shù)值。圖像測(cè)量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事科學(xué)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、交通工程和教學(xué)科研。課題組應(yīng)用圖像測(cè)量技術(shù)自行研究設(shè)計(jì)了一套用于隧道位移測(cè)量的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)，又滿足生產(chǎn)實(shí)際需求。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是在原圖像測(cè)量技術(shù)的2大模塊上根據(jù)本實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行必要細(xì)化，主要包括圖像采集、圖像處理和圖像分析3大模塊，設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)流程

1.1 圖像采集模塊設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)位移測(cè)量主要采用機(jī)械式收斂計(jì)和水準(zhǔn)儀進(jìn)行手工接觸量測(cè)，量測(cè)精度較高，但耗時(shí)、費(fèi)力，與施工互相干擾，人為因素大，量測(cè)質(zhì)量不穩(wěn)定。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一種非接觸量測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]，全站儀觀測(cè)器就是典型的非接觸量測(cè)技術(shù)，其避免了設(shè)站的復(fù)雜性，且精度可達(dá)1 mm以內(nèi)，效果很好，但設(shè)備造價(jià)非常昂貴，投入成本巨大，不適合大規(guī)模使用。課題組按照揚(yáng)長(zhǎng)避短的思路，仍采用全站儀的采集模式，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，但換用低成本的設(shè)備，避開其劣勢(shì)。對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)進(jìn)行反復(fù)研究后發(fā)現(xiàn)，數(shù)碼成像技術(shù)[3]非常符合此需求，一臺(tái)或多臺(tái)普通數(shù)碼相機(jī)即可完成圖像采集工作。圖2展示了多臺(tái)數(shù)碼相機(jī)共同攝像完成圖像采集工作的示意圖。

1.2 圖像處理模塊設(shè)計(jì)

經(jīng)數(shù)碼相機(jī)采集的圖像一般是 RGB彩色圖像，而且受隧道周邊環(huán)境影響，照片中應(yīng)該有很多噪聲干擾，這些都不利于后期的數(shù)據(jù)分析。因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前需對(duì)原始圖像進(jìn)行一些處理，主要包括以下幾個(gè)方面[4-5]：

（1）圖像灰度修正?？墒箞D像動(dòng)態(tài)范圍加大，對(duì)比度擴(kuò)展，圖像清晰，特征明顯。主要分為灰度線性變換、灰度拉伸以及灰度均衡等。其中灰度均衡技術(shù)比較適用于較暗的圖像，能使圖像整體對(duì)比度增大，以突出圖像中“目標(biāo)”信息的特征。因隧道在大多數(shù)情況下光線較差，所攝取的圖像往往都表現(xiàn)出較暗的效果，因此特別適合采用灰度均衡法實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)。

圖2 多臺(tái)數(shù)碼相機(jī)攝像示意圖

（2）圖像平滑。主要目的是消除圖像的噪聲干擾，改善圖像質(zhì)量，強(qiáng)化圖像表現(xiàn)特征。其中領(lǐng)域平均法、中值濾波法、梯度倒數(shù)加權(quán)法是經(jīng)典的平滑方法。這里僅采用最簡(jiǎn)單的領(lǐng)域平均法即可完成平滑。

（3）圖像銳化。目的是使模糊圖像變清晰，使顏色鮮明突出。圖像模糊實(shí)質(zhì)上是由平均或積分運(yùn)算造成的，因此可對(duì)圖像進(jìn)行逆運(yùn)算如微分運(yùn)算來使圖像清晰化。常用的銳化方法有梯度銳化、拉普拉斯銳化、模板匹配銳化等。鑒于是對(duì)地質(zhì)圖像的銳化，這里采用效果較好的梯度銳化方法。

（4）圖像分割。將數(shù)字圖像分割成互不相交的區(qū)域，以便把識(shí)別對(duì)象及其背景區(qū)別開來。圖像分割方法很多，其中閾值變換方法最為常見。對(duì)地質(zhì)圖像而言，所需識(shí)別的主要對(duì)象是結(jié)構(gòu)面，因此這里采用普通的二值化方法。

1.3 圖像分析模塊設(shè)計(jì)

圖像采集和圖像處理都是為最終的圖像分析服務(wù)的。圖像分析[6]一般是指利用數(shù)學(xué)模型并結(jié)合圖像處理技術(shù)分析底層特征和上層結(jié)構(gòu)，從而提取具有一定智能性的信息。這里具體是指通過提取處理后的圖像的特征點(diǎn)坐標(biāo)，按照一定的計(jì)算公式計(jì)算，從而完成圖像位移坐標(biāo)的測(cè)量。其基本原理主要涉及以下內(nèi)容：

（1）確定坐標(biāo)系。要用坐標(biāo)值表示像點(diǎn)和地面間的空間幾何關(guān)系，首先要選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系。數(shù)碼攝影常用的坐標(biāo)系[7]有圖像坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、輔助坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系等。

（2）定義方位元素。數(shù)碼攝影測(cè)量[8]主要是根據(jù)像點(diǎn)坐標(biāo)求解地面間的空間坐標(biāo)，這就需要知道相機(jī)的空間狀態(tài)，而這是由方位元素即物鏡與像片面的相對(duì)位置決定的。

（3）推求共線方程。是指用數(shù)值相機(jī)進(jìn)行攝像的成像系統(tǒng)中，物點(diǎn)、攝像中心及相應(yīng)的像點(diǎn)在空間滿足一定的共線條件，這是數(shù)碼圖像測(cè)量的理論基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

按照實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路，課題組分別從硬件和軟件兩個(gè)核心部分著手，一方面置辦相關(guān)硬件設(shè)備，并安裝到位，一方面著手編寫相關(guān)軟件代碼。

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

圖像處理和圖像分析 2大模塊主要依靠軟件實(shí)現(xiàn)，其硬件就是一臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)。而圖像采集模塊的主要工作是從真實(shí)的隧道中獲取原始圖像，因此需要以下設(shè)備：

（1）數(shù)碼相機(jī)。是圖像采集的最主要工具，相機(jī)的分辨率是相機(jī)的主要性能指標(biāo)，也是影響攝像測(cè)量精度的最主要因素。經(jīng)過對(duì)隧道環(huán)境的綜合環(huán)境考察，所采用的數(shù)碼相機(jī)分辨率至少應(yīng)達(dá)到300萬像素，以便減少像素?fù)p失對(duì)測(cè)量結(jié)果精度的影響[9]。

（2）底部置平裝置。用于安放相機(jī)，它的擺放將直接影響相機(jī)攝像瞬間的空間位置狀態(tài)。

（3）三角架。是數(shù)碼相機(jī)和底部置平裝置的基礎(chǔ)，必須具備良好的穩(wěn)定性，因此采用木質(zhì)三角架[10]。

（4）照明設(shè)備。因隧道里光線陰暗，煙塵較多，直接影響攝像質(zhì)量，而相機(jī)自帶的閃光燈卻無濟(jì)于事，因此在隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)斷面處應(yīng)配備強(qiáng)力照明燈[11]，用于改善環(huán)境，以保證相機(jī)可獲取清晰、質(zhì)量高的圖片。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件部分是課題組自行研發(fā)的，采用的編程語言是Visual C++6.0，主要用于圖像處理和圖像分析2個(gè)模塊，其源代碼數(shù)量為2萬多行。

3 實(shí)驗(yàn)流程及結(jié)果分析

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的有效性，還需進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。任意選定某一隧道，按圖2方式通過3臺(tái)日本產(chǎn)SONY DSC-70型號(hào)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行圖像采集，并以BMP格式保存。再在一臺(tái)安裝了本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的PC機(jī)上打開一幅剛采集的圖像，如圖 3(a)所示。單擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的菜單進(jìn)行圖像處理，包括圖像增強(qiáng)如圖3(b)以及圖像分割如圖3(c)；然后進(jìn)行坐標(biāo)提取如圖3(d)，最后由該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)線性求解法自動(dòng)計(jì)算出隧道的位移參數(shù)值，如圖4(e)所示。具體操作步驟如下：

Step1：【文件處理】→【打開位圖文件】

Step2：【圖像增強(qiáng)】→【轉(zhuǎn)化為灰度圖像】

Step3：【圖像增強(qiáng)】→【圖像平滑】→【領(lǐng)域平均法】

Step4：【圖像增強(qiáng)】→【圖像銳化】→【梯度銳化】

Step5：【圖像分割】→【閾值分割】

Step6：【圖像坐標(biāo)】→【目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)】

Step7：【圖像坐標(biāo)】→【系統(tǒng)標(biāo)定】

Step8：【圖像坐標(biāo)】→【線性求解法】

圖3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)流程

為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，除了用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行位移測(cè)量外，還同時(shí)進(jìn)行了人工位移測(cè)量，兩者實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

測(cè)試點(diǎn)實(shí)際位移坐標(biāo)值與觀測(cè)坐標(biāo)值之間的點(diǎn)位偏差最大為0.63 mm，沒有超過規(guī)范中規(guī)定的1 mm的要求[12]。說明本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是完全可行的，精度也較高。

表1 各測(cè)試點(diǎn)位移坐標(biāo)值比較表

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了利用圖像測(cè)量技術(shù)自行研發(fā)的用于測(cè)量隧道位移的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)到測(cè)試實(shí)驗(yàn)都大量用到圖像測(cè)量中的關(guān)鍵技術(shù)，如圖像增強(qiáng)、圖像分割以及圖像分析等。相較于傳統(tǒng)的人工位移測(cè)量技術(shù)，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有設(shè)備經(jīng)濟(jì)、成本低廉、操作簡(jiǎn)便快捷、精度較高等優(yōu)勢(shì)，適合隧道施工中大規(guī)模使用。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還廣泛應(yīng)用于“地下工程”等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，深受學(xué)生歡迎。