基于偏振三維成像技術的隧道變形監測試驗分析

西南地區隧道建設期的隧道變形監測問題越來越受到重視。提供一種偏振三維成像技術的隧道變形監測方法，完成隧道輪廓高精度三維實景視覺數據采集與智能監測，獲取隧道輪廓高精度視覺數據，實現對隧道變形數據的快速采集。

偏振三維成像技術； 隧道變形； 監測

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

［基金項目］成都市產業集群協同創新項目（項目編號：2021-XT00-00001-GX）

［作者簡介］蔣玄葦（1991—），女，碩士，主要從事鐵路隧道、站房檢監測方面的工作。

0" 引言

西南地區鐵路沿線地質條件復雜，長大不良地質隧道眾多，鐵路隧道建設期的施工安全問題越來越受到重視，隧道施工期圍巖變形收斂數據的快速采集、分析及應用對隧道建設期安全起到至關重要的作用。

本研究提供一種新的隧道變形監測方法，完成隧道輪廓高精度三維實景視覺數據采集與智能監測，獲取隧道輪廓高精度視覺數據，實現對隧道變形數據的快速采集，為西南地區鐵路隧道安全快速施工提供技術支持。

1" 隧道收斂變形快速監測裝備研究應用現狀

目前，針對隧道開挖段的變形監測主要有收斂計、水準儀量測、全站儀量測、巴賽特收斂系統、近景攝影量測、分布式光纖傳感技術等。精密化儀器和自動化設備應用技術雖然得到了進一步提升，但大部分以傳統的監測設備為主，不能有效實現對隧道施工期圍巖收斂變形數據快速獲取，對隧道惡劣環境適應性差［1］，現有隧道變形監測方法優缺點對比見表1。傳統監測儀器存在監測成本高、不能連續監測、布置安裝缺乏依據以及不能整體監測等諸多限制，急需采用新理論、研發新設備，及時獲取隧道施工期圍巖變形數據，指導隧道安全施工。

2" 基于偏振三維成像技術的隧道變形監測設備

2.1" 偏振三維成像技術原理及特點

傳統光學成像系統主要獲取目標不同波長或譜段的強度成像信息，光波中的偏振信息沒有被有效獲取或利用。相比于傳統三維成像，偏振三維成像技術具有單目、被動式、遠距離、高精度等特點，具有即拍即得、圖高合一等優點［2］。具體有兩點：

（1）偏振三維成像技術相對于其他三維測繪手段，無需獲取多幅圖像進行匹配，可以采用單個面陣偏振探測器成像獲得目標三維形狀，系統穩定性高、匹配難度低，圖像的強度信息和高程信息具有像素級對應精度，尤其適用于時變目標的瞬時三維成像。

（2）偏振三維成像技術可以利用目標反射光的偏振特性進行表面三維反演，無需主動光源，探測距離可提升至百公里

分布式光纖傳感技術自動化測試，良好的抗電磁性，對施工的干擾也比較小處于實驗室研究階段，未能在現場得到廣泛應用級，具有廣泛的應用前景。

2.2" 基于偏振三維成像技術的隧道變形監測設備

本研究根據西南地區鐵路隧道特點，研發了基于偏振三維成像技術的隧道變形監測設備。其系統集成架構主要由偏振相機、便攜式計算機、三腳架、三維坐標控制系、控制點、激光測距儀、UWB定位基站、照明設備、插線板組成，具體見表2。

基于偏振三維成像技術的隧道變形監測設備采用單幀圖像進行三維成像，無需多次成像，無需進行圖像匹配，無需主動光源，可解決西南地區隧道中高速運動多幅圖像獲取與目標高精度匹配的難題。該設備可對逆光成像條件下的強背景光進行抑制，有效提升光照不均勻和成像姿態變化等不利條件下的三維成像準確度，實現對隧道變形數據的快速采集。該設備可同時獲取目標4個偏振方向的圖像，并利用單目高精度偏振三維計算成像方法完成目標高精度三維重建。其譜段范圍、偏振方向、探測器規模等設備主要性能指標見表3。

3" 現場試驗及結果分析

3.1" 試驗目的

通過膨脹螺釘進出變形量測量及定量化薄板/薄片的測量，在短期內模擬隧道內壁的變形，對西南地區在隧道施工過程中隧道圍巖的變形進行量測，并與實際變形量進行對比。試驗結果可供實際隧道施工圍巖變形參考。

3.2" 試驗方案及試驗流程

3.2.1" 試驗總案

試驗流程包括相機標定、圖像預處理、坐標測量、變形分析、三位顯示，具體流程詳見圖1。

由于隧道在施工過程中Neibu光線不足，粉塵嚴重，施測空間窄小，測量中所受干擾大（施工機械等施工設備的影響），所以獲取控制點及測點的位置時要注意：

（1）選擇測點位置、坐標系位置和攝影測站位置應注意要避開屏障，同時要注意防止死角的出現，圖像應覆蓋整個攝影區域，以保證像點的完全清晰展現，避免特征點在一張像片上有，而另外一張像片上就沒有的現象。

（2）環境條件不同，會造成光線條件也就不同，所以要注意因地制宜，利用照明設備進行補光，并結合所測量地方的環境情況來選擇適當的測點位置、坐標系位置和攝影測站位置來進行拍攝，進而得到適合進行后期處理的像片。

（3）利用偏振去霧方法對獲取到的圖像進行預處理［3］。

巖土工程與地下工程蔣玄葦， 張月， 張學敏： 基于偏振三維成像技術的隧道變形監測試驗分析

3.2.2" 膨脹螺釘進出變形量測量及定量化薄板/薄片（砂紙）的測量

3.2.2.1" 膨脹螺釘進出變形量測量

利用膨脹螺釘打入隧道壁，模擬隧道內壁的變形，用基于偏振三維成像技術的隧道變形監測設備及傳統方法，分別測量變形量并對比，進行兩次試驗。具體方法如下：

（1）在試驗現場找尋安全、合適的壁面。

（2）利用電鉆在不同的位置處打入3～4個膨脹螺釘。

（3）以膨脹螺釘某一斷面為基準，利用游標卡尺或直尺測量膨脹螺釘的高度，記錄數據并拍照留存。

（4）在膨脹螺釘的周圍、設備視場邊緣，布置黑白靶標板。

（5）將設備布置在膨脹螺釘兩側，同時照亮膨脹螺釘。

（6）設備以某傾斜視角對膨脹螺釘進行成像。

（7）同時利用激光測距測量螺釘位置數據，記錄。

（8）將膨脹螺釘打入或擰出壁面，每個膨脹螺釘的變化量需各異。

（9）以膨脹螺釘某一斷面為基準，利用游標卡尺或直尺測量膨脹螺釘的高度，記錄數據并拍照留存。

（10）設備再次對膨脹螺釘進行成像。

（11）求解膨脹螺釘的高度變化值，與實測值進行對比。

3.2.2.2" 定量化薄片（砂紙）的測量

利用定量化薄片（砂紙）粘貼于隧道內壁，模擬隧道內壁的變形，用基于偏振三維成像技術的隧道變形監測設備及傳統方法分別測量變形量并對比，進行3次試驗。具體方法如下：

（1）在試驗現場找尋安全、合適的壁面。

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

（3）在定量化薄板/薄片的周圍、設備視場邊緣，布置黑白靶標板。

（4）將兩臺設備布置在定量化薄板/薄片兩側，同時照亮定量化薄板/薄片。

（5）設備以某視角對定量化薄板/薄片進行成像。

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

（7）設備再次對定量化薄板/薄片進行成像。

（8）求解定量化薄板/薄片的高度變化值，與記錄的實際高度變化值進行對比。

3.2.2.3" 試驗結果

試驗結果見表4，膨脹螺釘進出變形量進行了2次測量，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）變形量進行了3次測量，誤差值分別為5.2 mm、2.4 mm、5.9 mm，平均值4.5 mm。

可見，基于偏振三維成像技術的隧道變形監測實測值與常規試驗測得的數據誤差均在 mm量級內，試驗效果良好，可應用于西南地區隧道建設期的隧道變形監測。

4" 結論

本裝置在偏振三維成像研究基礎上，突破隧道復雜環境光條件下隧道結構三維成像等關鍵技術研究，研發輕量級便攜一體化測量系統，高速運動中利用單個面陣探測器瞬時獲取高精度圖像，通過計算成像方法獲得“圖高合一”的隧道內壁二維圖像和高程信息。主要創新點如下：

（1）基于偏振三維成像技術的隧道變形監測設備首次采用單幀圖像進行三維成像，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的隧道變形監測設備首次應用于相對運動速度較大的隧道壁目標三維測量場景，可瞬時完成隧道壁形貌三維抓取。

（3）基于偏振三維成像技術的隧道變形監測設備首次將智能識別技術與目標三維形貌重建結合，具有對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變化帶來的隧道壁及其他特征目標識別不準確問題。

（4）基于偏振三維成像技術的隧道變形監測實測值與常規試驗測得的數據誤差均在 mm量級，試驗效果良好。

參考文獻

［1］" 王浩，葛修潤，鄧建輝，等.隧道施工期間監測信息管理系統的研制［J］.巖石力學與工程學報，2001，20（增刊）：1684-1686.

［2］" 李娟，易維寧，黃紅蓮，等．一種偏振成像探測系統的測量精度檢測［J］.大氣與環境光學學報，2010，5（3）：215-219.

［3］" 梁健，巨海娟，張文飛，等．偏振光學成像去霧技術綜述［J］.光學學，2017，37（4）：1-13.