[0001] 本发明涉及隧道工程监测技术领域，具体涉及一种隧道断面收敛测量系统、测量方法、存储介质及设备。

[0002] 隧道断面收敛变形测量是工程和地质领域中的一个重要任务，主要用于监测和评估地下隧道或洞穴在使用过程中的形状变化、变形程度以及结构稳定性。这项测量工作对于确保地下工程的安全运营、提高施工效率以及进行适当的维护和修复具有重要意义。

[0003] 目前，隧道断面收敛变形的主要测量技术包括了全站仪测量技术、激光扫描测量技术、变形检测传感监测技术、机器视觉识别技术。具体测量方法如下：

[0004] (1)全站仪测量技术：通过在隧道内架设全站仪，利用后方交会方法获取全站仪精确坐标，从而准确测量指定点位的坐标，通过不同时间段的坐标测量结果对比，从而获取隧道断面变形量。该技术仅能采集隧道断面局部点位的变形量，隧道断面收敛结果较为片面，且单个隧道的测量工作量大、耗时长等缺点。

[0005] (2)变形检测传感监测技术：通过在指定点位布置变形传感器，传感器包括收敛仪、光纤光栅传感器等，隧道衬砌变形时，传感器跟随着移动，从而获取隧道收敛变形。该技术测量精度虽高，但测量结果单一，部分传感器元件较为昂贵。

[0006] (3)机器视觉识别技术：在隧道内布设机器视觉智能测量仪，初衬断面上布设靶标，机器视觉智能测量仪识别靶标图像，当被测隧道结构发生平面位移时，靶标坐标随之变化，从而测量到被测物的水平与垂直双向位移。该技术技术容易收到隧道内部灰尘、光照的影响，且定位精度、测量精度都较低。

[0007] (4)激光扫描测量技术：利用全站仪测定激光扫描仪器的坐标，然后利用激光扫描仪自动采集隧道全断面点位，通过对比不同时间段的隧道全断面点位信息，获取隧道断面变形量。该技术虽然测量较为全面，但单站测量所需时间较长、高精度激光扫描仪器较为昂贵。

[0008] 综上所述，急需研究一种结构精简、便于使用且测量精度高的隧道断面收敛测量系统及测量方法以解决现有技术中存在的问题。

[0061] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

[0062] 实施例：

[0063] 一种隧道断面轮廓收敛变形测量系统，参见图1‑图4，具体包括：隧道断面收敛测定装置1以及隧道精准定位装置2，详细结构如下：

[0064] 所述隧道断面收敛测定装置1包括同隧道中轴线设置的轨道1.1(通过钢筋支柱1.6设置在隧道内壁面3上)以及可移动式设置在轨道上的测量设备；所述测量设备包括第二电源1.7以及与第二电源连接的轮廓测定组件1.2和图像定位组件1.3，详见图1。

[0065] 所述轮廓测定组件1.2详见图2(a)、图2(b)和图2(c)，包括激光测距模块1.2.1、控制模块1.2.2、转动盘1.2.3以及第一动力源1.2.4，所述激光测距模块1.2.1设有一个及以上，图3(b)中设置了四个。四个所述激光测距模块1.2.1均布设置在所述转动盘1.2.3上；第一动力源1.2.4与转动盘1.2.3连接用于带动转动盘及其上的激光测距模块1.2.1进行旋转。此处，第一动力源1.2.4包含电机以及设置在电机上且用于测量电机转动角度的角度传感器。所述激光测距模块1.2.1和所述第一动力源1.2.4均与所述控制模块1.2.2连接。优选的，轮廓测定组件1.2包括用于容纳激光测距模块1.2.1、控制模块1.2.2、转动盘1.2.3、第一动力源1.2.4以及不锈钢框架1.2.5。

[0066] 进一步优选的，所述测量设备通过动力组件1.4可移动式设置在所述轨道1.1上；所述动力组件1.4包括第二动力源1.4.1、传动链条1.4.2、第一链轮1.4.3以及第二链轮
1.4.4，所述第一链轮1.4.3和所述第二链轮1.4.4沿轨道1.1的长度方向间隔设置，且所述传动链条1.4.2同时与第一链轮1.4.3和第二链轮1.4.4相啮合形成回路，详见图3(a)和图3(b)；第二动力源1.4.1与第一链轮1.4.3和第二链轮1.4.4中的至少一个连接(图3(b)示意了第二动力源有两组，分别与第一链轮和第二链轮连接)，通过第二动力源1.4.1提供动力实现测量设备在第一链轮与第二链轮之间移动。此处，所述动力组件1.4还包括滚动轮
1.4.5、连接轴1.4.6以及第三链轮1.4.7，所述滚动轮1.4.5设置在连接轴1.4.6上且与轨道
1.1相匹配；所述第三链轮1.4.7设置在所述连接轴1.4.6上且与所述传动链条1.4.2相啮合；所述测量设备设置在所述连接轴1.4.6上。具体的，轮廓测定组件1.2中的不锈钢框架
1.2.5通过悬挂支架1.5以及滚动轴承1.4.9套设在连接轴上，第三链轮1.4.7通过固定轴承
1.4.8套设在连接轴上。

[0067] 所述图像定位组件1.3详见图2(a)、图2(b)和图2(c)，其包括第一相机1.3.1以及第一靶标1.3.2(即网格靶标)，第一相机的镜头正对第一靶标上的网格设置。优选的，所述图像定位组件还包括透明玻璃支架1.3.3，所述第一相机1.3.1以及第一靶标1.3.2均设置在所述玻璃支架上且相对设置。第一相机1.3.1的拍摄范围边界为F2，第一靶标1.3.2处于拍摄范围内。

[0068] 所述隧道精准定位装置2包括两组隧道定位组件2.1，一组隧道定位组件安装在隧道的内部，详见图1和图4(a)，另一组隧道定位组件2.1安装在隧道外部的地面或建筑物上(此处示意了坡面4上)。所述隧道定位组件2.1包括安装平台2.1.1、第二电源2.1.2、控制模块2.1.3、连接臂2.1.4、激光指向仪2.1.5、激光测距传感器2.1.6以及电子罗盘传感器2.1.7，所述第二电源2.1.2设置在安装平台2.1.1上，且其与控制模块2.1.3、激光指向仪
2.1.5、激光测距传感器2.1.6和电子罗盘传感器2.1.7连接；所述连接臂2.1.4、激光指向仪
2.1.5、激光测距传感器2.1.6以及电子罗盘传感器2.1.7均与所述控制模块2.1.3连接；所述连接臂2.1.4的连接端设置在所述安装平台2.1.1上，其自由端上设有激光指向仪2.1.5、激光测距传感器2.1.6和电子罗盘传感器2.1.7。优选的，所述连接臂2.1.4包括第三动力源以及臂组，所述连接臂2.1.4中第三动力源与控制模块2.1.3连接；所述臂组包括串联设置的至少两段臂体，臂体通过第三动力源带动实现连接臂2.1.4的自由端的位置调节。第三动力源包括电机以及舵机，臂体与电机之间以及向量臂体之间均设有舵机，第三动力源能带动臂组实现360°的旋转以及上下移动20cm左右的自由运动。

[0069] 本实施例中安装在隧道的内部的隧道定位组件2.1中还包括第二靶标2.1.8(即十字光靶)，且其内的所述激光指向仪2.1.5能发射激光点至所述第一靶标(激光光线如图4(a)中F1)；安装在隧道的外部的隧道定位组件2.1中的所述激光指向仪2.1.5能发射激光点至所述第二靶标2.1.8(激光光线如图4(a)和图4(b)中F3)；安装在隧道的外部的隧道定位组件2.1中还设有与控制模块2.1.3连接的第二相机2.1.9和北斗定位元件2.1.10，所述第二相机2.1.9用于聚焦拍摄第二靶标2.1.8，所述北斗定位元件2.1.10用于定位安装在隧道的外部的隧道定位组件2.1的位置。

[0070] 应用本实施例的隧道断面收敛测量系统进行隧道断面收敛，具体方法如下：利用北斗定位元件确定安装在隧道外部的隧道定位组件的坐标；获取第二靶标的中心点坐标；获取第一靶标的中心点坐标；获取转动盘的中心点坐标；获取隧道断面的初始轮廓线集U；
绘制隧道断面初始轮廓线；调整安装在隧道内部和外部的隧道定位组件；定期检测隧道断面轮廓线；计算断面收敛变形量。方法详见图5，具体如下：

[0071] 步骤一、定位安装在隧道外部的隧道定位组件2.1的坐标，具体是：先利用北斗定位元件2.1.10获取其所处的全球坐标(a0,b0,c0)，根据激光指向仪2.1.5的尺寸、第二相机2.1.9的尺寸、连接臂2.1.4的固定距离以及激光测距传感器2.1.6的测量距离计算出激光指向仪2.1.5的发射点位坐标(a1,b1,c1)，以该发射点的坐标作为局部坐标系XOY的原点(0,
0,0)；

[0072] 步骤二、获取第二靶标2.1.8的中心点坐标，具体是：利用第二相机2.1.9拍摄到第二靶标2.1.8的图像，采用控制模块2.1.3中的光靶识别模型识别光靶激光点，根据激光指向仪2.1.5自带的激光测距模块测定发射点与第二靶标2.1.8中心点的距离d1，结合隧道中轴线的方位角β1以及电子罗盘传感器2.1.7测定的方位角α1和倾角γ1，详见图6所示，计算出第二靶标2.1.8的中心点位坐标(x1,y1,z1)：

[0073]

[0074] 步骤三、基于第二靶标2.1.8的中心点位坐标(x1,y1,z1)获取激光指向仪2.1.5的发射点位坐标(x2,y2,z2)；

[0075] 步骤四、获取第一靶标1.3.2的中心点坐标(x3,y3,z3)：间隔D1(本实施例优选20米)将钢筋支柱嵌入隧道衬砌中，安装隧道精准定位装置2，测量设备转移至距离隧道入口处的最近位置，作为移动轨迹初始点，其第一相机1.3.1聚焦拍摄第一靶标1.3.2，且第一靶标垂直于隧道中轴线；基于激光指向仪2.1.5的发射点位坐标(x2,y2,z2)、激光指向仪2.1.5自带的激光测距模块测定发射点与第一靶标中心点的距离d2、隧道中轴线方位角β2以及电子罗传感器2.1.7测定的方位角α2和倾角γ2得到第一靶标1.3.2的中心点坐标(x3,y3,z3)：

[0076]

[0077] 步骤五、基于第一靶标1.3.2的中心点坐标(x3,y3,z3)获取转动盘1.2.3的中心点坐标(x4,y4,z4)；

[0078] 步骤六、获取隧道断面的初始轮廓线集U：以转动盘1.2.3的中心点为原点构建隧道断面轮廓的局部极坐标系ρOl，根据测定的动力源的旋转角度ρ、转动盘上激光测距传感器的安装距离Δl和激光测距模块的测距结果l，获取隧道断面轮廓点极坐标，继而形成隧道全断面的初始轮廓线及隧道初始轮廓线图；

[0079] 测量设备沿轨道按设定速率V运动，间隔D2(优选5米)距离停顿，依次测量各隧道断面的初始轮廓线；将各隧道断面的初始轮廓线放入集合U；

[0080] 步骤七、根据北斗定位元件2.1.10获得此时的坐标(a0′,b0′,c0′)，继而得到所处区域的变形(Δa,Δb,Δc)；按照其变形量调整第二相机2.1.9的安装高度和旋转角度，进而结合第二相机2.1.9拍摄第二靶标2.1.8后的识别结果、激光指向仪2.1.5的测量结果和电子罗盘传感器2.1.7的测量结果得到第二靶标2.1.8上激光点的坐标(x1′,y1′,z1′)，结合初次测定的第二靶标2.1.8的中心点位坐标(x1,y1,z1)计算出安装在隧道的内部的隧道定位组件2.1的安装点变形量(Δx1,Δy1,Δz1)；

[0081] 重新调整安装在隧道的外部的的激光指向仪的指向方向，使其激光点落在第二靶标2.1.8的中心点；根据变形量(Δx1,Δy1,Δz1)调整其激光指向仪的安装高度和旋转角度，利用第一相机拍摄该时刻的第一靶标，根据拍摄后的识别结果、激光指向仪的测量结果、电子罗盘传感器2.1.7的测量结果计算出第一靶标上激光点的坐标(x3′,y3′,z3′)，结合上一次测量结果(x3,y3,z3)计算出第一靶标1.3.2的中心点坐标的变形(Δx3,Δy3,Δz3)；

[0082] 步骤八、按照工程要求设定定期检测时间，测量设备沿轨道自初始点向隧道另一端移动，且每次运动到钢筋支柱停留一次，利用滚动轮1.4.5自带的计数模块计算滚轮运动距离Hm，计算出相邻钢筋支柱之间的变形量为(H‑D1)m，待运行至隧道另一端再返回至初始点；

[0083] 绘制隧道断面检测轮廓线：测量设备沿轨道按设定速率V运动，每次运动距离D2’＝[D2+(H‑D1)/(D1/D2)]m停驻一次；同时依据第一靶标上的激光点的相对移动量(Δj,Δk)调整转动盘中心点在隧道断面初始轮廓线图位置，以调整后的转动盘为原点O'，根据测定的动力源旋转角度ρ'、转动盘上激光测距传感器的安装距离Δl和激光测距l'结果在该断面的初始轮廓线图绘制出t时刻断面轮廓点；考虑后续车辆行驶问题，动力源旋转过程中需要实时排除激光测距l'远大于l的激光点，补充该角度的激光测距，直至所有断面轮廓点补充完全，获得该时刻隧道全断面的新轮廓线；基于各隧道全断面的新轮廓线得到隧道全断面的新轮廓线集U'；其中：Δj为两点的竖向像素坐标差值，Δk为两点的水平像素坐标差值；

[0084] 步骤九、计算断面收敛变形量：以原有的初始轮廓的原点O作为断面直角坐标系原点(0,0)，计算初始轮廓点的直角坐标(l×sin(ρ),l×cos(ρ))，计算新轮廓点的直角坐标形成了隧道初始轮廓线的点集合Q和隧道新轮廓线的点集合Q'，以初始轮廓线的点集合Q任意一点计算该点与新轮廓线点集合中所有点的距离以其最短距离si‑min作
为该点的变形量，从而在隧道轮廓线图上绘制出对应点的变形量，遍历计算集合Q中所有点的变形量，形成隧道断面轮廓收敛变形图；其中： 为第一靶标所对应的单一像素实际尺寸的平均值；下标i表示任意一点。

[0085] 本实施例中优选的，采用四组激光测距模块，获取四个激光传感仪测定的隧道断面轮廓点极坐标：

[0086] 激光测距模块1‑初始角度0°处:(ρ,l1+Δl)；

[0087] 激光测距模块2‑初始角度90°处:

[0088] 激光测距模块3‑初始角度180°处:

[0089] 激光测距模块4‑初始角度270°处:

[0090] 本实施例中优选的，第一靶标的底部颜色为白色，网格线为绿色，定位安装在隧道内部的隧道定位组件2.1中激光指向仪的激光点位红色，故第一相机聚焦拍摄到的第一靶标图像包括白色、绿色和红色。

[0091] 第一靶标的识别具体是：利用HSV空间阈算法分别提取绿色像素、红色像素，分别转化为第一靶标轮廓二值化图和激光点二值化图；利用zhang‑suen算法对第一靶标二值化图进行细化处理，直至网格线的像素宽度为单个像素；利用累计霍夫变换算法计算出竖直中心线和水平中心线，结合所设定的网格尺寸固定计算出对应的单一像素实际尺寸为网格线实际长度/网格线像素长度，求得单一像素实际尺寸的平均值 计算得到网格中心线的交点，以该点作为第一靶标的中心点以及局部像素坐标系原点；利用霍夫梯度法拟合出内外圆圈，计算出圆圈的中心点以及像素半径，结合所设定的内外圆圈半径固定，利用霍夫梯度法拟合出激光点的像素圆圈，计算出圆圈的圆心点像素坐标；基于圆圈的圆心点像素坐标计算出第一靶标上的激光点的相对移动量

[0092] 根据电子罗盘传感器测定当前位置的方位角α3，结合电子罗盘传感器的方位角α2和第一靶标1.3.2的中心点坐标(x3,y3,z3)计算出第一靶标此时的中心点坐标(x3′,y3′,z3′)，详见图7所示，具体表达式如下：

[0093]

[0094] 以第一靶标中心点坐标作为轨迹点坐标，以此轨迹点作为隧道断面收敛测定装置的运动轨迹。

[0095] 本实施例中优选的，得到北斗定位元件2.1.10所处区域的变形(Δa,Δb,Δc)后，进行调节：按照其垂直方向变形量连接臂2.1.4仅调整第二相机2.1.9的高度Δc；按照其水平方向变形量计算角度控制量控制连接臂2.1.4的旋转角度θ＝artan(Δa/Δb)，使得激光点调整到原有测定位置。

[0096] 第二靶标的底部颜色为白色，内外圆圈、中心线为绿色，定位安装在隧道内部的隧道定位组件2.1中激光指向仪的激光点位红色，第二相机聚焦拍摄到的第二靶标的图像包括白色、绿色和红色。

[0097] 第二靶标的识别具体是：利用HSV空间阈算法分别提取绿色像素、红色像素，分别转化为第二靶标轮廓二值化图和激光点二值化图；利用zhang‑suen算法对第二靶标二值化图进行细化处理，直至第二靶标的轮廓线像素宽度为单个像素；利用累计霍夫变换算法计算出竖直中心线和水平中心线，然后计算得到两条中心线的交点，以该点作为第二靶标的中心点以及局部像素坐标系原点；利用霍夫梯度法拟合出内外圆圈，计算出圆圈的中心点以及像素半径，结合所设定的内外圆圈半径固定，计算出对应的单一像素实际尺寸为圆圈实际半径/像素半径，求得内外圆圈的单一像素实际尺寸的平均值 利用霍夫梯度法拟合出激光点的像素圆圈，计算出圆圈的圆心点像素坐标；结合圆圈的圆心点像素坐标计算出该激光点与第二靶标中心点的实际差值 其中：Δp为两点的竖向像素坐标差值，Δq为两点的水平像素坐标差值。

[0098] 根据隧道的外部的隧道定位组件2.1中电子罗盘传感器2.1.7测定当前位置的方位角α1，结合电子罗盘传感器2.1.7的方位角α2和激光指向仪2.1.5的发射点位坐标(x2,y2,z2)计算出t时刻激光指向仪2.1.5该时刻的发射点位坐标(x2′,y2′,z2′)：

[0099]

[0100] 结合上一次测定结果(x2,y2,z2)，计算出安装在隧道的外部的隧道定位组件2.1的变形量(Δx2,Δy2,Δz2)，对连接臂进行调节：按照其垂直方向变形量控制连接臂2.1.4仅调整激光指向仪的高度Δz2；按照其水平方向变形量计算角度控制量θ2＝artan(Δx2/Δy2)控制连接臂的旋转角度，使得激光指向仪的激光点调整到第一靶标的原有测定位置。

[0101] 本实施例还公开一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序适用于由处理器加载并执行上述隧道断面收敛测量方法。

[0102] 本实施例还公开一种设备，所述设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，运行上述隧道断面收敛测量方法。

[0103] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。