基于机器视觉的路基沉降监测方法研究

基于机器视觉的路基沉降监测方法研究

肖和华;金鼎沸

【摘要】The real -time and effectively monitor of subgrade settlement is

of great significance to the quality of maintenance engineering and the ensurance of traffic safety.In order to improve the monitoring efficiency and re-duce the cost of the monitoring,this paper presents a non -contact measurement system,waich is based on a light -pen machine vision measuring system.By putting the light -pen to the top of the monitoring target and u-sing a CCD camera to monitor the light -pen,the vertical displacement of the light -pen,is then calculated, which achieves the purpose of settlement monitoring.The engineering practice shows that the calculated settle-ment value at monitoring sections are consistent with the actual settlement value,the relative error is 1 .75% and 1 .62%.%对路基沉降进行实时且有效的监测，对于维护工程质量，保障通车安全具有重要意义。为提高监测效率，降低监测成本，提出一种基于光笔式机器视觉测量系统的非接触式沉降监测方法，将光笔置于监测靶面之上，通过一个CCD 单相机对光笔进行实时监测，通过图像处理的方法，计算出光笔垂直向下方向的位移，从而达到沉降监测的目的。试验结果表明：监测断面处的计算沉降值与实际沉降值基本吻合，相对误差达到了1．75％和1．62％。

【期刊名称】《铁道科学与工程学报》

【年(卷),期】2015(000)006

【总页数】4页(P1365-1368)

【关键词】沉降监测;机器视觉;光笔;图像处理

【作者】肖和华;金鼎沸

【作者单位】长沙市规划设计院有限责任公司，湖南长沙 410007;中南大学交通运输工程学院，湖南长沙 410075

【正文语种】中文

【中图分类】U416

路基沉降监测是道路施工以及工后运营维护的一项重要内容。但是，当前的沉降监测方法大多通过地下埋设沉降管，并通过硅微压传感或陶瓷微压传感来监测沉降管中压力差的办法实现沉降测量[1]，此方法虽然精度高，但是由于是将沉降管与传

感器埋设于路基断面，导致其更换困难，若传感器失效，则会影响监测效率，增大监测成本。针对这种缺陷，有学者考虑使用机器视觉的方法，对路基沉降进行监测，即通过工业相机对沉降点进行连续拍摄，计算出沉降点的垂直向下位移，从而得出沉降值。这种方法避免了频繁更换传感器，提高了监测效率；也避免了更换沉降管时对路基路面的开挖，从而节约了监测成本。刑敬宏等[2]以激光光源代替沉降监

测点，通过光斑位移来计算出路基沉降量，但是由于激光投影会造成光斑扩大，从而难以确定光学中心，造成较大的测量误差。宋小齐[3]将激光技术与电子控制技

术结合，开发了一套沉降监测系统，虽然预测精度得以提高，但仍无法适用于大范围监测的情况。史磊[4]采用光学传感器捕捉沉降监测特征点位移，但难以解决图

像处理中的噪声问题，有时会引起较大的测量误差。对此，本文以光笔代替沉降监测识别点，通过对光笔的垂直向下位移计算来实现路基沉降的监测，既能避免光斑扩散的情况，又能有效规避光学噪点，还能实现较大范围的沉降监测。

如图1所示，A为一被测点，O为相机坐标系，a为点A在相机成像平面上坐标

系上的坐标点。视觉测量的基本模型是通过小孔成像原理得出的。小孔成像原理主要研究空间绝对坐标系中一点A(X,Y,Z)反映到图像坐标系中的过程，而视觉测量是指由图像坐标系中已知坐标的点来反推空间A点的某一坐标，具体过程如下：

设空间一点A的坐标为(X,Y,Z)，其在相机坐标系中的像点坐标为(x,y,z)。那么从空间坐标系到相机坐标系有：

这其中R是3×3三阶旋转矩阵，T是三阶的平移向量(R和T为相机参数，下文求解)，这两个矩阵也就决定了由空间绝对坐标系到相机坐标系的坐标变换关系，并

且具有唯一性。

通过小孔成像模型易知，若不计误差，则有：

f为相机焦距。

而成像平面坐标系和相机坐标系具有如下关系：

1.1节阐述了机器视觉的基本理论，可以使视觉测量理论上变得可行，但是要实现对被测点的识别，还需要一个光笔(镶嵌高亮度LED灯的光学测棒)作为辅助工具，这个光笔使得相机能够将监测点与监测背景区别开来。本测量系统采用中南大学CAD/CAM研究所自主研发制造的7点式光笔(如图2所示)。

如图2(b)所示，A为沉降监测目标点，其余7点为相机识别控制点，根据前人理论，仅当控制点的数目大于等于3个时，A点坐标才是唯一的(三点透视原理参见

文献[5])。本文采用7点式对称冗余结构，目的是通过直线BCD、直线ECH、直

线FCG分别计算出A点的坐标，继而求其平均，可以减小计算误差。

在机器视觉的模型中存在很多参数，有些参数为相机固有属性，可通过说明书查阅，而对于相机平移和旋转矩阵这些参数，只有通过标定来获得。本文采用正方形黑白棋盘格标定板，通过Zhang标定算法[6]对相机进行标定，每小格尺寸为

30 mm×30 mm，如图3所示。

本文组建的路基沉降监测系统主要结构模块如图4所示。