隧道断面收敛测量系统、测量方法、存储介质及设备

1.一种隧道断面收敛测量系统，其特征在于，该测量系统包括隧道断面收敛测定装置(1)以及隧道精准定位装置(2)；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)以及可移动式设置在轨道上的测量设备；所述测量设备包括轮廓测定组件(1.2)和图像定位组件(1.3)；所述轮廓测定组件(1.2)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，且激光测距模块(1.2.1)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；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；所述图像定位组件(1.3)包括第一相机(1.3.1)以及第一靶标(1.3.2)，第一相机的镜头正对第一靶标设置；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，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；所述隧道定位组件(2.1)包括安装平台(2.1.1)、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)；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)，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；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)；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。 2.根据权利要求1所述的隧道断面收敛测量系统，其特征在于，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；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；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，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。 3.根据权利要求2所述的隧道断面收敛测量系统，其特征在于，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。 4.一种隧道断面收敛测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任意一项所述的隧道断面收敛测量系统进行测量，包括：利用北斗定位元件确定安装在隧道外部的隧道定位组件(2.1)的坐标；获取第二靶标(2.1.8)的中心点坐标；获取第一靶标(1.3.2)的中心点坐标；获取转动盘(1.2.3)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(2.1)；定期检测隧道断面轮廓线；计算断面收敛变形量。 5.根据权利要求4所述的隧道断面收敛测量方法，其特征在于，包括以下步骤：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(a 0 ,b 0 ,c 0 )，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(a 1 ,b 1 ,c 1 )，以该发射点的坐标作为局部坐标系XOY的原点(0,0,0)；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d 1 ，结合隧道中轴线的方位角β 1 以及电子罗盘传感器(2.1.7)测定的方位角α 1 和倾角γ 1 ，计算出第二靶标(2.1.8)的中心点位坐标(x 1 ,y 1 ,z 1 )：基于第二靶标(2.1.8)的中心点位坐标(x 1 ,y 1 ,z 1 )获取激光指向仪(2.1.5)的发射点位坐标(x 2 ,y 2 ,z 2 )；获取第一靶标(1.3.2)的中心点坐标(x 3 ,y 3 ,z 3 )，具体是：间隔D1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(x 2 ,y 2 ,z 2 )、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d 2 、隧道中轴线方位角β 2 以及电子罗传感器(2.1.7)测定的方位角α 2 和倾角γ 2 得到第一靶标(1.3.2)的中心点坐标(x 3 ,y 3 ,z 3 )：基于第一靶标(1.3.2)的中心点坐标(x 3 ,y 3 ,z 3 )获取转动盘(1.2.3)的中心点坐标(x 4 ,y 4 ,z 4 )；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△l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；测量设备沿轨道按设定速率V运动，间隔D2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；根据北斗定位元件(2.1.10)获得此时的坐标(a 0 ′,b 0 ′,c 0 ′)，继而得到所处区域的变形(△a,△b,△c)；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(x 1 ′,y 1 ′,z 1 ′)，结合初次测定的第二靶标(2.1.8)的中心点位坐标(x 1 ,y 1 ,z 1 )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(Δx 1 ,Δy 1 ,Δz 1 )；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(Δx 1 ,Δy 1 ,Δz 1 )调整其激光指向仪的安装高度和旋转角度，利用第一相机拍摄当前时刻的第一靶标，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(x 3 ′,y 3 ′,z 3 ′)，结合上一次测量结果(x 3 ,y 3 ,z 3 )计算出第一靶标(1.3.2)的中心点坐标的变形(Δx 3 ,Δy 3 ,Δz 3 )；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，利用测量设备中滚动轮(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；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(△j,△k)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△l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：△j为两点的竖向像素坐标差值，△k为两点的水平像素坐标差值；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s i-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。 6.根据权利要求5所述的隧道断面收敛测量方法，其特征在于，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：激光测距模块1-初始角度0°处:(ρ,l 1 +Δl)；激光测距模块2-初始角度90°处: 激光测距模块3-初始角度180°处: 激光测距模块4-初始角度270°处: 7.根据权利要求5所述的隧道断面收敛测量方法，其特征在于，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；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，以该交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 根据电子罗盘传感器测定当前位置的方位角α 3 ，结合电子罗盘传感器的方位角α 2 和第一靶标(1.3.2)的中心点坐标(x 3 ,y 3 ,z 3 )计算出第一靶标此时的中心点坐标(x 3 ′,y 3 ′,z 3 ′)：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。 8.根据权利要求5所述的隧道断面收敛测量方法，其特征在于，得到北斗定位元件(2.1.10)所处区域的变形(△a,△b,△c)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△c；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(ΔaΔb)，使得激光点调整到原有测定位置；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；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，以该交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：△p为两点的竖向像素坐标差值，△q为两点的水平像素坐标差值；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α 1 ，结合电子罗盘传感器(2.1.7)的方位角α 2 和激光指向仪(2.1.5)的发射点位坐标(x 2 ,y 2 ,z 2 )计算出t时刻激光指向仪(2.1.5)该时刻的发射点位坐标(x 2 ′,y 2 ′,z 2 ′)：结合上一次测定结果(x 2 ,y 2 ,z 2 )，计算出安装在隧道的外部的隧道定位组件(2.1)的变形量(Δx 2 ,Δy 2 ,Δz 2 )，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△z 2 ；按照其水平方向变形量计算角度控制量θ 2 ＝artan(Δx 2 Δy 2 )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。 9.一种存储介质，其特征在于，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权利要求4-8任何一项所述隧道断面收敛测量方法。 10.一种电子设备，其特征在于，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，运行权利要求4-8任何一项所述隧道断面收敛测量方法。