基于图像识别的隧道超欠挖监测技术应用与研究
【成果名称】基于图像识别的隧道超欠挖监测技术应用与研究
【完成单位】德清县杭绕高速有限公司
【鉴定/评价日期】2020-9-15
【被鉴定/评价的水平】国际先进
【成果内容简介】
在隧道工程施工过程中需要进行隧道的超欠挖检测，以判断隧道开挖断面尺寸是否满足设计断面要求。超欠挖不仅影响施工成本，而且对围岩稳定性分析也十分重要。目前的检测方法主要采用全站仪或断面仪等设备，逐断面逐点方式进行全断面测量，此类方法检测效率较低，很难满足隧道施工过程中大量超欠挖检测工作的需求。与传统测量方法相比，基于图像识别的隧道超欠挖监测技术是一种更快速、安全和有效的监测方法，通过快速可靠的采集方法获取隧道内部实测全景影像来精确的描述目标区域的特性信息，快速精确的构建高分辨率、高清晰度的各种不规则的实体三维模型。根据精确的物体三维模型来获取线、面、体等各种数据进行分析、计量、仿真、虚拟现实等多种后处理。
鉴于传统的隧道断面量测方法难以满足要求，项目将图像识别技术引入隧道监测，研究基于普通数码相机进行隧道超欠挖监测的可行性。开发了一套施工隧道的超欠挖量测系统，以提高隧道监控量测的速度，降低工程造价，确保隧道施工的效率与安全性。通过分析摄影测量常用标志点的形状、颜色、材料等属性，针对图像摄影所处隧道环境的特点，提出采用圆形回光反射标志点；对基于连通区域标记的标志点识别，提出了一种基于图像隔列扫描和区域生长的二值标志点图像连通区域标记的改进算法，该算法可以克服连通区域重复标记的问题，而且由于减少了图像扫描次数，从而减少算法的运行时间，实验结果表明了算法的有效性；采用改进的连通区域标记算法，开发了隧道断面测量系统，通过对隧道断面影像处理，实现了标志点自动识别、标志点中心坐标自动提取及物像坐标转换；对各标志点采用三次参数样条插值法进行拟合来逼近隧道实际断面轮廓线，继而计算出超欠挖面积；阐述了系统各功能模块的实现方法及编程中涉及的关键技术，并进行了试验验证和误差分析，试验结果验证了本系统对距离量测的可行性和准确性，其测量精度可以达到工程实际要求。项目主要创新点：
（1）基于单反相机 、电动云台、三脚架和手机APP 等软硬件，研发了隧道图像环状扫描装置；
（2）提出了一种用于隧道超欠挖分析的改进型基于图像隔列扫描和区域生长的二值标志点图像连通区域标记算法；
（3）开发了基于图像识别的隧道超欠挖监测系统，可实现厘米级精度的隧道超欠挖监测。
【成果前景介绍】
本项目开发的基于图像识别的隧道超欠挖监测系统在工程应用主要优势如下：
（1）监测断面覆盖范围90%以上：通过实测开挖模型与设计文件的对比，可实现对掌子面全范围内超欠挖数据的分析，相比传统的针对 “点”的断面超欠挖检测，实现了“面”的监测；
（2）监测效率提高约80%：对每天开挖 3m 范围的掌子面进行超欠挖监测，若使用传统的全站仪需要 4~5小时，而应用本技术，从现场控制点布设、图像采集、超欠挖数据输出可在40min内完成；
（3）监测结果指导施工，大幅节省施工和监测费用：根据数据处理后生成的断面图分析出现超欠挖的原因，在后续施工时，通过优化钻爆参数、提高测量质量及加强人员培训等方法提高对隧道超欠挖的控制水平，经测算后，平均可节省喷射混凝土材料费用约80~120万元/km，同时，该技术硬件加软件总成本在10万左右，相比三维激光扫描仪至少60万的硬件成本，可节约70%~80%，具有较好的应用价值。
综上所述，考虑到浙江省未来高速公路隧道建设需求，基于图像识别的隧道超欠挖监测技术具有广阔的应用前景。可通过以下措施进行推广应用：
（1）加大对隧道超欠挖图像识别技术的宣传力度；
（2）加速《隧道三维重建可量测实景影像监测系统应用指南》的落地；
（3）进行示范工程应用，做好大面积推广的示范样板。
