一种基于结构光与视觉融合的隧道结构变形监测方法

本发明涉及隧道工程监测与测量，尤其涉及一种基于结构光与视觉融合的隧道结构变形监测方法。

背景技术：

1、隧道施工与结构安全监测领域中，传统监测方法主要依赖于在结构关键位置布设监测设备或测点，实现对位移、沉降或应变等参数的长期采集，例如静力水准仪、沉降计、测量机器人、光纤传感器等方式。这类方法通常能够提供一定精度的局部信息，但普遍存在测点离散、成本高以及难以反映整体连续变形等问题，尤其在复杂施工环境下，测量结果易受到环境扰动影响。

2、随着工程监测需求的不断提升，视觉测量技术逐渐发展成为结构监测领域的重要研究方向。该类方法通过相机获取结构表面或目标标志的图像信息，并结合几何成像关系或特征匹配方法，实现对空间位姿变化及结构变形的计算与反演。相比传统方法，视觉测量技术具有非接触、高精度及低成本等优势，因此在隧道及大型土木工程监测中得到了广泛关注与应用。

3、然而，在隧道施工实际环境中，现有视觉测量方法仍面临以下技术问题：

4、第一，现有视觉测量方法通常依赖固定安装的观测相机对目标区域进行长期观测。然而在实际施工环境中，爆破作业、机械设备振动等因素不可避免地引起相机安装平台发生微小位移，使得相机外参发生动态漂移，从而在像素坐标到物理空间坐标的映射过程中易引入系统性误差，导致位姿估计结果与真实变形情况之间出现偏差，严重影响测量精度。

5、针对上述相机位姿扰动问题，现有技术提出了多种补偿方法。第一类方法为基于刚性固定假设的传统视觉测量方法，默认相机外参保持不变，不考虑观测平台的微小运动，导致测量稳定性较差。第二类方法为基于辅助参考系统的位姿修正方法，通过引入额外的固定控制点、标志靶等构建外部约束，但对控制点的可见性与稳定性依赖较强，在隧道施工过程中，爆破产生的粉尘、设备移动以及结构遮挡等因素会显著降低通视条件，导致控制点容易被遮挡或识别不稳定。第三类方法为基于多传感融合的位姿补偿方法，通过引入惯性测量单元或其他辅助测量设备获取相机运动信息，但对传感器本身的精度与长期稳定性具有较强依赖性，且存在零偏漂移与累积误差问题，同时需要复杂的时间同步与标定过程，增加了整体实现复杂度。

6、第二，现有隧道变形监测方法多采用在断面布设少量离散监测点的方式获取结构变形信息，该类方法本质上属于点式采样模式，仅能反映局部特征位置的变化情况。当隧道结构发生非均匀变形时，离散点难以完整描述整个断面的连续形变分布特征，从而导致监测结果空间信息不完整，无法准确反映隧道整体结构的真实变形状态。

7、因此，亟需一种能够在复杂施工环境下实现隧道结构变形高精度、连续化监测的方法。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种基于结构光与视觉融合的隧道结构变形监测方法，可以在复杂施工环境下实现隧道结构变形的高精度、连续化监测。

2、为实现上述目的，本技术第一方面提供一种基于结构光与视觉融合的隧道结构变形监测方法，所述方法包括：

3、构建双相机协同观测系统，所述系统包括位姿估算相机和观测相机，两者通过刚性连接固定于同一观测平台，并采用同步触发机制进行图像采集；

4、通过所述观测相机获取隧道结构表面的结构光图像，并从所述结构光图像中提取光条中心线进行连续几何重建，得到隧道断面形貌信息；

5、基于所述位姿估算相机获取的图像帧对，采用fpvo模型估计相机相对位姿，所述fpvo模型以相邻时刻的图像帧对作为输入，融合光流、深度和语义多模态信息，通过重投影误差优化与时间一致性约束的联合优化框架，估计相机相对位姿；

6、基于系统初始化阶段标准量块标定得到的尺度系数，结合所述相机相对位姿、相机成像模型及所述隧道断面形貌信息，建立像素坐标到世界坐标系的映射关系，利用所述映射关系，将所述隧道断面形貌信息转换至世界坐标系；

7、对同一结构特征点在连续时刻的世界坐标进行差分计算，得到隧道结构的真实变形量。

8、本技术第二方面提供一种隧道结构变形监测系统，包括：

9、双相机协同观测模块，用于构建双相机协同观测系统，所述系统包括位姿估算相机和观测相机，两者通过刚性连接固定于同一观测平台，并采用同步触发机制进行图像采集；

10、结构光图像处理模块，用于通过所述观测相机获取隧道结构表面的结构光图像，并从所述结构光图像中提取光条中心线进行连续几何重建，得到隧道断面形貌信息；

11、位姿估计模块，用于基于所述位姿估算相机获取的图像帧对，采用fpvo模型估计相机相对位姿，所述fpvo模型以相邻时刻的图像帧对作为输入，融合光流、深度和语义多模态信息，通过重投影误差优化与时间一致性约束的联合优化框架，估计相机相对位姿；

12、坐标映射模块，用于基于系统初始化阶段标准量块标定得到的尺度系数，结合所述相机相对位姿、相机成像模型及所述隧道断面形貌信息，建立像素坐标到世界坐标系的映射关系，利用所述映射关系，将所述隧道断面形貌信息转换至世界坐标系；

13、变形计算模块，用于对同一结构特征点在连续时刻的世界坐标进行差分计算，得到隧道结构的真实变形量。

14、本技术第三方面提供一种电子设备，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，使得所述处理器执行如第一方面及其任一种可能的实现方式的步骤。

15、本技术第四方面提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如第一方面及其任一种可能的实现方式的步骤。

16、本技术提供的一种基于结构光与视觉融合的隧道结构变形监测方法，通过构建双相机协同观测系统，所述系统包括位姿估算相机和观测相机，两者通过刚性连接固定于同一观测平台，并采用同步触发机制进行图像采集；通过所述观测相机获取隧道结构表面的结构光图像，并从所述结构光图像中提取光条中心线进行连续几何重建，得到隧道断面形貌信息；基于所述位姿估算相机获取的图像帧对，采用fpvo模型估计相机相对位姿，所述fpvo模型以相邻时刻的图像帧对作为输入，融合光流、深度和语义多模态信息，通过重投影误差优化与时间一致性约束的联合优化框架，估计相机相对位姿；基于系统初始化阶段标准量块标定得到的尺度系数，结合所述相机相对位姿、相机成像模型及所述隧道断面形貌信息，建立像素坐标到世界坐标系的映射关系，利用所述映射关系，将所述隧道断面形貌信息转换至世界坐标系；对同一结构特征点在连续时刻的世界坐标进行差分计算，得到隧道结构的真实变形量。

17、本技术提供的技术方案具有以下有益效果：

18、通过双相机协同观测系统与fpvo模型，能够对施工振动引起的相机位姿漂移进行实时补偿，提高位姿估计的稳定性与测量精度；通过结构光图像提取光条中心线进行连续几何重建，突破传统离散点采样方式的局限性，实现隧道断面形变的高密度、连续化描述；通过标准量块标定建立像素坐标到世界坐标系的映射关系并进行差分计算，使变形结果具备真实物理意义与尺度一致性。