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1、华中科技大学 硕士学位论文 隧道形变监测的数字图像处理软件开发 姓名：谭志坚 申请学位级别：硕士 专业：防灾减灾及防护工程 指导教师：赵文光;文银平 2011-02-23 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 在长期的运营使用过程中，隧道容易产生变形。在隧道施工阶段主要的技术难 点就是防止隧道坍塌，组织好对隧道变形的监测以及做好相关的地质预报工作对于 隧道施工的成功起着至关重要的作用，对隧道的拱顶进行位移监测对于保障隧道施 工的安全以及了解隧道的整体稳定性具有非常重要的作用。比较传统的隧道变形监 测方法在接触的前提下进行，操作简单，成本低但不能监测到隧道周边点的三维位 移
2、。随着我国建设跨度的不断增大，这些传统意义上的接触式位移监测方法具有明 显的局限性，所以发展隧道变形监测的非接触方法具有非常重要的意义。本文基于 数字图像处理技术开发一套新的隧道形变监测系统。 论文首先对课题背景、目的及意义、国内外研究现状进行了概述，然后分析了 监测系统的总体框架、硬件组成、软件设计以及系统的工作工程，接着简单介绍了 系统的实现原理以及坐标解算相关公式的推导过程。 软件开发和实现方面，系统在 Visual C+6.0 平台下，基于 MFC 的多文档模板 开发而成。程序完成的功能主要包括：1、读取 JPG格式图片并将其转换为 BMP 格 式； 2、 基于 Windows API
3、 的方式实现串口通信，方便系统和电子经纬仪的数据传输； 3、利用数字图像处理技术（阈值分割、中值滤波、区域标记）获取图片中目标的像 素坐标；4、利用推导出来的坐标解算公式，根据图像像素坐标及经纬仪的观测值， 输出解算结果，完成系统的目标。 文章最后将系统应用于实验中，实验结果的精度证明了该方法的正确性，可将 其应用于实际的工程当中。 关键词：隧道变形监测 Visual C+ 数字图像处理 串口通信 工程应用 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract With the long- term operation and use, the tunnels get a s
4、low deformation easily. The main difficulty during tunnel construction is to prevent the tunnel from collapse, so the monitoring on tunnel deformation and relevant geological forecast play a very important role in the success of tunnel construction. The displacement monitoring on tunnel vaults is ve
5、ry important to ensure the safety of tunnel construction and to find out the overall stability. Traditional methods carry out on the premise of contact, they have the advantages of simple operation and low cost but can not monitor the points three- dimensional displacement around the tunnel. With th
6、e ceaseless span increases of construction in our country, these traditional methods are now becoming more and more restricted. So it is important and significant to develop non- contact tunnel deformation monitoring methods. This paper developed a new tunnel deformation monitoring system based on d
7、igital image processing. First, i summarize the background, purpose and meaning, research situation of the topic; then analyze system frame and hardware composition, software design and working process of the system; in chapter 3, system s implementation principle and the derivation of related coord
8、inate s calculating formula. In software development and implementation, the system is developed based on multi- document template of MFC, under the platform of visual C+ 6.0. Functions finished in the program including: 1,read the picture of jpg format and convert it to bmp format; 2,for the conven
9、ience of data transmission between system and theodolite, serial communication was introduced in program; 3,obtain pixel coordinate of image based on digital image processing; 4,output the computed results according to pixel coordinate and the theodolite s observations. The last part of this paper a
10、pplies the system in experiments. The correctness of this new monitoring method has been proved and so it can be applied in practical projects. Keywords: Tunnel Deformation Monitoring Visual C+ Digital Image Processing Serial Communication Engineering Application 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及
11、取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_ _ _ _ _ 年解
12、密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 课题的背景、目的及意义 改革开放以来，随着国民经济的迅速发展，我国的公路建设也蓬勃发展，特别 是高等级公路建设更是日新月异，全国性高等级公路路网格局正在形成。由于高等 级公路的线形技术指标相对较高，当其进入山区或者重丘区时，就不可避免地需要 采用隧道来穿山越岭。因此，在高等级公路迅速发展的带动下，作为公路重要组成 部分的公路隧道也迎来了规模空前的建设热潮。许多路段由于采用隧道方案，改善
13、 了路线技术指标，缩短了路程和行车时间，提高了运营效益。例如，成渝高速公路 重庆段总长 104Km，较原成渝公路重庆段 156Km缩短路程 52Km，其中尤以中梁山 隧道和缙云山隧道缩短路程最为显著，且隧道建成后高速公路线形顺畅，社会效益 和经济效益俱佳。又如，310 国道宝鸡至牛背段，设计为二级汽车专用公路，全长约 40Km，其中隧道累积长度 5Km 多，占路线比例较大。浙江、福建、吉林、贵州等 省部分路段的情况也与之类似，隧道成群出现。由于隧道造价较高，运营管理相对 复杂，所以各地对隧道建设都十分重视1,2。 和发达国家相比，我国的公路隧道建设起步较晚。80 年代前，仅个别公路上设 有一些
14、短隧道。80 年代中后期，首先在我国经济较为发达的东南沿海地区出现了长 度超过千米的公路隧道，如深圳的梧桐山隧道长 2Km多，首次在我国采用全横向通 风。进入 90 年代，公路的迅速发展对公路隧道提出了越来越高的要求，隧道建设的 意义与作用也越来越多地为人们所认识和重视。公路隧道工程遍布全国各地，施工 和管理难度也不断加大。到目前为止，我国建成的最长的秦岭终南山隧道单洞全长 18004m。随着公路隧道长度不断增加，设计、施工和管理的难度也逐渐增加3- 6。 隧道在长期的运营及使用过程中，容易产生变形。在隧道施工阶段主要的技术 难点就是防止隧道坍塌，组织好对隧道变形的监测以及做好相关的地质预报工
15、作是 隧道施工成功与否的关键7,8。对隧道进行变形观测时，对隧道的拱顶进行位移监测 对于保障隧道施工的安全以及了解隧道的整体稳定性具有非常重要的作用。 目前国内外较常采用、比较成熟的对隧道拱顶位移监测的方法有精密水准测量 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 方法、静力水准仪法、三角高程测量方法、巴赛特收敛系统监测法、自动隧道断面 扫描系统监测法、自动化全站仪动态监测法9- 14。但是它们均存在明显的不足之处， 如传统的水准测量的方法，无论是采用精密水准测量方法还是静力水准仪法来监测 隧道拱顶位移，精度虽然均可以达到 0.5mm- 1.0mm，但是如果是在特大断面上作业 或者要测
16、量的是边墙的点，则悬挂钢尺或者立水准尺的时候存在困难，操作十分不 便。三角高程测量方法应用在对特大断面隧道拱顶下沉的监测当中，具有十分显著 的优势，测量精度也可以达到1.0mm，但是在施工的影响下，往往需要很强的光照 才能发现反光片的十字中心标志，尤其在粉尘很大的条件下，反光片甚至不能反光。 对于自动隧道断面扫描系统、巴赛特收敛系统和自动电子全站仪动态监测系统这些 自动监测系统，存在的最大的一个问题就是硬件成本高，虽然它们都实现了对隧道 拱顶下沉进行连续监测的功能，但是如果布置的监测断面过多，硬件成本将十分昂 贵。所以发展隧道变形监测的非接触方法具有非常重要的作用。 本课题是基于华中科技大学土木工程与力学学院隧道工程技术联合研究中心所 承接的鸦来公路北风垭隧道监控量测和宜巴高速公路平邑口隧道监控量测及超前地 质预报等项目为背景提出的。 1.2 数字图像处理及摄影测量技术在结构检测中的应用 1994 年西南交通大学吴世棋、孔健、张德强将近景摄影测量学技术应用于隧道
