基于機器視覺的綜合管廊沉降自動預警裝置的研制

林章

【摘 要】地下綜合管廊在市政建設中廣為應用。為了保障其結構安全，必須加強施工期的測量工作。本文提出了一種基于圖像處理的、針對地下綜合管廊沉降情況進行自動檢測并預警的裝置，并介紹了該裝置的系統運行原理、平臺搭建方法、圖像采集模塊和信息模塊的工作原理以及裝置在實際應用中的誤差處理方式。

【關鍵詞】圖像處理；綜合管廊；沉降檢測

【Abstract】Utility tunnel is widely used in the municipal construction.In order to ensure its structural safety，it is necessary to strengthen the measurement work during the construction period.This paper presents a device based on image processing for automatic detection and early warning of subsurface utility tunnel，and introduces the system operation principle，platform construction method，image acquisition module and information module working principle and device In the practical application of the error handling.

【Key words】Image processing；Utility tunnel；Settlement detection

0 前言

縱觀當今世界，發達國家已經把對城市地下空間的開發利用作為解決城市人口、資源、環境三大危機的重要措施和醫治“城市綜合證”、實施城市可持續發展戰略的重要途徑[1-2]。早在 19 世紀，法國、英國、德國等就開始興建地下綜合管廊。近年來地下綜合管廊在我國的城市市政建設中也得到了越來越廣泛的應用，為滿足城市市政管線設置、保護城市環境、實現城市的集約和可持續發展提供了有力的基礎設施保證[3]。

為確保綜合管廊結構安全，保證綜合管廊正常使用，在綜合管廊的施工中加強綜合管廊的測量工作是非常重要的，應引起足夠重視。綜合管廊的變形如果超過一定的限度就會影響到它的正常使用、危及建筑物的安全。在工程施工和工程使用期間應進行嚴密沉降觀測，通過對觀測數據研究和分析沉降原因及其發展的趨勢，及時采取措施，以保障工程的施工和使用安全，并通過對沉降觀測數據的分析，結合地質資料，綜合分析研究其他沉降的規律，對其穩定性進行評價。

1 國內外同類研究工作現狀

國內外專門針對綜合管廊沉降的檢測研究比較少，但是對高層建筑、公路路基、隧道工程等構建物的沉降測量研究比較多。目前對建筑物沉降測量方法主要有以下4類：

1）水準測量法

水準測量法是建筑物測量中最為常見的一種方法，是利用水準儀確定基準點和沉降監測點，通過沉降監測點的變化來分析建筑物的沉降情況。這種方法適用性強、精度高，適用于與不同條件下的建筑物，是應用最廣泛的沉降測量方法。

2）全自動測量法

目前，集測距儀、電子經緯儀等優點于一身的全站儀在沉降測量中得到了廣泛的應用，能夠實現全天候、全方位、高精度的全自動檢測。

3）傳感器測量法

這份測量法是利用傳感器來講沉降量轉化為電信號進行測量，比如利用變面積式電容傳感器進行沉降測量，這種測量方式更為可靠、精確，且能實時反應沉降的變化[4]。

4）數字化攝影測量法

數字化攝影技術是一種利用被攝物來重建物體空間位置和三維性狀的技術，該技術目前在快速繪制大型建筑遺址、國防建設等方面均有應用，尤其適用于重要工程的變形和全自動生產線檢測、彈體運動軌跡等不可接觸的物體測量中[5]。

傳統的沉降觀測一般是進行周期性的觀測，存在不連續，間隔周期較長，程序復雜和應急能力不足的問題。本文研制的管廊沉降自動預警裝置在沉降觀測的過程是全自動并且連續觀測的，無需人員下到綜合管理，減少了人力財力，同時也保證了的綜合管廊在施工建設和使用中的安全。

2 系統方案設計

2.1 系統原理框圖

基于機器視覺的綜合管廊沉降自動預警裝置由圖像采集模塊、信息處理模塊和顯示及預警模塊組成。其具體框圖如圖1所示。

2.2 自動預警裝置的搭建

自動預警裝置構成圖如圖2所示。自動預警裝置主要由激光發射點、激光接收面板、攝像頭、數據處理主機和報警喇叭。激光發射點設置在沉降觀測點，距離激光接收面板30米以上，要求激光采用功率較大，本裝置中采用50mW射程達200米以上的綠色激光，具有光斑直徑小、易被攝像頭識別等特點。由于落在激光接收面板上比較明顯，周圍干擾較少，故采用一般的USB攝像頭即可。數據處理主機的作用是：處理攝像頭采集的數據、存儲和比對數據、輸出報警信號到喇叭，性能要求比較低，采用運行簡易Windows系統的樹莓派主機，具有低功耗、小巧便攜方便等特點。本裝置的運行過程如下，在沉降觀測點設置激光發射點，激光發射點射到距離沉降觀測點30米以上激光接收面板上，要求激光發射點與激光接收面板之間無遮擋物。攝像頭采集激光面板上的包含激光點的圖像，傳輸給數據處理主機。數據處理主機通過圖像處理識別激光點所在位置并進行存儲。一段時間后再次進行測量，將數據與之前的數據進行比對，如果激光點發生較大的位置偏移，則說明沉降觀測點發生了較大的沉降，數據處理主機則驅動喇叭進行報警。

2.3 圖像采集和處理模塊

本文研制的裝置要實現自動對沉降點進行監控并（下轉第242頁）（上接第175頁）在發生較大沉降時實現報警，要實現所需功能，圖像采集和處理模塊非常重要。首先要完成激光面板上激光點圖像的采集，并數據處理主機；其次數據處理主機對采集的圖像做濾波、均衡化、二值化等預處理使其達到最佳視覺效果；接著對圖像進一步處理以提取特征，進行圖像的存儲和比對；最后判斷是否有超過預設的沉降值，如超出則驅動喇叭進行報警。圖像采集和處理模塊工作示意圖如圖3所示。

圖像采集和處理模塊由USB攝像頭和樹莓派主機組成。由于數據采集在綜合管廊內部實現，光線變化不大，同時對圖像清晰度要求不高，故采用比較廉價的USB攝像頭。圖像采集及處理的軟件是在一般PC機上利用C++語言配合OpenCV庫函數編寫的，環境是Visual Studio 2010平臺，這樣有利于調試和加快編程速度。調試和編譯完成后，安裝在運行簡易版Windows系統的樹莓派主機上實現圖像采集和處理任務。

2.4 自動預警裝置誤差處理

由于自動預警裝置是安裝在綜合管廊內部檢測沉降的，有些特殊的情況需要克服：1）綜合管廊里可能存在光照不足的情況，為防止影響激光接收面板圖像的采集，應在面板附近布置穩定的光源，保證圖像采集時光照強度一樣；2）如果綜合管廊上部有車輛通過等會引起震動的情況出現，會影響單次的沉降點檢測，所以自動預警裝置應該在一定時間段內采集多個數據，利用一定的算法對采集的數據進行篩選處理來排除綜合管廊因為震動引起的沉降變化誤差；3）沉降觀測點的激光發射器必須固定，不能移動，否則會造成最終的測量有誤差，同時在測量時，要保證激光點到達激光接收面板的路徑上沒有遮擋。

3 結語

綜合管廊與一般的建筑物不同，只有設計、施工、維護等專業人員才可在特定時間進入，而且進入不便，另外地下管廊存在光照不足等影響沉降測量的問題，所以一般常規的沉降測量方法不合適于綜合管廊沉降的測量。本課題研制的自動沉降預警裝置，能夠在無人進入綜合管廊的情況下，自動完成沉降的觀測工作，并能將測量結果反饋到地面的主控主機供專業人員隨時查詢。同時，如果沉降量大于預警值，也能自動發出報警，及時提醒相關部門及人員，保護綜合管廊的安全。

【參考文獻】

[1]易萍麗.現代隧道設計與施工[M].中國鐵道出版社，1997.

[2]王夢恕.21世紀是隧道及地下空間大發展的年代[J].隧道建設，NO.1，2000.

[3]樓可為.城市綜合管廊的經濟分析及對策建議[J].現代經濟下行，2012（3）.

[4]王哲，呂彥.激光傳感器在建筑物沉降測量中的應用[J].應用技術，2013（2）.

[5]王小萬，王婭.建筑工程沉降測量方法[J].勘察測繪，2015（5）.

[責任編輯：田吉捷]