基于計(jì)算機(jī)視覺對(duì)基坑變形監(jiān)測(cè)的運(yùn)用分析

李 俊, 鄧樹密, 唐 堂

(1.中國(guó)水利水電第十工程局有限公司， 四川成都 610072;2.四川華騰公路試驗(yàn)檢測(cè)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

我國(guó)地鐵交通的高速發(fā)展，大型基坑不斷涌現(xiàn)，這對(duì)基坑的安全施工和安全運(yùn)營(yíng)提出了更高的要求，特別是對(duì)基坑位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高精度監(jiān)測(cè)日趨突顯出其重要性。目前主要是人工使用全站儀或是水準(zhǔn)儀進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，存在效率低、目視誤差大的問題，監(jiān)測(cè)精度和監(jiān)測(cè)持續(xù)性都不能達(dá)到要求，且由于夜間或是惡劣天氣不便于監(jiān)測(cè)，無法做到24 h的監(jiān)測(cè)。計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，極大地提高計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和圖像采集設(shè)備的性能，在很多實(shí)際工程項(xiàng)目中采用計(jì)算機(jī)視覺對(duì)結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，取得了良好的效果[1-3]。基于接觸式的位移傳感器、全站儀等變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在工程項(xiàng)目中有廣泛的運(yùn)用，但也存在不同程度的局限性，如受環(huán)境影響大，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工存在干擾等。計(jì)算機(jī)視覺智能測(cè)量系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及智能災(zāi)變識(shí)別算法將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為變形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)物的超高精度非接觸式實(shí)時(shí)測(cè)量，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)物健康狀況全天候監(jiān)測(cè)的目的。

計(jì)算機(jī)圖像視覺具有遠(yuǎn)距離、非接觸、高精度、省時(shí)省力、多點(diǎn)監(jiān)測(cè)等眾多優(yōu)點(diǎn)。該方法主要是用相機(jī)拍攝被測(cè)結(jié)構(gòu)視頻、進(jìn)行目標(biāo)追蹤處理以得到測(cè)點(diǎn)在圖像中的運(yùn)動(dòng)軌跡，再通過圖像與現(xiàn)實(shí)世界的幾何關(guān)系確定結(jié)構(gòu)的位移信息。本文結(jié)合錦城廣場(chǎng)P+R 地下停車場(chǎng)項(xiàng)目基坑施工過程中自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)工程實(shí)例，計(jì)算機(jī)圖像視覺對(duì)基坑側(cè)壁沉降和水平位移監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究和探討。

1 計(jì)算機(jī)視覺位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及原理

計(jì)算機(jī)視覺位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種無接觸、快速測(cè)量技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化和智能化有效工具，具有安全可靠和效率高等突出優(yōu)點(diǎn)。采用基于機(jī)器視覺的位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，包括遠(yuǎn)攝鏡頭的前端固定連接有非可見光濾鏡，遠(yuǎn)攝鏡頭的后端固定連接有機(jī)器視覺傳感器，機(jī)器視覺傳感器下方固定連接有伺服電機(jī)，機(jī)器視覺傳感器和伺服電機(jī)分別與微電腦處理器數(shù)據(jù)線連接，微電腦處理器還與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊數(shù)據(jù)線連接，多個(gè)非可見光標(biāo)定物固定在機(jī)器視覺傳感器監(jiān)測(cè)的建筑基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收模塊無線連接，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收模塊上設(shè)置有報(bào)警模塊。

在待測(cè)結(jié)構(gòu)物上布觀察靶標(biāo)，通過機(jī)器視覺智能測(cè)量?jī)x識(shí)別結(jié)構(gòu)物上的靶標(biāo)圖像，當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)物發(fā)生位移時(shí)，靶標(biāo)坐標(biāo)隨之變化，從而測(cè)量到被測(cè)物的水平與垂直雙向位移。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過內(nèi)置的圖像增強(qiáng)邊緣計(jì)算軟件將圖像轉(zhuǎn)化為二維位移數(shù)據(jù)，無線上傳至遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，供工作人員實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)物的工作狀況。

本視覺測(cè)量技術(shù)核心是運(yùn)用基于計(jì)算機(jī)圖像處理方法對(duì)采集圖像信號(hào)進(jìn)行處理，分析圖像信息，并提取圖像的尺寸、角度、面積、位置等特征，同時(shí)結(jié)合相機(jī)計(jì)算出目標(biāo)的空間位置坐標(biāo)[4]。為了消除圖像光照不均勻，首先對(duì)RGB數(shù)字圖像灰度處理，再通過濾波去除相應(yīng)噪聲，利用相關(guān)算法識(shí)別靶點(diǎn)區(qū)域，獲取最優(yōu)靶點(diǎn)中心坐標(biāo)。為提高識(shí)別精度，合理設(shè)置相機(jī)內(nèi)參數(shù)、外參數(shù)和畸變參數(shù)，并采標(biāo)定方法補(bǔ)償相機(jī)標(biāo)定誤差。最后，建立基于實(shí)際測(cè)量對(duì)象分析類別，通過三維相似性進(jìn)行對(duì)象識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。靶點(diǎn)算法框架如圖1所示。

圖1 多目標(biāo)優(yōu)化靶點(diǎn)中心算法框架

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為提高測(cè)量系統(tǒng)的識(shí)別精度，采用K-Means算法應(yīng)用于基坑位移監(jiān)測(cè)中的光靶邊緣提取。對(duì)于鏡頭徑向畸變、傾斜幾何變形導(dǎo)致的系統(tǒng)的誤差，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過相機(jī)內(nèi)參數(shù)與外參數(shù)求解目標(biāo)像素坐標(biāo)(圖像坐標(biāo)系)到場(chǎng)景坐標(biāo)(世界坐標(biāo)系)變換來減少誤差。同時(shí)，對(duì)于目標(biāo)的觀察靶標(biāo)中心位置估算，利用高斯中心法，假設(shè)光靶中心的像素點(diǎn)分布滿足高斯概率分布，估計(jì)出參數(shù)后，用高斯模型反向估計(jì)觀察靶標(biāo)中心位置，從而快速識(shí)別。當(dāng)試系統(tǒng)于目標(biāo)圖像存在相對(duì)位移時(shí)，靶點(diǎn)中心的位移實(shí)時(shí)傳輸回系統(tǒng)顯示位移量值的變化。 測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)原理示意

2 工程實(shí)例

錦城廣場(chǎng)綜合換乘服項(xiàng)目位于成都市高新南區(qū)大魔方南側(cè)，繞城高速北側(cè)，西臨環(huán)球中心，東臨科華南路，見圖3 。場(chǎng)地內(nèi)共有 3 條城市軌道交通線穿過，地鐵 29 號(hào)線，16 號(hào)線和18號(hào)線。錦城廣場(chǎng)站土層分布如圖4所示。

圖3 基坑現(xiàn)場(chǎng)

圖4 錦城廣場(chǎng)站土層分布概況

3 監(jiān)測(cè)方案

在本項(xiàng)目中，為準(zhǔn)確獲取基坑開挖過程中，采用機(jī)器視覺測(cè)量的技術(shù)既有結(jié)構(gòu)支護(hù)的位移變化情況。通過計(jì)算機(jī)圖像視覺處理系統(tǒng)獲取靶點(diǎn)圖像，利用圖像處理分析技術(shù)對(duì)靶點(diǎn)中心位移進(jìn)行計(jì)算，得出測(cè)點(diǎn)隨基坑開挖各個(gè)階段下各測(cè)點(diǎn)的變形位移值、進(jìn)而計(jì)算測(cè)點(diǎn)位移速率和統(tǒng)計(jì)累計(jì)位移量。根據(jù)獲取的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，當(dāng)基坑控制測(cè)點(diǎn)變形情況超過方案設(shè)置的變形預(yù)警值時(shí)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)預(yù)警，供監(jiān)測(cè)人員分析判斷基坑安全性。綜合換乘車站群建模分布如圖5所示。

圖5 綜合換乘車站群建模分布示意

3.1 監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)位置要求應(yīng)滿足GB 50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》和JGJ8-2016《建筑變形測(cè)量規(guī)范》文件相關(guān)規(guī)定，本工程監(jiān)測(cè)方法及精度要求如表1所示。

表1 基坑變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

經(jīng)過計(jì)算得到18號(hào)線錦城廣場(chǎng)站既有車站結(jié)構(gòu)豎向變形云圖如圖6所示。

由圖6可知，錦城廣場(chǎng)綜合換乘服務(wù)中心三角換乘區(qū)域施工過程中，土體開挖會(huì)造成18號(hào)線既有車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的豎向沉降。當(dāng)三角區(qū)蓋板位置開挖3 m和6 m時(shí)，18號(hào)線既有車站結(jié)構(gòu)豎向沉降區(qū)域集中在通道一期位置，主要位于基坑開挖位置上方。通過對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)的分析處理，得到基坑在開挖關(guān)鍵工況下豎向變形理論值，如表2所示。

圖6 18號(hào)線既有車站結(jié)構(gòu)豎向變形云圖(單位:mm)

表2 18號(hào)線既有車站結(jié)構(gòu)豎向變形總量

錦城廣場(chǎng)綜合換乘服務(wù)中心三角換乘區(qū)域施工過程中，基坑土體開挖3 m時(shí)，18號(hào)線既有車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生1.76 mm豎向沉降。當(dāng)開挖6 m時(shí)，18號(hào)線既有車站結(jié)構(gòu)豎向沉降達(dá)到2.04 mm。位移變化量0.28 mm，增大了16%。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本項(xiàng)目采用上述基于計(jì)算圖像視覺監(jiān)測(cè)設(shè)備，分析基坑土體開挖會(huì)造成18號(hào)線既有車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向沉降，結(jié)合計(jì)算模型中基坑最大變形量的關(guān)鍵位置，對(duì)18號(hào)地鐵線對(duì)應(yīng)基坑的CX6～CX8安裝了3個(gè)視覺圖像測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖7所示。通過對(duì)7天不間斷連續(xù)監(jiān)測(cè)變形，測(cè)試見圖8。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

由圖8可知，圖像測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)?天168 h內(nèi)(2021-6-5～2021-6-12)，最大沉降1.80 mm，未超過安全預(yù)警值，表明基坑在外部作用下結(jié)構(gòu)位移處于穩(wěn)定狀態(tài)。在測(cè)試過程中，測(cè)試設(shè)備工作正常，性能穩(wěn)定，測(cè)試數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)變形特征。

圖8 CX8水平位移隨時(shí)間變化曲線(2021-6-5～2021-6-12)

5 結(jié)論

本項(xiàng)目中采用一種基于機(jī)器視覺的非接觸式對(duì)基坑變形位移測(cè)量方法，結(jié)合基坑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。計(jì)算機(jī)圖像視覺對(duì)結(jié)構(gòu)位移的監(jiān)測(cè)室非接觸、高精度、實(shí)時(shí)采集分析的特點(diǎn)，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的微小變形進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)量方法可推廣用于其他結(jié)構(gòu)的位移測(cè)量，為我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)提供一定的技術(shù)支持。