基坑開挖實(shí)時位移監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究

徐接武

現(xiàn)今，基坑監(jiān)測方式多樣，主要包括視準(zhǔn)線法、小角度法、極坐標(biāo)法以及前方交會法等[1-2]。而借助經(jīng)緯儀或全站儀進(jìn)行基坑水平位移監(jiān)測的傳統(tǒng)方式無法實(shí)現(xiàn)動態(tài)化、實(shí)時化位移[1-4]。

近年來，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，監(jiān)測技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)字圖像測量成為新時代動態(tài)化監(jiān)測的代表，此方法主要借助攝像機(jī)、照相機(jī)等拍攝物體的運(yùn)動過程得到數(shù)字圖像，對于此類數(shù)字圖像可借助數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行識別定位與跟蹤，而后利用分析算法，對目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時化測量。目前國內(nèi)外已有諸多這方面的研究，然而大部分的學(xué)者在開發(fā)設(shè)備時，考慮的是單點(diǎn)的位移，費(fèi)時費(fèi)力，而且很難做到各個目標(biāo)點(diǎn)同時監(jiān)測，造成數(shù)據(jù)誤差[5-6]。為此，本文提供了一種新的基于數(shù)字圖像技術(shù)的基坑開挖測量多目標(biāo)系統(tǒng)，并進(jìn)行了工程應(yīng)用，取得了較好的社會效益。

1.設(shè)備開發(fā)準(zhǔn)備

本文基于數(shù)字圖像測量方法，建立了一種單一攝像機(jī)多個目標(biāo)快速定位、監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝簡單，無需考慮相機(jī)安裝位置、鏡頭參數(shù)等信息，安裝完畢后整體標(biāo)定，將系統(tǒng)誤差進(jìn)行整體標(biāo)定考慮，提高了測量精度，并且算法簡單，代碼執(zhí)行效率高，適合長期野外工作環(huán)境。當(dāng)基坑開挖過程中出現(xiàn)的水平位移超過設(shè)定閾值后系統(tǒng)將報(bào)警，并通過激光燈指示到報(bào)警位置，指導(dǎo)現(xiàn)場人員立刻對該區(qū)域進(jìn)行加固和維修，以防基坑坍塌或更嚴(yán)重的事故發(fā)生。當(dāng)有多個目標(biāo)出現(xiàn)報(bào)警時，激光燈輪流指示各個目標(biāo)。

本文探討的基坑開挖監(jiān)測借助如下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)：建構(gòu)實(shí)時水平位移監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)中包含中控電腦、1 臺攝像機(jī)（安裝在基坑附近、監(jiān)測多個目標(biāo)）、1 部云臺、1 臺激光燈（安裝于云臺上方）；其中的攝像機(jī)雖然只有一臺，但仍然可以實(shí)時測量多個測點(diǎn)，實(shí)時監(jiān)測基坑開挖中的動態(tài)水平位移，攝像機(jī)與電腦相連，中控電腦對攝像機(jī)進(jìn)行控制，攝像機(jī)中拍攝的內(nèi)容傳送至中控電腦，而后向云臺發(fā)送指令，最后激光燈開啟并指向報(bào)警目標(biāo)。一臺攝像機(jī)、云臺固定安裝，激光燈安裝在云臺上，多臺攝像機(jī)與云臺之間的安裝、位置關(guān)系等無需特別要求。云臺可以繞x 軸和y 軸360°旋轉(zhuǎn)，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值后，云臺轉(zhuǎn)動到指定位置并開啟激光燈指示工作人員進(jìn)行檢查。工程中固定好各個儀器設(shè)備，要求各個設(shè)備安裝穩(wěn)定牢固，激光燈安裝于云臺上，不需要測量云臺與攝像機(jī)之間的位置關(guān)系。將所有的設(shè)備連接到中控電腦上，并進(jìn)行初始整體標(biāo)定，標(biāo)定各個攝像機(jī)與云臺之間的對應(yīng)關(guān)系，存入中控電腦中。

2.標(biāo)定辦法

假定云臺所在的坐標(biāo)系為XYZ，激光燈安裝在云臺上，如圖1所示。繞X 軸轉(zhuǎn)動可以改變激光燈遠(yuǎn)近，繞Z 軸轉(zhuǎn)動可以改變激光燈指向左或者右。繞X 軸轉(zhuǎn)動的角度記為α，繞Z 軸旋轉(zhuǎn)的角度記為β。假定整體坐標(biāo)系為xyz，則當(dāng)有多個監(jiān)測目標(biāo)時，首先打開激光燈并轉(zhuǎn)動云臺到指定位置記錄下云臺（α1，1，β1，1），同時記錄下目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)在整體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（X1，1，Y1，1）；依次轉(zhuǎn)動云臺指向各個目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)，并分別記錄下云臺的位置坐標(biāo)（αi，j，βi，j）（i 表示行坐標(biāo)，j 表示列坐標(biāo)），相機(jī)中也得到了相應(yīng)點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（Xi，j，Yi，j）?；谏鲜鰳?biāo)定后建構(gòu)整體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（Xi，j，Yi，j），其與云臺轉(zhuǎn)角（αi，j，βi，j）之間形成的關(guān)系一一對應(yīng)。通過整體標(biāo)定后，當(dāng)給定整體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（Xi，j，Yi，j），即可找到其云臺轉(zhuǎn)角（αi，j，βi，j），關(guān)于兩者的對應(yīng)關(guān)系整體標(biāo)定后由中控電腦完成并存入存儲器中，不同的工程需要重新標(biāo)定。相機(jī)坐標(biāo)系與云臺坐標(biāo)系之間的關(guān)系不會直接影響整體標(biāo)定，因此施工安裝更為簡單便捷，同時，由于整體標(biāo)定中包含了坐標(biāo)系之間的關(guān)系、鏡頭畸變、系統(tǒng)誤差等情況，因此所得到的對應(yīng)關(guān)系不再重新考慮，有效降低了復(fù)雜性，提高了計(jì)算精度，提高了代碼的執(zhí)行效率。

整體標(biāo)定時，標(biāo)定所用的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)越多則計(jì)算精度越高，當(dāng)計(jì)算得到的點(diǎn)不在標(biāo)定點(diǎn)上時，如圖1 所示的藍(lán)色點(diǎn)，該點(diǎn)位于四個標(biāo)定點(diǎn)之間，此時還需再做處理。根據(jù)上述建立的相機(jī)坐標(biāo)（Xi，j，Yi，j）與云臺角度（αi，j，βi，j）的對應(yīng)關(guān)系，在識別出目標(biāo)后即得到相機(jī)坐標(biāo)系下P 點(diǎn)的坐標(biāo)（Xp，Yp），由于該點(diǎn)不在標(biāo)定點(diǎn)上，位于該點(diǎn)四周的點(diǎn)分別為（Xi，j，Yi，j）、（Xi+1，j，Yi+1，j）、（Xi+1，j+1，Yi+1，j+1）、（Xi，j+1，Yi，j+1），再根據(jù)相應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系得到這四個點(diǎn)所對應(yīng)的云臺位置分別為（αi，j，βi，j）、（αi+1，j，βi+1，j）、（αi+1，j+1，βi+1，j+1）、（αi，j+1，βi，j+1）。識別的目標(biāo)點(diǎn)P 不在標(biāo)識點(diǎn)上時，需按照其周圍的四個點(diǎn)進(jìn)行插值計(jì)算，具體的計(jì)算方法如下（如圖2所示）：

圖1 數(shù)字圖像中的位置與云臺角度之間的對應(yīng)關(guān)系

圖2 等參元插值計(jì)算

將P 點(diǎn)坐標(biāo)（Xp，Yp）與其周圍的四個標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)分別代入公式（1）和（2）即可以求解出參數(shù) 。

如圖2 所示，當(dāng)求解出ξ，η后，根據(jù)已知的四個標(biāo)定點(diǎn)所對應(yīng)的云臺角度，則按照下面方法計(jì)算點(diǎn)P 所對應(yīng)的云臺角度：

當(dāng)目標(biāo)位于標(biāo)定點(diǎn)上時，則目標(biāo)快速定位的精度與圖像識別精度一致；當(dāng)目標(biāo)位于標(biāo)定點(diǎn)之外時，則目標(biāo)快速定位需要通過周圍四個標(biāo)定點(diǎn)計(jì)算得到，因此其精度與標(biāo)定點(diǎn)間距（即標(biāo)定點(diǎn)分辨率）有關(guān)。當(dāng)標(biāo)定點(diǎn)的分辨率為Mx×My時，相機(jī)所拍攝畫面的分辨率為Nx×Ny，則標(biāo)定點(diǎn)之間的像素為Nx/（Mx-1）×Ny/（My-1），標(biāo)定點(diǎn)之間的任意一點(diǎn)計(jì)算精度為：

其中：ΔXp、ΔYp、ΔXi+m,j+n和 ΔYi+m,j+n分別表示圖像識別的誤差。從公式（5）、（6）可以看出標(biāo)定點(diǎn)間距越小，即標(biāo)定數(shù)據(jù)點(diǎn)越多，則計(jì)算兩個標(biāo)定點(diǎn)之間的精度也越高。例如距離100m 位置處，相機(jī)分辨率為1280×1024，其中ΔX、ΔY為圖像在x 和y 方向上的識別精度。

3.實(shí)時水平位移測量

采用合作標(biāo)志板能夠有效地提高計(jì)算精度，本發(fā)明專利采用的目標(biāo)合作標(biāo)志板如圖3 所示，該標(biāo)志板包括條形碼（存儲了標(biāo)志板的數(shù)據(jù)和類型）、黑白標(biāo)志5 個（其中4 個圓形，一個方形），黑白標(biāo)志之間為刻度線。

圖3 合作標(biāo)志板

在基坑周圍布置多個標(biāo)志板，根據(jù)上述的標(biāo)定方法得到激光燈與標(biāo)志板之間的對應(yīng)關(guān)系，對于每一個標(biāo)志板，其測量方法相同，具體如下：

首先讀取條形碼識別標(biāo)志板類型，中控電腦調(diào)出該標(biāo)志板的數(shù)據(jù)，例如水平兩個圓形黑白標(biāo)志距離Llr，豎向兩個圓形黑白標(biāo)志距離Ltd?；趫D像識別原理進(jìn)行識別，然后分別計(jì)算出4 個圓形黑白標(biāo)志和中心方形黑白標(biāo)志的圖像像素坐標(biāo)，可以得到坐標(biāo)分別為左標(biāo)志（Pxl，Pyl）、右標(biāo)志（Pxr，Pyr）、上標(biāo)志（Pxt，Pyt）、下標(biāo)志（Pxd，Pyd）以及中間標(biāo)志（Pxo，Pyo）。

根據(jù)圓形黑白的四個點(diǎn)即可以得到這四個點(diǎn)所在的區(qū)域內(nèi)的圖像像素與坐標(biāo)之間的關(guān)系。當(dāng)中間方形黑白標(biāo)識點(diǎn)變化時，圖像像素坐標(biāo)變?yōu)椋╭xo，qyo），就可以通過計(jì)算得到其在該合作標(biāo)志板面內(nèi)的水平和豎向位移。

設(shè)采集得到的標(biāo)志板圖像左右及上下標(biāo)志間為m 像素，Ltd、Llr實(shí)際尺寸為H 毫米，實(shí)際尺寸的偏差為Δ 毫米，則測量結(jié)果的誤差估計(jì)值為：

采用亞像素定位技術(shù)，儀器可采集分辨率1280×1024 的圖像，儀器視場角為±15 分。設(shè)取m=1000，H=500mm，Δ=1mm，δ=0.2，則按式（1）計(jì)算得到的測量結(jié)果的誤差估計(jì)值為0.1mm。

4.工程應(yīng)用

設(shè)備開發(fā)后在建發(fā)領(lǐng)湖花園基坑工程中進(jìn)行了應(yīng)用，其目的是用來測量開挖過程中的實(shí)時動態(tài)位移，現(xiàn)場布置了多個測量點(diǎn)，各個測量點(diǎn)的標(biāo)志牌采用黑白相間的標(biāo)志牌，該標(biāo)志牌識別精度較高，計(jì)算量小。攝像頭CCD 采用分辨率1280×1024，鏡頭為800mm 可調(diào)焦距的鏡頭，實(shí)時采集并處理，每秒鐘采樣頻率是30 幀。電腦采用普通的PC 機(jī)，配置是I3 或者以上。具體的工程現(xiàn)場布置和安裝調(diào)試與實(shí)驗(yàn)室相同，現(xiàn)場以及儀器安裝如圖4 所示。

圖4 測量裝置

由于現(xiàn)場正在施工，在挖掘機(jī)附近的測點(diǎn)振動較大，各個測點(diǎn)的測量結(jié)果如圖5 所示，系統(tǒng)操作界面見圖6，從測量數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)挖掘機(jī)挖土的時候產(chǎn)生的振動較大，波形跳動加劇。

圖5 各個測點(diǎn)的測量結(jié)果

圖6 操作系統(tǒng)照片

5.結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字圖像實(shí)時監(jiān)測基坑開挖水平位移的方法，并進(jìn)行了工程應(yīng)用，取得了如下結(jié)論：

（1）該方法建立了一種單一攝像機(jī)多目標(biāo)快速定位、監(jiān)測的系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝簡單，無需考慮相機(jī)安裝位置、鏡頭參數(shù)等信息，安裝完畢后整體標(biāo)定，將系統(tǒng)誤差進(jìn)行整體標(biāo)定考慮。

（2）本方法提高了測量精度，并且算法簡單，代碼執(zhí)行效率高，適合長期野外工作環(huán)境。

（3）當(dāng)基坑開挖過程中出現(xiàn)水平位移超過設(shè)定的閾值時系統(tǒng)將作出報(bào)警，并通過激光燈指示報(bào)警位置，指導(dǎo)現(xiàn)場人員立刻對該區(qū)域進(jìn)行加固和維修，以防基坑坍塌或更嚴(yán)重的事故發(fā)生。