基于計算機視覺對基坑變形監(jiān)測的運用分析

李 俊, 鄧樹密, 唐 堂

(1.中國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檢測有限責任公司，四川成都 610031)

我國地鐵交通的高速發(fā)展，大型基坑不斷涌現(xiàn)，這對基坑的安全施工和安全運營提出了更高的要求，特別是對基坑位移監(jiān)測系統(tǒng)的高精度監(jiān)測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儀進行位移監(jiān)測，存在效率低、目視誤差大的問題，監(jiān)測精度和監(jiān)測持續(xù)性都不能達到要求，且由于夜間或是惡劣天氣不便于監(jiān)測，無法做到24 h的監(jiān)測。計算機技術(shù)、微電子技術(shù)以及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，極大地提高計算機視覺技術(shù)和圖像采集設(shè)備的性能，在很多實際工程項目中采用計算機視覺對結(jié)構(gòu)位移進行監(jiān)測，取得了良好的效果[1-3]?；诮佑|式的位移傳感器、全站儀等變形監(jiān)測技術(shù)在工程項目中有廣泛的運用，但也存在不同程度的局限性，如受環(huán)境影響大，對現(xiàn)場施工存在干擾等。計算機視覺智能測量系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及智能災(zāi)變識別算法將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為變形數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)物的超高精度非接觸式實時測量，達到對結(jié)構(gòu)物健康狀況全天候監(jiān)測的目的。

計算機圖像視覺具有遠距離、非接觸、高精度、省時省力、多點監(jiān)測等眾多優(yōu)點。該方法主要是用相機拍攝被測結(jié)構(gòu)視頻、進行目標追蹤處理以得到測點在圖像中的運動軌跡，再通過圖像與現(xiàn)實世界的幾何關(guān)系確定結(jié)構(gòu)的位移信息。本文結(jié)合錦城廣場P+R 地下停車場項目基坑施工過程中自動變形監(jiān)測工程實例，計算機圖像視覺對基坑側(cè)壁沉降和水平位移監(jiān)測進行了研究和探討。

1 計算機視覺位移監(jiān)測系統(tǒng)組成及原理

計算機視覺位移監(jiān)測系統(tǒng)是一種無接觸、快速測量技術(shù)，是實現(xiàn)測量自動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。采用基于機器視覺的位移監(jiān)測系統(tǒng)組成，包括遠攝鏡頭的前端固定連接有非可見光濾鏡，遠攝鏡頭的后端固定連接有機器視覺傳感器，機器視覺傳感器下方固定連接有伺服電機，機器視覺傳感器和伺服電機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)遠傳模塊數(shù)據(jù)線連接，多個非可見光標定物固定在機器視覺傳感器監(jiān)測的建筑基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)遠傳模塊與遠程數(shù)據(jù)接收模塊無線連接，遠程數(shù)據(jù)接收模塊上設(shè)置有報警模塊。

在待測結(jié)構(gòu)物上布觀察靶標，通過機器視覺智能測量儀識別結(jié)構(gòu)物上的靶標圖像，當被測結(jié)構(gòu)物發(fā)生位移時，靶標坐標隨之變化，從而測量到被測物的水平與垂直雙向位移。監(jiān)測系統(tǒng)通過內(nèi)置的圖像增強邊緣計算軟件將圖像轉(zhuǎn)化為二維位移數(shù)據(jù)，無線上傳至遠程在線監(jiān)測云平臺，供工作人員實時了解現(xiàn)場結(jié)構(gòu)物的工作狀況。

本視覺測量技術(shù)核心是運用基于計算機圖像處理方法對采集圖像信號進行處理，分析圖像信息，并提取圖像的尺寸、角度、面積、位置等特征，同時結(jié)合相機計算出目標的空間位置坐標[4]。為了消除圖像光照不均勻，首先對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)算法識別靶點區(qū)域，獲取最優(yōu)靶點中心坐標。為提高識別精度，合理設(shè)置相機內(nèi)參數(shù)、外參數(shù)和畸變參數(shù)，并采標定方法補償相機標定誤差。最后，建立基于實際測量對象分析類別，通過三維相似性進行對象識別，從而實現(xiàn)實時測量。靶點算法框架如圖1所示。

圖1 多目標優(yōu)化靶點中心算法框架

該監(jiān)測系統(tǒng)為提高測量系統(tǒng)的識別精度，采用K-Means算法應(yīng)用于基坑位移監(jiān)測中的光靶邊緣提取。對于鏡頭徑向畸變、傾斜幾何變形導(dǎo)致的系統(tǒng)的誤差，監(jiān)測系統(tǒng)通過相機內(nèi)參數(shù)與外參數(shù)求解目標像素坐標(圖像坐標系)到場景坐標(世界坐標系)變換來減少誤差。同時，對于目標的觀察靶標中心位置估算，利用高斯中心法，假設(shè)光靶中心的像素點分布滿足高斯概率分布，估計出參數(shù)后，用高斯模型反向估計觀察靶標中心位置，從而快速識別。當試系統(tǒng)于目標圖像存在相對位移時，靶點中心的位移實時傳輸回系統(tǒng)顯示位移量值的變化。 測點系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 測點系統(tǒng)原理示意

2 工程實例

錦城廣場綜合換乘服項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 。場地內(nèi)共有 3 條城市軌道交通線穿過，地鐵 29 號線，16 號線和18號線。錦城廣場站土層分布如圖4所示。

圖3 基坑現(xiàn)場

圖4 錦城廣場站土層分布概況

3 監(jiān)測方案

在本項目中，為準確獲取基坑開挖過程中，采用機器視覺測量的技術(shù)既有結(jié)構(gòu)支護的位移變化情況。通過計算機圖像視覺處理系統(tǒng)獲取靶點圖像，利用圖像處理分析技術(shù)對靶點中心位移進行計算，得出測點隨基坑開挖各個階段下各測點的變形位移值、進而計算測點位移速率和統(tǒng)計累計位移量。根據(jù)獲取的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)對監(jiān)測點進行計算分析，當基坑控制測點變形情況超過方案設(shè)置的變形預(yù)警值時，該監(jiān)測系統(tǒng)將會預(yù)警，供監(jiān)測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)測測點

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

表1 基坑變形監(jiān)測項目

經(jīng)過計算得到18號線錦城廣場站既有車站結(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，土體開挖會造成18號線既有車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的豎向沉降。當三角區(qū)蓋板位置開挖3 m和6 m時，18號線既有車站結(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。通過對計算數(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號線既有車站結(jié)構(gòu)豎向變形云圖(單位:mm)

表2 18號線既有車站結(jié)構(gòu)豎向變形總量

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

4 監(jiān)測結(jié)果分析

本項目采用上述基于計算圖像視覺監(jiān)測設(shè)備，分析基坑土體開挖會造成18號線既有車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向沉降，結(jié)合計算模型中基坑最大變形量的關(guān)鍵位置，對18號地鐵線對應(yīng)基坑的CX6～CX8安裝了3個視覺圖像測試點進行監(jiān)測。現(xiàn)場測試如圖7所示。通過對7天不間斷連續(xù)監(jiān)測變形，測試見圖8。

圖7 現(xiàn)場測試

由圖8可知，圖像測點應(yīng)變在7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)。在測試過程中，測試設(shè)備工作正常，性能穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)能準確反映結(jié)構(gòu)變形特征。

圖8 CX8水平位移隨時間變化曲線(2021-6-5～2021-6-12)

5 結(jié)論

本項目中采用一種基于機器視覺的非接觸式對基坑變形位移測量方法，結(jié)合基坑現(xiàn)場測試驗證了該方法的可行性和有效性。計算機圖像視覺對結(jié)構(gòu)位移的監(jiān)測室非接觸、高精度、實時采集分析的特點，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的微小變形進行測量。該測量方法可推廣用于其他結(jié)構(gòu)的位移測量，為我國建筑結(jié)構(gòu)的運行安全監(jiān)測提供一定的技術(shù)支持。