建筑施工現(xiàn)場基坑工程目標(biāo)數(shù)據(jù)采集仿真

何永福,張 鋒

(江蘇海洋大學(xué)土木與港海學(xué)院,江蘇 連云港 222001)

1 引言

大型基坑建筑施工項(xiàng)目屬于高度動態(tài)的過程,施工工藝和施工管理都十分復(fù)雜,因此,運(yùn)用先進(jìn)的施工技術(shù),增強(qiáng)施工質(zhì)量[1,2]、施工效率與施工管理的現(xiàn)代化水平,是每個(gè)施工單位都想實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。數(shù)字化施工是指利用計(jì)算機(jī)、定位、自動控制和可視化技術(shù),實(shí)現(xiàn)基坑工程的數(shù)字化、信息化、智能化和可視化,以實(shí)現(xiàn)工程現(xiàn)代化[3-5]。

當(dāng)前,數(shù)據(jù)采集方法容易受到噪聲數(shù)據(jù)的影響,存在數(shù)據(jù)采集精度不高的問題,如盾構(gòu)施工現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)采集方法[6]和Web嵌入的網(wǎng)絡(luò)地圖地理信息矢量數(shù)據(jù)采集方法[7],因此,對數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行改進(jìn)是當(dāng)前研究的重中之重。為客戶提供準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)與評估結(jié)果,能夠幫助精準(zhǔn)評判基坑工程本身與附近區(qū)域是否安全,是基坑數(shù)據(jù)采集的目的之一。基坑工程施工全過程包括:支護(hù)結(jié)構(gòu)施工,基坑降水、挖掘、使用、支撐拆除以及地下水恢復(fù)等,上述步驟均會導(dǎo)致支護(hù)裝置與坑內(nèi)外土質(zhì)發(fā)生變化。因此,本文提出了大型基坑工程數(shù)字化施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集方法。利用傳感器采集基坑點(diǎn)位數(shù)據(jù),并去除干擾信息,得到的精準(zhǔn)數(shù)值能夠更好地建設(shè)基坑工程,保證檢測數(shù)據(jù)的科學(xué)性與評價(jià)的精準(zhǔn)性,降低工程事故發(fā)生概率。

2 數(shù)據(jù)采集方法設(shè)計(jì)

本文選用Kinect傳感器[8,9]采集基坑工程施工數(shù)據(jù),Kinect傳感器利用激光研究被測空間,并給出三維的體編碼,即激光散斑技術(shù)。激光斑點(diǎn)具有很強(qiáng)的隨機(jī)特性,每條光線均標(biāo)記編碼數(shù)據(jù),根據(jù)位置的不同,機(jī)器采集散斑陣列獲得的信息不一樣,為此,空間內(nèi)隨意兩個(gè)位置的散斑狀態(tài)均是不一致的。把目標(biāo)位置放在此空間中,對該位置表面的散斑情況實(shí)行解碼[10],就能夠獲得目標(biāo)的空間位置情況。

Kinect傳感器中包含紅外激光發(fā)射器、紅外攝像頭以及RGB攝像頭,通過設(shè)備得到深度信息的步驟為:先利用紅外激光發(fā)射器發(fā)出激光斑點(diǎn)到測量點(diǎn)位,紅外CMOS攝像頭承擔(dān)管理紅外發(fā)射器發(fā)出的信息的作用,再運(yùn)用反饋信息算出對應(yīng)點(diǎn)位的深度數(shù)據(jù)。

在大型基坑工程數(shù)字化施工現(xiàn)場不同位置的測量點(diǎn)位距離傳感器的長度不一致,反饋到紅外CMOS攝像頭獲得的數(shù)據(jù)就存在偏差,因此,需要計(jì)算深度資料是否位于感應(yīng)器視野范圍。通過將紅外激光光斑與參照模式的投影相比較,可以在不透光的目標(biāo)表面上計(jì)算出目標(biāo)位置k的偏移量。隨后測量所有點(diǎn)位,能夠獲得對應(yīng)的偏移數(shù),運(yùn)用式(1),計(jì)算施工現(xiàn)場相應(yīng)位置的深度數(shù)據(jù)

(1)

式中,Zk描述的是在目標(biāo)空間點(diǎn)k的深度;Z0描述的是參考平面的距離;f描述的是紅外攝像機(jī)的焦距;b描述的是基線長度;d描述的是點(diǎn)k的相應(yīng)偏移數(shù)值。其中,Z0、f、與b在攝像機(jī)出廠時(shí)參數(shù)已經(jīng)設(shè)定完畢。

為了保證直接采集的施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)保存速度,將傳感器采集頻率設(shè)置為30Hz,及時(shí)獲得施工現(xiàn)場的變化數(shù)據(jù)。并在傳感器測量時(shí)僅采集被測點(diǎn)位的深度數(shù),存儲成深度圖像,則各個(gè)像素點(diǎn)都包含相應(yīng)的深度信息,將全部像素點(diǎn)的圖像坐標(biāo)均變換至相機(jī)的三維坐標(biāo)

(Xk,Yk,Zk)中,相應(yīng)表達(dá)式為

(2)

(3)

式中,xk與yk描述的是圖像中點(diǎn)k的坐標(biāo);x0與y0描述的是原點(diǎn)坐標(biāo);?x與?y描述的是鏡頭畸變修正系數(shù)。上述參數(shù)能夠利用相機(jī)標(biāo)記得到。

根據(jù)式(2)和式(3)能夠得出施工現(xiàn)場全部點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)(Xk,Yk,Zk),獲得基坑整體表面的坐標(biāo)。

為了能夠得到精準(zhǔn)的施工現(xiàn)場數(shù)據(jù),需要剔除干擾信息,還要保留重要特征。將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割成兩種相鄰類型范圍,一種為特征數(shù)據(jù)較少的平坦范圍,另一種為特征數(shù)據(jù)較多的范圍。通過點(diǎn)云平均曲率實(shí)行鄰域分割,采用局部特征權(quán)重系數(shù)進(jìn)行區(qū)域分割。得知在點(diǎn)pi位置的平均曲率是Hi,采樣點(diǎn)在k附近范圍內(nèi)局部特征權(quán)重表達(dá)式為:

(4)

(5)

式中,n描述的是采集點(diǎn)個(gè)數(shù)。假設(shè)在點(diǎn)pi位置的局部特征權(quán)重比設(shè)置的閾值smax小,那么認(rèn)定pi是平坦區(qū)域中的點(diǎn),相反,假設(shè)在點(diǎn)pi位置的局部特征權(quán)重比閾值smax大,那么pi是屬于特征豐富范圍內(nèi)的。

運(yùn)用具有指向性的濾波方法剔除采集數(shù)據(jù)中的干擾數(shù)據(jù),針對平坦范圍存在少量特征的情況下,利用中值濾波器[11]進(jìn)行噪聲抑制,針對特征豐富的區(qū)域選用雙邊濾波[12,13]進(jìn)行降噪處理。

特征數(shù)據(jù)較少的平坦區(qū)域,由于曲率轉(zhuǎn)變較小,所以利用采樣點(diǎn)k附近范圍內(nèi)點(diǎn)到相鄰點(diǎn)平均距離的統(tǒng)計(jì)方法,剔除部分干擾此區(qū)域的數(shù)據(jù)。去噪之后檢測區(qū)域獲得的施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)p′表達(dá)式為

(6)

(7)

式中,j為正整數(shù)。

(8)

(9)

大型基坑工程數(shù)字化施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的具體環(huán)節(jié)為:

1)針對特征數(shù)據(jù)較少的平坦單位內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)pi,找到點(diǎn)k相鄰的全部點(diǎn);

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了證明所提方法能否準(zhǔn)確采集基坑施工現(xiàn)場相關(guān)數(shù)據(jù),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 工程概況

選用某大型商場工程作為研究對象,建筑面積大約36萬m2,地形地勢相對平坦,基坑外圍線長度大約是684m,擬建建筑設(shè)地下兩層,基坑挖掘面積為3620m2,支護(hù)長度為248m,挖掘深度為8-9m。圖1為基坑施工現(xiàn)場的平面示意圖。

圖1 基坑施工現(xiàn)場的平面示意圖

對圖1所示的基坑施工現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的布局和形狀如圖2所示。

圖2 基坑數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位布局圖

由圖2可知,在圍護(hù)樁頂部豎立方向、水平位移一共設(shè)置15個(gè)采集點(diǎn),標(biāo)記為A1-A15;圍護(hù)樁深部水平位移一共設(shè)置4個(gè)采集點(diǎn),標(biāo)記為B1-B4;基坑附近地下水位一共布置4個(gè)采集點(diǎn),標(biāo)記為C1-C4;錨索內(nèi)力總共布置4個(gè)采集點(diǎn),標(biāo)號為D1-D4;內(nèi)支撐梁鋼筋應(yīng)力整體布置4個(gè)采集點(diǎn),標(biāo)號為E1-E4;立柱樁豎直方向位移整體布置5個(gè)采集點(diǎn),標(biāo)號為F1-F5。

針對上述實(shí)驗(yàn)條件與數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)置結(jié)果,對文獻(xiàn)[6]方法、文獻(xiàn)[7]方法與本文方法的數(shù)據(jù)采集效果進(jìn)行驗(yàn)證,為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性與可靠性,采用matlab/simulink仿真軟件對實(shí)驗(yàn)圖像與數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出相關(guān)結(jié)論。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

因?yàn)樾枰杉臄?shù)據(jù)較多,隨機(jī)選擇A1、A5、A10、A15檢測點(diǎn)作為采集數(shù)據(jù)點(diǎn),分析數(shù)據(jù)采集效果。圖3和圖4分別為圍護(hù)樁豎向位移、水平位移數(shù)據(jù)采集結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的對比。

圖3 圍護(hù)樁豎向?qū)嶋H位移數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)

圖4 圍護(hù)樁水平實(shí)際位移數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)

通過圖3能夠看出圍護(hù)樁豎向?qū)嶋H位移數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)誤差都小于0.05mm;本文方法采集的數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)曲線重合性越高,說明基坑施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集結(jié)果較為可靠。這是因?yàn)楸疚姆椒〝?shù)據(jù)采集中剔除了干擾數(shù)據(jù),使得數(shù)據(jù)采集精度得到了提高。

圖4與圖3采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)位一致,能夠看出采集數(shù)據(jù)誤差隨著時(shí)間的增加而變大,最小采集誤差為0.01mm,最大誤差是0.06mm,這是因?yàn)?月20日之前,基坑已經(jīng)結(jié)束了回填工作,所以基坑圍護(hù)樁屬于一定的平穩(wěn)狀態(tài),水平位移不明顯。總體上看,二者曲線重合情況比較好,數(shù)據(jù)采集誤差在可接受的范圍內(nèi)。

選擇B2、B4采集點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集對象,分析實(shí)際數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)之間的差異,結(jié)果如圖5所示。

圖5 B2、B4孔深層實(shí)際水平位移與采集數(shù)據(jù)

通過圖5能夠看出,B4孔在孔深5m、10m位置采集的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)存在明顯偏差,誤差約為0.07m;B2孔在孔深4m、8m位置具有誤差,數(shù)值為0.03m;但可以看出在其它深度位置時(shí)實(shí)際水平位移與采集數(shù)據(jù)之間的擬合度較高,證明利用本文方法對基坑深層水平位移數(shù)據(jù)采集有顯著優(yōu)勢。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的數(shù)據(jù)采集精度,從數(shù)值分析的角度出發(fā),分析文獻(xiàn)[6]方法、文獻(xiàn)[7]方法與本文方法的數(shù)據(jù)采集精度,具體計(jì)算公式為

(10)

式中,Di描述的是采集數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相符合的數(shù)據(jù)數(shù)量;Dj描述的是采集數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)不符合的數(shù)據(jù)數(shù)量;Dn描述的是整體數(shù)據(jù)數(shù)量。

選擇A1、B1、C1、C2、D2、E3和F5采集點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集對象,根據(jù)式(10)計(jì)算得出三種方法的數(shù)據(jù)采集精度,結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)采集精度測試結(jié)果

由表1中的數(shù)據(jù)可知,針對不同的采集點(diǎn),本文方法的數(shù)據(jù)采集精度均高于文獻(xiàn)[6]方法和文獻(xiàn)[7]方法。其中,本文方法對采集點(diǎn)F5的數(shù)據(jù)采集精度最高,達(dá)到了0.95,采樣最低值也達(dá)到了0.88,明顯高于傳統(tǒng)方法,進(jìn)一步說明了該方法的數(shù)據(jù)采集效果。這是由于本文方法利用中值濾波器進(jìn)行噪聲抑制,同時(shí)通過雙邊濾波實(shí)現(xiàn)降噪,使得基坑施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集結(jié)果精度較高,提升了數(shù)據(jù)采集效果。

4 結(jié)論

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展,大基坑工程的穩(wěn)定性直接關(guān)系到工程建設(shè)的安全。在基坑開挖時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形,需要及時(shí)采集數(shù)據(jù),監(jiān)督施工,確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)和附近設(shè)施的安全。為此,本文提出了大型基坑工程數(shù)字化施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集方法。通過傳感器采集施工現(xiàn)場數(shù)據(jù),利用濾波去除干擾,得到精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。確保基坑工程安全,防止出現(xiàn)事故,降低經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。雖然經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明,本文方法的數(shù)據(jù)采集結(jié)果精準(zhǔn)度較高,但是在孔水位數(shù)據(jù)采集中仍然存在一些問題,導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集結(jié)果不理想,接下來將以提升孔水位數(shù)據(jù)采集精度為研究重點(diǎn),對本文方法進(jìn)行優(yōu)化研究。