多基線數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

王雪帆，鄒 燕，黃文德

(1.廣州白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)建設(shè)發(fā)展有限公司,廣東 廣州 510403; 2.廣州市吉華勘測(cè)股份有限公司,廣東 廣州 511431)

基坑監(jiān)測(cè)以基坑巖土性狀、支護(hù)結(jié)構(gòu)變位和周圍環(huán)境條件的變化為對(duì)象進(jìn)行觀測(cè)分析,并預(yù)測(cè)導(dǎo)致的變形及穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)展和周圍環(huán)境造成影響的程度?；铀轿灰啤⒇Q向位移監(jiān)測(cè)常用的諸如全站儀、水準(zhǔn)儀等傳統(tǒng)設(shè)備,數(shù)字化測(cè)量水平較低。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,多目立體匹配技術(shù)取得不少成果[1]。多基線數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)利用多目視覺(jué)代替人眼的雙目視覺(jué)測(cè)定影像的同名點(diǎn),通過(guò)影像間匹配的同名點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)相對(duì)定向、影像拼接,在多度重疊影像間通過(guò)前方交會(huì)求解待定點(diǎn)的坐標(biāo)[2]。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)是一種非接觸式現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量技術(shù),具有測(cè)量精度高、遠(yuǎn)距多點(diǎn)、高頻率、全場(chǎng)測(cè)量等特點(diǎn)[3],在基坑數(shù)字化測(cè)量應(yīng)用前景廣闊。

1 數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)研究

數(shù)字圖像相關(guān)法(Digital Image Correlation,DIC),也稱為數(shù)字散斑相關(guān)法,將變形前后的兩幅數(shù)字圖像進(jìn)行對(duì)比獲取變動(dòng)數(shù)據(jù)信息,原理是對(duì)變形前圖像中的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,將每一個(gè)子區(qū)域作為剛性線性運(yùn)動(dòng);再針對(duì)每一個(gè)子區(qū)域,利用一定的搜索方法按照預(yù)先定義的函數(shù)算法進(jìn)行計(jì)算;在變形后的圖像中尋找與這一子區(qū)域相關(guān)系數(shù)最大的區(qū)域,也就是該子區(qū)域在變形后的具體位置,獲取并測(cè)量該子區(qū)域的實(shí)際位移變化量,對(duì)全部子區(qū)域進(jìn)行計(jì)算后,獲取全場(chǎng)的變形信息[4]。

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的測(cè)量原理是交會(huì)法,其基本數(shù)學(xué)模型是共線方程,即理想狀態(tài)下,攝影瞬間的物點(diǎn)、鏡頭中心(物鏡中心)、像點(diǎn)這三點(diǎn)位于同一直線上,描述這三點(diǎn)共線的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為共線條件方程,其基本原理可參考文獻(xiàn)[3]。

多基線技術(shù)將原來(lái)“單基線”兩條光束交會(huì)擴(kuò)展到多條光束交會(huì),增加多余觀測(cè),提高了觀測(cè)精度,解決交會(huì)角大小使精度與影像匹配之間的矛盾。短基線、大重疊圖像所構(gòu)成的交會(huì)角,有利于提高自動(dòng)匹配的精度和物點(diǎn)的解算精度。李國(guó)鴻等[5]通過(guò)對(duì)數(shù)字近景攝影基坑監(jiān)測(cè)方法改進(jìn),對(duì)實(shí)施方案和精度進(jìn)行了評(píng)價(jià),并對(duì)全站儀與數(shù)字近景測(cè)量進(jìn)行了精度比對(duì)分析,技術(shù)路線可行。

2 基坑表面監(jiān)測(cè)參數(shù)和精度

根據(jù)GB 50497—2019建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求水平位移和豎向位移觀測(cè)精度要求,如表1所示。

表1 水平位移和豎向位移監(jiān)測(cè)精度要求

當(dāng)前數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在基坑監(jiān)測(cè)精度方面的研究一致性較強(qiáng),王國(guó)輝等[6]使用民用項(xiàng)目,在坑內(nèi)/邊放置基準(zhǔn)桿和定長(zhǎng)桿,通過(guò)計(jì)算點(diǎn)的物方坐標(biāo),監(jiān)測(cè)精度達(dá)到了±3 mm;隋騰飛等[7]研究表明,多基線數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量目前能達(dá)到的絕對(duì)精度為±0.1 mm;文獻(xiàn)[1]研究表明,在滿足測(cè)量精度的前提下,DIC測(cè)量的視場(chǎng)寬度變動(dòng)較大,相對(duì)于靶標(biāo)/散斑影像尺寸,可滿足絕大多數(shù)情況下,JGJ 8—2016建筑變形測(cè)量規(guī)范規(guī)定的建筑變形測(cè)量的等級(jí)和精度,結(jié)果誤差可達(dá)到亞毫米級(jí)。

3 基坑監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備選取

根據(jù)GB 50497—2019建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平間距不宜大于20 m,水平位移和豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)宜為共用點(diǎn),文獻(xiàn)[8]利用多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng),如圖1所示,確定基坑測(cè)點(diǎn)之間的距離應(yīng)保持在15 m左右為宜。根據(jù)設(shè)計(jì)文件,試驗(yàn)水平位移和豎向位移共用點(diǎn),間距約為10 m,監(jiān)測(cè)采用民用級(jí)相機(jī),固定安裝在立柱上,如圖1所示。

攝影相機(jī)傳感器為1/1.8″CMOS,像元尺寸為4.5 μm;變焦鏡頭焦距為16 m～48 m,視場(chǎng)角為29.5″～9.5″,分辨率3 MP,畸變w0.25%/T0.1%。

3.2 分辨率及測(cè)量精度

根據(jù)小孔成像(相機(jī)針孔模型)原理,相機(jī)焦距越長(zhǎng),視場(chǎng)角越小,拍攝遠(yuǎn)距離物體越清晰,因此,焦距的選擇與攝影距離相關(guān),像元尺寸越小,圖像分辨率越高。該型號(hào)相機(jī)的測(cè)量精度、視場(chǎng)寬度、坐標(biāo)中誤差等分析可參考文獻(xiàn)[3]。

分辨率是相機(jī)最基本的參數(shù),是芯片靶面排列的像元數(shù)量?；谛】壮上裨?可計(jì)算得到:

其中,ε為測(cè)量精度;L為測(cè)量距離;dx為感光芯片像元尺寸;f為相機(jī)焦距;α為亞像素精度放大系數(shù);D為視場(chǎng)寬度;rx為相機(jī)分辨率。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件計(jì)算焦距,f=32 mm,測(cè)量距離L=100 m,計(jì)算理論測(cè)量精度ε=0.140 6 mm/pixel,理論測(cè)量視場(chǎng)寬度D=27 m。

根據(jù)計(jì)算精度,試驗(yàn)設(shè)備滿足測(cè)量點(diǎn)中誤差精度、視場(chǎng)寬度試驗(yàn)要求。

3.3 技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

DIC測(cè)量技術(shù)可以在瞬間快速地抓取被測(cè)量對(duì)象的相關(guān)物理信息以及位置信息,具有成像速度較快、信息量較大且易于存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)。實(shí)施過(guò)程中,應(yīng)注意以下要點(diǎn)。

3.3.1 注意對(duì)于靶標(biāo)尺寸及位置的選擇

基坑監(jiān)測(cè)首先要選好靶標(biāo)控制點(diǎn)的位置,保證拍攝角度和清晰度,對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中數(shù)據(jù)的精確度、穩(wěn)定性、連續(xù)性有很大影響。除此之外,需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,選定合適的靶標(biāo)尺寸,減小垂直方向上攝影測(cè)量深度對(duì)視場(chǎng)范圍、測(cè)量精度的影響。

3.3.2 攝影設(shè)備安裝

基坑監(jiān)測(cè)周期一般為10個(gè)月左右,部分超深基坑可能存在3年左右的監(jiān)測(cè)周期,是一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)過(guò)程。因此在實(shí)施中,攝影設(shè)備安裝盡量選取固定式、不可旋轉(zhuǎn)基座;有條件的情況下,將安裝后的攝影設(shè)備基座,通過(guò)全站儀觀測(cè)安裝位置“對(duì)角”初始位置值,以備后期維護(hù)校正。

3.3.3 攝影設(shè)備檢校

非量測(cè)相機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性,即使已經(jīng)檢校好的相機(jī),當(dāng)相機(jī)發(fā)生運(yùn)動(dòng),或者位置發(fā)生改變時(shí),其檢校參數(shù)都有可能發(fā)生改變,任何一種檢校模型都不能消除這些因素的影響,而實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)的檢校方法是不能夠滿足非量測(cè)相機(jī)的需求的,對(duì)于非量測(cè)的相機(jī)來(lái)說(shuō),應(yīng)考慮用檢校法進(jìn)行相機(jī)的檢校工作并采用適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)提高檢校的精度[9]。

張正友[10]提出了著名的“張氏標(biāo)定法”,這種方法中考慮到了比例尺不一致性和兩坐標(biāo)軸的不垂直性的問(wèn)題,現(xiàn)在已經(jīng)成為機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)。進(jìn)行檢校、實(shí)施前,應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行光學(xué)畸變和內(nèi)方位元素的檢校,防止在圖像采集時(shí)非線性畸變破壞圖像的質(zhì)量。內(nèi)方位元素的檢校,通過(guò)計(jì)算攝影中心點(diǎn)與相片位置的相互關(guān)系,來(lái)確定內(nèi)方位元素的測(cè)量。

3.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

在對(duì)基坑變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中,對(duì)T1—T4四個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè),由于觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果較多,本文篩選不同時(shí)段連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù),繪制變形曲線圖,如圖2所示。

從圖2中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出,觀測(cè)結(jié)果具有很高的靈敏度、穩(wěn)定性,測(cè)量精度高,能夠達(dá)到亞毫米級(jí),可以實(shí)現(xiàn)基坑水平位移和豎向位移觀測(cè),該系統(tǒng)具有可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前的高精度基坑變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中,對(duì)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)應(yīng)用還不充分,但在測(cè)量精度、數(shù)字化程度等方面具有很強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),運(yùn)用前景廣闊。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,還未經(jīng)歷惡劣天氣的驗(yàn)證,今后將逐步完善數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在不同工況條件、不同天氣等環(huán)境因素下的適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)。