機器視覺智能監(jiān)測技術(shù)在建（構(gòu)）筑物的應(yīng)用

摘要：本文歸納總結(jié)了城市防災(zāi)減災(zāi)智能監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀及其適用情況，著重介紹機器視覺智能監(jiān)測技術(shù)，近年來，該技術(shù)應(yīng)用逐漸廣泛，是一種跨專業(yè)融合的新技術(shù)。本文通過邊坡安全監(jiān)測工程案例詳細(xì)描述了該技術(shù)在建（構(gòu)）筑物安全監(jiān)測中的應(yīng)用，以更低成本取得更多監(jiān)測數(shù)據(jù)，是安全可靠的監(jiān)測技術(shù)，并證明該技術(shù)在建（構(gòu)）筑物形變監(jiān)測領(lǐng)域是切實可行的，能實時監(jiān)測形變數(shù)據(jù)，在線預(yù)警預(yù)報，且有較高的經(jīng)濟價值。

關(guān)鍵詞：機器視覺；監(jiān)測技術(shù)；建（構(gòu)）筑物；形變識別

中圖分類號：TV698文獻標(biāo)識碼：A""" 文章編號：

Application of Machine Vision Intelligent Monitoring Technology in Building

Abstract：This paper summarizes the status quo of urban disaster prevention and reduction intelligent monitoring technology and its application，focusing on the introduction of machine vision intelligent monitoring technology，in recent years，the technology has been widely used，is a cross-professional integration of new technology.This paper describes in detail the application of this technology in the safety monitoring of buildings through slope safety monitoring engineering cases，it is a safe and reliable monitoring technology to obtain more monitoring data at a lower cost，and proves that this technology is feasible in the field of deformation monitoring of buildings，which can monitor deformation data in real time and make online early warning and prediction，and has high economic value.

Keywords：machine vision;monitoring technology;building;deformation recognition

0 引言

隨著工程技術(shù)的持續(xù)發(fā)展、結(jié)構(gòu)理論的不斷完善，我國城市化進程逐漸加快，迅速擴張的城市規(guī)模帶來了人口的高度集中、建設(shè)用地的逐漸緊缺，建（構(gòu)）筑物逐漸向更高、更大、更復(fù)雜、更多樣的趨勢發(fā)展，大量新型和超出現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)范圍的建（構(gòu)）筑物興起，給建筑行業(yè)的發(fā)展帶來機遇的同時也帶來了更多挑戰(zhàn)，其安全性和穩(wěn)定性問題也逐漸成為行業(yè)持續(xù)關(guān)注的焦點。國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于支持貴州在新時代西部大開發(fā)上闖新路的意見》（國發(fā)〔2022〕2號）中強調(diào)，加強市政設(shè)施和防災(zāi)減災(zāi)能力建設(shè)，加強公共大數(shù)據(jù)、智能采掘等領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。根據(jù)2021年度《貴州省統(tǒng)計年報》數(shù)據(jù)顯示，貴州是一個地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)多發(fā)的省份，因此將已經(jīng)應(yīng)用成熟的機器視覺融入土木工程建（構(gòu)）筑物監(jiān)測技術(shù)中，形成新的智能化監(jiān)測方式，豐富了產(chǎn)業(yè)形態(tài)，促進了新技術(shù)的融合發(fā)展，又為城市防災(zāi)減災(zāi)提供了技術(shù)支撐。

1 建（構(gòu)）筑物監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測技術(shù)已趨于成熟，傳統(tǒng)的邊坡變形監(jiān)測主要通過一些比較成熟的非自動化的監(jiān)測儀器設(shè)備進行監(jiān)測。隨著空間測量技術(shù)不斷發(fā)展，自GPS系統(tǒng)誕生以來，國外首先開始了GPS技術(shù)的應(yīng)用研究[1]。受益于近年來信息與通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，一種傾斜計和光纖傳感器，利用小型化的微機電系統(tǒng)慢慢開始被使用，Liu等[2]提出一種在不損失檢測功能的前提條件下節(jié)省能耗的辦法，大幅縮減了檢測過程傳輸數(shù)據(jù)的量，證明該系統(tǒng)有效可行。另一部分學(xué)者進行了智能光纖傳感監(jiān)測體系在復(fù)雜地基中使用的相關(guān)研究，并開展了試驗和分析[3]。在露天礦山邊坡的監(jiān)測中利用的全球定位系統(tǒng)技術(shù)[4]，也取得很好的社會應(yīng)用反饋，其顯著優(yōu)點包括高效和覆蓋范圍廣，該技術(shù)當(dāng)下正在經(jīng)歷快速發(fā)展。近些年，形變監(jiān)測方法結(jié)合了計算機視覺技術(shù)，并不斷在軟硬件方面迭代更新，機器視覺監(jiān)測技術(shù)也已經(jīng)在實際工程中得到應(yīng)用證明。

國內(nèi)安全監(jiān)測技術(shù)在不斷迭代更新，但現(xiàn)階段建（構(gòu)）筑物的安全監(jiān)測仍存在工作量大，消耗大量人力、財力、物力，觀測受外在因素影響如氣候條件、通視條件、施工條件，監(jiān)測數(shù)據(jù)不具有時效性，不能對結(jié)構(gòu)的性能及狀態(tài)實時跟蹤、觀測項目相互獨立，不能將各種數(shù)據(jù)融合分析等不足之處。一些特殊建（構(gòu)）筑物（如超高層結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、異性結(jié)構(gòu)），傳統(tǒng)的監(jiān)測方法往往不能滿足健康安全監(jiān)測需求。因此需要借助傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)，全面監(jiān)測在復(fù)雜施工過程中、極端環(huán)境影響下的動態(tài)反映，來保證工程安全及實現(xiàn)科學(xué)決策。

2 智能監(jiān)測技術(shù)

2.1 GPS，GNSS技術(shù)

邊坡監(jiān)測中有一類非接觸式位移測量方法，如全球定位系統(tǒng)和干涉雷達等，該類技術(shù)可實現(xiàn)對邊坡形變的實施在線監(jiān)測，也已經(jīng)得到廣泛推廣，該類技術(shù)自動化程度高、定位精度高、觀測時間短。我國在利用GPS技術(shù)監(jiān)測地殼運動方面的相關(guān)研究，監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用與其他國家基本同步，另外我國建立的中國及周邊區(qū)域的地殼運動速度場，就是利用GPS監(jiān)測網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)，見圖1。

2.2 光纖傳感器、傾角儀等

近年來，伴隨著信息與通信技術(shù)的發(fā)展，小型化的微機電系統(tǒng)傾斜計、光纖傳感器逐漸被使用。研究人員嘗試?yán)弥悄芄饫w傳感設(shè)備，在復(fù)雜地基中進行沉降變形研究，圖2為常用光纖監(jiān)測技術(shù)路線。在計量科學(xué)中，傾角儀作為監(jiān)測設(shè)備已發(fā)展成較為完備的一個分支，在過去的二十年中，其在角度測量中的精度增加了超過十倍。角度測量技術(shù)有靜態(tài)和動態(tài)兩種形式，某些動態(tài)測量需要依靠靜態(tài)測量作為基礎(chǔ)才得以實現(xiàn)，而部分動態(tài)角度測量可以實現(xiàn)靜態(tài)測量，實際中多用于系統(tǒng)的大壩、房屋沉降監(jiān)測等領(lǐng)域。

2.3 視覺測量技術(shù)

2.3.1 視覺測量監(jiān)測技術(shù)

基于計算機視覺的建（構(gòu)）筑物形變監(jiān)測方法層出不窮，而且大部分已經(jīng)得到實際項目的驗證。其因安全、快速、廉價、無接觸等諸多優(yōu)點，備受相關(guān)研究領(lǐng)域的關(guān)注。該技術(shù)用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺主要利用計算機來模擬人的視覺功能，再現(xiàn)于人類視覺有關(guān)的某些智能行為，從客觀事物的圖像中提取信息進行處理，并加以理解，最終用于實際檢測和控制。機器視覺最大的優(yōu)勢是非接觸觀測技術(shù)，可實現(xiàn)多點同時讀取，極大縮短了監(jiān)測周期、降低了人力成本，可快速實現(xiàn)從讀取到結(jié)果分析的全過程，機器視覺監(jiān)測示意圖見圖3。

2.3.2 機器視覺監(jiān)測系統(tǒng)組成

機器視覺測量系統(tǒng)由靶標(biāo)、機器視覺測量儀、健康監(jiān)測管理平臺組成。機器視覺監(jiān)測技術(shù)首先是圖像采集，由光學(xué)系統(tǒng)采集圖像，圖像轉(zhuǎn)換成模擬格式并傳入計算機存儲器；其次是圖像處理，處理器運用不同的算法來提高對結(jié)論有重要影響的圖像要素，再進行特性提取，處理器識別并量化圖像的關(guān)鍵特性；最后是判決和控制，處理器的控制程序根據(jù)收到的數(shù)據(jù)做出結(jié)論，從而判斷被監(jiān)測對象的形變和位移值。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，目前已經(jīng)開發(fā)了許多基于機器視覺的監(jiān)測方法，可用于形變監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測、部分結(jié)構(gòu)縫或缺陷等［5-6］。

2.3.3 機器視覺監(jiān)測技術(shù)優(yōu)缺點

機器視覺應(yīng)用于建（構(gòu)）筑物監(jiān)測有諸多優(yōu)點：①機器視覺技術(shù)應(yīng)用于建（構(gòu)）筑物變形監(jiān)測可實現(xiàn)多點多面分散式測量；②機器視覺技術(shù)對環(huán)境的適應(yīng)性和數(shù)據(jù)的傳輸帶寬包容性更強；③機器視覺傳感自動化監(jiān)測借助5G技術(shù)，其數(shù)據(jù)采集過程連續(xù)、高效、準(zhǔn)確，可實現(xiàn)邊坡變形數(shù)據(jù)處理和大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的有機結(jié)合。而該技術(shù)的缺點是可視范圍在夜間和無自然光的地方有很大局限，從而影響監(jiān)測，尤其在無電源的地方，夜間照明問題尚待解決。

3 監(jiān)測案例

3.1 項目概況

貴陽市某監(jiān)測段邊坡長度約68 m、邊坡高度約28 m，為永久性邊坡、邊坡工程安全等級為一級，支護方式為錨索+格構(gòu)梁+掛網(wǎng)噴射混凝土，周邊緊鄰幼兒園和高層建筑，通過監(jiān)測可及時全面了解邊坡變化情況，實現(xiàn)信息化施工，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)作為判斷邊坡和周邊環(huán)境安全的重要依據(jù)。

根據(jù)設(shè)計圖、施工圖及項目實際情況，該邊坡主要對場地內(nèi)在建部分進行變形監(jiān)測，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）的規(guī)定、設(shè)計要求和現(xiàn)場監(jiān)測條件，確定以下監(jiān)測項目，詳見表1。

邊坡頂部水平（或傾斜）和垂直位移監(jiān)測點布設(shè)于邊坡支護結(jié)構(gòu)上或坡頂巖土體上，并采用剛性連接，具體布點方案為布設(shè)若干個機器視覺智能測量系統(tǒng)的監(jiān)測靶標(biāo)。

該系統(tǒng)測量精度±1.0 mm滿足擬監(jiān)測邊坡的精度需要和規(guī)范要求，由于采用自動化機器視覺設(shè)備，監(jiān)測頻率可實現(xiàn)實時智能讀取，當(dāng)現(xiàn)場監(jiān)測形變數(shù)據(jù)達到預(yù)警預(yù)報要求時，技術(shù)人員將及時發(fā)布預(yù)警預(yù)報通知給相關(guān)單位。

機器視覺監(jiān)測系統(tǒng)除前端感知和數(shù)據(jù)傳輸外，后臺合理配置可視化監(jiān)控平臺，可及時接受監(jiān)測數(shù)據(jù)并進行同步處理和反饋，該平臺可實現(xiàn)監(jiān)測信息連續(xù)變化、實時展示等功能。該系統(tǒng)由具有高性能的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)構(gòu)成，兼具記錄和管理監(jiān)測數(shù)據(jù)的功能，同時提供可視化展示窗口供用戶隨時查看。

3.2 監(jiān)測方案

3.2.1 實施方案

該項目沿邊坡頂每15 m布置1個監(jiān)測點，共布置16個坡頂位移監(jiān)測點，邊坡高度超過20 m，在邊坡中部增設(shè)一排坡體位移監(jiān)測點，共布設(shè)13個坡體位移監(jiān)測點（坡體監(jiān)測點地下室回填完成后不再監(jiān)測），具體布點位置可根據(jù)現(xiàn)場實際情況稍作調(diào)整，但布點間距不宜超過規(guī)范要求，特殊或重要部位可加密布點。

3.2.2 監(jiān)測頻率選定

建筑物基礎(chǔ)施工至地下室回填完成，采集初始數(shù)據(jù)后，機器視覺監(jiān)測系統(tǒng)可實時在線監(jiān)測并傳輸數(shù)據(jù)致后臺，出具監(jiān)測報告的頻率為1次/5 d。地下室回填完成后前6個月，出具監(jiān)測報告的頻率按1次/10 d進行。

3.2.3 預(yù)警預(yù)報值設(shè)定

結(jié)合相關(guān)規(guī)范和該項施工圖紙，確定了監(jiān)測預(yù)警值為：邊坡頂部水平位移累計值40 mm、豎向位移累計值30 mm、變化速率3 mm/d。當(dāng)數(shù)據(jù)結(jié)果出現(xiàn)下列情況之一：變形量達到監(jiān)測方案設(shè)置的預(yù)警值、接近允許值或變形量變化出現(xiàn)異常情況，應(yīng)立即通知相關(guān)參建單位開展應(yīng)對措施，同時應(yīng)在24 h內(nèi)以紙質(zhì)文件形式通知參建方，監(jiān)測方根據(jù)實際情況和建設(shè)單位要求增加現(xiàn)場監(jiān)測頻率。

3.3 監(jiān)測結(jié)果

如圖4～圖5所示，在總監(jiān)測周期內(nèi)，邊坡累計水平位移最大點為D4#，累計位移6 mm，其余測點累計位移值為0～4 mm；最大位移速率測點為D8#，位移值為2 mm，位移速率為0.067 mm/d，該邊坡水平位移及位移速率均未超過預(yù)警值。邊坡累計豎向位移最大點為D2和D7，累計位移6 mm，該邊坡豎向位移及位移速率均未超過預(yù)警值。

3.4 經(jīng)濟社會效益

該項目邊坡工程，周邊環(huán)境相對復(fù)雜，影響區(qū)域內(nèi)有2個已建小區(qū)均為高層建筑，另外基坑邊坡緊鄰繁忙的城市主干道，為市政道路，通車量大、車載重、基坑施工周期長、工藝復(fù)雜，容易引起邊坡變形，從而導(dǎo)致工程事故。

傳統(tǒng)方法采用精密全站儀，對場地條件要求高，監(jiān)測結(jié)果和人員熟練程度、技術(shù)水平相關(guān)，有較大的不確定性。此外，人工監(jiān)測頻率受限，受干擾的因素多。該項目結(jié)合當(dāng)下監(jiān)測行業(yè)新技術(shù)，采用機器視覺裝置，在邊坡監(jiān)測技術(shù)上采用了大膽的創(chuàng)新和突破，實現(xiàn)了連續(xù)實時監(jiān)測和遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控，保證建（構(gòu)）筑物運行安全。智能監(jiān)測技術(shù)在建（構(gòu)）筑物的應(yīng)用有利于帶動監(jiān)測產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級，推動大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)、智能化設(shè)備和土木工程監(jiān)測行業(yè)的融合。同時，監(jiān)測設(shè)備、技術(shù)等眾多產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，給予設(shè)計、制造、推廣、后續(xù)開發(fā)等全方位的支撐。

4 結(jié)語

綜上所述，得益于機器視覺技術(shù)的迅猛發(fā)展，結(jié)合工業(yè)技術(shù)的建（構(gòu)）筑安全性監(jiān)測孕育而生。本文通過機器視覺應(yīng)用于貴陽市某邊坡工程變形監(jiān)測案例，闡述了該技術(shù)應(yīng)用于建（構(gòu)）筑物監(jiān)測的可行性和優(yōu)越性，該技術(shù)可解決建（構(gòu)）筑物變形監(jiān)測數(shù)據(jù)量大、監(jiān)測的項目種類及形式多樣、監(jiān)測數(shù)據(jù)影響因素多和需要及時（甚至實時）完成數(shù)據(jù)的處理分析等需求，變形監(jiān)測精度滿足規(guī)范要求，是一種低碳、綠色、可持續(xù)的建（構(gòu)）筑物監(jiān)測創(chuàng)新技術(shù)，也可作為城市防災(zāi)減災(zāi)安全技術(shù)的一個新的研究領(lǐng)域，可推動監(jiān)測行業(yè)和視覺機器智能化制造行業(yè)的高度融合，并促使兩個領(lǐng)域技術(shù)迭代更新。

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