基坑开挖实时位移监控系统技术研究

徐接武

现今，基坑监测方式多样，主要包括视准线法、小角度法、极坐标法以及前方交会法等[1-2]。而借助经纬仪或全站仪进行基坑水平位移监测的传统方式无法实现动态化、实时化位移[1-4]。

近年来，随着现代科技的发展，监测技术快速发展，数字图像测量成为新时代动态化监测的代表，此方法主要借助摄像机、照相机等拍摄物体的运动过程得到数字图像，对于此类数字图像可借助数字图像处理技术进行识别定位与跟踪，而后利用分析算法，对目标进行实时化测量。目前国内外已有诸多这方面的研究，然而大部分的学者在开发设备时，考虑的是单点的位移，费时费力，而且很难做到各个目标点同时监测，造成数据误差[5-6]。为此，本文提供了一种新的基于数字图像技术的基坑开挖测量多目标系统，并进行了工程应用，取得了较好的社会效益。

1.设备开发准备

本文基于数字图像测量方法，建立了一种单一摄像机多个目标快速定位、监测系统，该系统安装简单，无需考虑相机安装位置、镜头参数等信息，安装完毕后整体标定，将系统误差进行整体标定考虑，提高了测量精度，并且算法简单，代码执行效率高，适合长期野外工作环境。当基坑开挖过程中出现的水平位移超过设定阈值后系统将报警，并通过激光灯指示到报警位置，指导现场人员立刻对该区域进行加固和维修，以防基坑坍塌或更严重的事故发生。当有多个目标出现报警时，激光灯轮流指示各个目标。

本文探讨的基坑开挖监测借助如下技术手段实现：建构实时水平位移监测系统，该系统中包含中控电脑、1 台摄像机（安装在基坑附近、监测多个目标）、1 部云台、1 台激光灯（安装于云台上方）；其中的摄像机虽然只有一台，但仍然可以实时测量多个测点，实时监测基坑开挖中的动态水平位移，摄像机与电脑相连，中控电脑对摄像机进行控制，摄像机中拍摄的内容传送至中控电脑，而后向云台发送指令，最后激光灯开启并指向报警目标。一台摄像机、云台固定安装，激光灯安装在云台上，多台摄像机与云台之间的安装、位置关系等无需特别要求。云台可以绕x 轴和y 轴360°旋转，当监测数据超过阈值后，云台转动到指定位置并开启激光灯指示工作人员进行检查。工程中固定好各个仪器设备，要求各个设备安装稳定牢固，激光灯安装于云台上，不需要测量云台与摄像机之间的位置关系。将所有的设备连接到中控电脑上，并进行初始整体标定，标定各个摄像机与云台之间的对应关系，存入中控电脑中。

2.标定办法

假定云台所在的坐标系为XYZ，激光灯安装在云台上，如图1所示。绕X 轴转动可以改变激光灯远近，绕Z 轴转动可以改变激光灯指向左或者右。绕X 轴转动的角度记为α，绕Z 轴旋转的角度记为β。假定整体坐标系为xyz，则当有多个监测目标时，首先打开激光灯并转动云台到指定位置记录下云台（α1，1，β1，1），同时记录下目标监测点在整体坐标系下的坐标（X1，1，Y1，1）；依次转动云台指向各个目标监测点，并分别记录下云台的位置坐标（αi，j，βi，j）（i 表示行坐标，j 表示列坐标），相机中也得到了相应点在相机坐标系下的坐标（Xi，j，Yi，j）。基于上述标定后建构整体坐标系下的坐标（Xi，j，Yi，j），其与云台转角（αi，j，βi，j）之间形成的关系一一对应。通过整体标定后，当给定整体坐标系下的坐标（Xi，j，Yi，j），即可找到其云台转角（αi，j，βi，j），关于两者的对应关系整体标定后由中控电脑完成并存入存储器中，不同的工程需要重新标定。相机坐标系与云台坐标系之间的关系不会直接影响整体标定，因此施工安装更为简单便捷，同时，由于整体标定中包含了坐标系之间的关系、镜头畸变、系统误差等情况，因此所得到的对应关系不再重新考虑，有效降低了复杂性，提高了计算精度，提高了代码的执行效率。

整体标定时，标定所用的数据点数越多则计算精度越高，当计算得到的点不在标定点上时，如图1 所示的蓝色点，该点位于四个标定点之间，此时还需再做处理。根据上述建立的相机坐标（Xi，j，Yi，j）与云台角度（αi，j，βi，j）的对应关系，在识别出目标后即得到相机坐标系下P 点的坐标（Xp，Yp），由于该点不在标定点上，位于该点四周的点分别为（Xi，j，Yi，j）、（Xi+1，j，Yi+1，j）、（Xi+1，j+1，Yi+1，j+1）、（Xi，j+1，Yi，j+1），再根据相应的对应关系得到这四个点所对应的云台位置分别为（αi，j，βi，j）、（αi+1，j，βi+1，j）、（αi+1，j+1，βi+1，j+1）、（αi，j+1，βi，j+1）。识别的目标点P 不在标识点上时，需按照其周围的四个点进行插值计算，具体的计算方法如下（如图2所示）：

图1 数字图像中的位置与云台角度之间的对应关系

图2 等参元插值计算

将P 点坐标（Xp，Yp）与其周围的四个标定点坐标分别代入公式（1）和（2）即可以求解出参数 。

如图2 所示，当求解出ξ，η后，根据已知的四个标定点所对应的云台角度，则按照下面方法计算点P 所对应的云台角度：

当目标位于标定点上时，则目标快速定位的精度与图像识别精度一致；当目标位于标定点之外时，则目标快速定位需要通过周围四个标定点计算得到，因此其精度与标定点间距（即标定点分辨率）有关。当标定点的分辨率为Mx×My时，相机所拍摄画面的分辨率为Nx×Ny，则标定点之间的像素为Nx/（Mx-1）×Ny/（My-1），标定点之间的任意一点计算精度为：

其中：ΔXp、ΔYp、ΔXi+m,j+n和 ΔYi+m,j+n分别表示图像识别的误差。从公式（5）、（6）可以看出标定点间距越小，即标定数据点越多，则计算两个标定点之间的精度也越高。例如距离100m 位置处，相机分辨率为1280×1024，其中ΔX、ΔY为图像在x 和y 方向上的识别精度。

3.实时水平位移测量

采用合作标志板能够有效地提高计算精度，本发明专利采用的目标合作标志板如图3 所示，该标志板包括条形码（存储了标志板的数据和类型）、黑白标志5 个（其中4 个圆形，一个方形），黑白标志之间为刻度线。

图3 合作标志板

在基坑周围布置多个标志板，根据上述的标定方法得到激光灯与标志板之间的对应关系，对于每一个标志板，其测量方法相同，具体如下：

首先读取条形码识别标志板类型，中控电脑调出该标志板的数据，例如水平两个圆形黑白标志距离Llr，竖向两个圆形黑白标志距离Ltd。基于图像识别原理进行识别，然后分别计算出4 个圆形黑白标志和中心方形黑白标志的图像像素坐标，可以得到坐标分别为左标志（Pxl，Pyl）、右标志（Pxr，Pyr）、上标志（Pxt，Pyt）、下标志（Pxd，Pyd）以及中间标志（Pxo，Pyo）。

根据圆形黑白的四个点即可以得到这四个点所在的区域内的图像像素与坐标之间的关系。当中间方形黑白标识点变化时，图像像素坐标变为（qxo，qyo），就可以通过计算得到其在该合作标志板面内的水平和竖向位移。

设采集得到的标志板图像左右及上下标志间为m 像素，Ltd、Llr实际尺寸为H 毫米，实际尺寸的偏差为Δ 毫米，则测量结果的误差估计值为：

采用亚像素定位技术，仪器可采集分辨率1280×1024 的图像，仪器视场角为±15 分。设取m=1000，H=500mm，Δ=1mm，δ=0.2，则按式（1）计算得到的测量结果的误差估计值为0.1mm。

4.工程应用

设备开发后在建发领湖花园基坑工程中进行了应用，其目的是用来测量开挖过程中的实时动态位移，现场布置了多个测量点，各个测量点的标志牌采用黑白相间的标志牌，该标志牌识别精度较高，计算量小。摄像头CCD 采用分辨率1280×1024，镜头为800mm 可调焦距的镜头，实时采集并处理，每秒钟采样频率是30 帧。电脑采用普通的PC 机，配置是I3 或者以上。具体的工程现场布置和安装调试与实验室相同，现场以及仪器安装如图4 所示。

图4 测量装置

由于现场正在施工，在挖掘机附近的测点振动较大，各个测点的测量结果如图5 所示，系统操作界面见图6，从测量数据可以看出，当挖掘机挖土的时候产生的振动较大，波形跳动加剧。

图5 各个测点的测量结果

图6 操作系统照片

5.结语

本文设计了一种基于数字图像实时监测基坑开挖水平位移的方法，并进行了工程应用，取得了如下结论：

（1）该方法建立了一种单一摄像机多目标快速定位、监测的系统，该系统安装简单，无需考虑相机安装位置、镜头参数等信息，安装完毕后整体标定，将系统误差进行整体标定考虑。

（2）本方法提高了测量精度，并且算法简单，代码执行效率高，适合长期野外工作环境。

（3）当基坑开挖过程中出现水平位移超过设定的阈值时系统将作出报警，并通过激光灯指示报警位置，指导现场人员立刻对该区域进行加固和维修，以防基坑坍塌或更严重的事故发生。