多基线数字图像相关技术在基坑监测中的应用研究

王雪帆，邹 燕，黄文德

(1.广州白云国际机场建设发展有限公司,广东 广州 510403; 2.广州市吉华勘测股份有限公司,广东 广州 511431)

基坑监测以基坑岩土性状、支护结构变位和周围环境条件的变化为对象进行观测分析,并预测导致的变形及稳定状态的发展和周围环境造成影响的程度。基坑水平位移、竖向位移监测常用的诸如全站仪、水准仪等传统设备,数字化测量水平较低。随着计算机技术的发展,多目立体匹配技术取得不少成果[1]。多基线数字图像相关技术利用多目视觉代替人眼的双目视觉测定影像的同名点,通过影像间匹配的同名点进行连续相对定向、影像拼接,在多度重叠影像间通过前方交会求解待定点的坐标[2]。数字图像相关技术是一种非接触式现代光学测量技术,具有测量精度高、远距多点、高频率、全场测量等特点[3],在基坑数字化测量应用前景广阔。

1 数字图像相关技术研究

数字图像相关法(Digital Image Correlation,DIC),也称为数字散斑相关法,将变形前后的两幅数字图像进行对比获取变动数据信息,原理是对变形前图像中的区域进行网格划分,将每一个子区域作为刚性线性运动;再针对每一个子区域,利用一定的搜索方法按照预先定义的函数算法进行计算;在变形后的图像中寻找与这一子区域相关系数最大的区域,也就是该子区域在变形后的具体位置,获取并测量该子区域的实际位移变化量,对全部子区域进行计算后,获取全场的变形信息[4]。

数字图像相关技术的测量原理是交会法,其基本数学模型是共线方程,即理想状态下,摄影瞬间的物点、镜头中心(物镜中心)、像点这三点位于同一直线上,描述这三点共线的数学表达式称为共线条件方程,其基本原理可参考文献[3]。

多基线技术将原来“单基线”两条光束交会扩展到多条光束交会,增加多余观测,提高了观测精度,解决交会角大小使精度与影像匹配之间的矛盾。短基线、大重叠图像所构成的交会角,有利于提高自动匹配的精度和物点的解算精度。李国鸿等[5]通过对数字近景摄影基坑监测方法改进,对实施方案和精度进行了评价,并对全站仪与数字近景测量进行了精度比对分析,技术路线可行。

2 基坑表面监测参数和精度

根据GB 50497—2019建筑基坑工程监测技术标准要求水平位移和竖向位移观测精度要求,如表1所示。

表1 水平位移和竖向位移监测精度要求

当前数字图像相关技术在基坑监测精度方面的研究一致性较强,王国辉等[6]使用民用项目,在坑内/边放置基准杆和定长杆,通过计算点的物方坐标,监测精度达到了±3 mm;隋腾飞等[7]研究表明,多基线数字摄影测量目前能达到的绝对精度为±0.1 mm;文献[1]研究表明,在满足测量精度的前提下,DIC测量的视场宽度变动较大,相对于靶标/散斑影像尺寸,可满足绝大多数情况下,JGJ 8—2016建筑变形测量规范规定的建筑变形测量的等级和精度,结果误差可达到亚毫米级。

3 基坑监测实验

3.1 实验设备选取

根据GB 50497—2019建筑基坑工程监测技术标准要求,监测点水平间距不宜大于20 m,水平位移和竖向位移监测点宜为共用点,文献[8]利用多基线数字近景摄影测量系统,如图1所示,确定基坑测点之间的距离应保持在15 m左右为宜。根据设计文件,试验水平位移和竖向位移共用点,间距约为10 m,监测采用民用级相机,固定安装在立柱上,如图1所示。

摄影相机传感器为1/1.8″CMOS,像元尺寸为4.5 μm;变焦镜头焦距为16 m～48 m,视场角为29.5″～9.5″,分辨率3 MP,畸变w0.25%/T0.1%。

3.2 分辨率及测量精度

根据小孔成像(相机针孔模型)原理,相机焦距越长,视场角越小,拍摄远距离物体越清晰,因此,焦距的选择与摄影距离相关,像元尺寸越小,图像分辨率越高。该型号相机的测量精度、视场宽度、坐标中误差等分析可参考文献[3]。

分辨率是相机最基本的参数,是芯片靶面排列的像元数量。基于小孔成像原理,可计算得到:

其中,ε为测量精度;L为测量距离;dx为感光芯片像元尺寸;f为相机焦距;α为亚像素精度放大系数;D为视场宽度;rx为相机分辨率。根据现场条件计算焦距,f=32 mm,测量距离L=100 m,计算理论测量精度ε=0.140 6 mm/pixel,理论测量视场宽度D=27 m。

根据计算精度,试验设备满足测量点中误差精度、视场宽度试验要求。

3.3 技术应用要点

DIC测量技术可以在瞬间快速地抓取被测量对象的相关物理信息以及位置信息,具有成像速度较快、信息量较大且易于存储的优势。实施过程中,应注意以下要点。

3.3.1 注意对于靶标尺寸及位置的选择

基坑监测首先要选好靶标控制点的位置,保证拍摄角度和清晰度,对监测过程中数据的精确度、稳定性、连续性有很大影响。除此之外,需要通过现场测试,选定合适的靶标尺寸,减小垂直方向上摄影测量深度对视场范围、测量精度的影响。

3.3.2 摄影设备安装

基坑监测周期一般为10个月左右,部分超深基坑可能存在3年左右的监测周期,是一个相对长期的监测过程。因此在实施中,摄影设备安装尽量选取固定式、不可旋转基座;有条件的情况下,将安装后的摄影设备基座,通过全站仪观测安装位置“对角”初始位置值,以备后期维护校正。

3.3.3 摄影设备检校

非量测相机内部结构的不稳定性,即使已经检校好的相机,当相机发生运动,或者位置发生改变时,其检校参数都有可能发生改变,任何一种检校模型都不能消除这些因素的影响,而实验室场的检校方法是不能够满足非量测相机的需求的,对于非量测的相机来说,应考虑用检校法进行相机的检校工作并采用适当的方法来提高检校的精度[9]。

张正友[10]提出了著名的“张氏标定法”,这种方法中考虑到了比例尺不一致性和两坐标轴的不垂直性的问题,现在已经成为机器视觉领域的重要基础。进行检校、实施前,应对设备进行光学畸变和内方位元素的检校,防止在图像采集时非线性畸变破坏图像的质量。内方位元素的检校,通过计算摄影中心点与相片位置的相互关系,来确定内方位元素的测量。

3.4 监测数据结果分析

在对基坑变形监测实验中,对T1—T4四个测点进行了连续观测,由于观测数据结果较多,本文筛选不同时段连续观测数据,绘制变形曲线图,如图2所示。

从图2中数据统计可以看出,观测结果具有很高的灵敏度、稳定性,测量精度高,能够达到亚毫米级,可以实现基坑水平位移和竖向位移观测,该系统具有可行性。

4 结语

在当前的高精度基坑变形监测过程中,对数字图像相关技术应用还不充分,但在测量精度、数字化程度等方面具有很强的应用优势,运用前景广阔。实验过程中,还未经历恶劣天气的验证,今后将逐步完善数字图像相关技术在不同工况条件、不同天气等环境因素下的适应性实验。