基于数字图像实时监测基坑开挖水平位移的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基坑开挖实时监测方法，特别是涉及一种基于数字图像实时监测 基坑开挖水平位移的方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国城市化建设的发展，各种高层建筑、地下隧道、高架桥等工程的大量涌 现，为了更加稳定和满足抗风、抗震等荷载作用，工程中通常都需要开挖基坑，基坑开挖是 工程建设的基础，由于基坑开挖会对周围建筑物的稳定性造成一定的影响，常常会引起基 坑周围的支护体系以及周边建筑物、环境等发生变化。同时由于周围高大建筑物的挤压，也 可能对新开挖的基坑造成坍塌等不良影响，造成工期延长、经济损失，因此，为了全面、系统 的对基坑支护、周围土体以及周围临近结构的影响，对基坑开挖进行水平位移监测是十分 有必要的。
[0003] 现有的基坑监测方法很多，例如视准线法、小角度法、极坐标法以及前方交会法 等。对于传统的基坑水平位移监测，一般采用经炜仪或者全站仪来进行观测。对于基坑水 平位移监测的方法很多，实际工程中测量方法的精度、测量方法的简单化、实时化是目前人 们普遍关心的问题，能够达到高精度是保证施工安全的重要条件。
[0004] 数字图像测量是近些年来迅速发展起来的一门新学科。它主要是由传统的摄影测 量学、光学测量与现代时尚的计算机视觉和数字图像处理分析等学科交叉、融合，取各个学 科的优势和长处而形成的。它的主要处理对象以数字(视频)序列图像为主。该方法是利用 摄像机、照相机等对动态、静态物体的运动进行拍摄得到单帧或者序列数字图像，再利用数 字图像处理方法等技术对目标进行识别、定位、跟踪，并进行求解和分析算方法，实现对目 标实时的自动测量和估计的理论和技术。该方法已经在很多领域得到了广泛的应用，并随 着现代数字相机的日趋成熟，其应用前景将更为广泛。
[0005] 本发明专利主要是基于数字图像测量来实现基坑开挖水平位移实时监测。该系统 操作简单、精度高、实时性好，适合野外工地作业，能够满足现有的基坑工程开挖水平位移 监测的需要。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于数字图像实时监测基坑开挖水平位移的方法，该 方法提高了测量精度，并且算法简单。
[0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于数字图像实时监测基坑开挖水 平位移的方法，包括如下步骤， 51 :提供一基坑开挖实时水平位移监测系统，包括中控计算机及与该中控计算机连接 的安装在基坑附近的摄像机、云台、安装于所述云台上的激光灯； 52 :设整体坐标系，即相机坐标系为xyz，以云台为中心的坐标系为XYZ，云台绕X轴转 动的角度记为 》，绕Z轴旋转的角 度记为(3 ; 53 :打开激光灯，通过转动云台使激光灯指向各监测点，即标定点，记录下此时云台转 角（ny.ftj)，同时记录下各标定点在整体坐标系下的坐标(xyjy )，即可得到整体坐标系下 各标定点的坐标(Xy.yy)与云台转角（ay.ftP之间的一一对应关系，并存入中控计算机中， 其中i表示行坐标，J表示列坐标； 54 :通过整体标定后，当监测到目标监测点发生偏移时，即可通过该目标监测点在整体 坐标系下的坐标(％,%)，获取云台转角（a g,氣p，进而通过中控计算机控制云台转动该转 角(ay肩,P，打开激光灯即可照射至发生偏移的目标监测点处，进行报警。
[0008] 在本发明一实施例中，所述步骤S4中，若监测到的发生偏移的目标检测点不是标 定点时，需通过以下方式来控制云台的转动及激光灯报警， S21 :通过相机拍摄发生偏移的目标监测点P的图像，确定其在整体坐标系下的坐 标(￥ >V)，并获取位于其四周的标定点的坐标
(xy+i,yy+i)以及其所对应的云台转角
S22:由于目标监测点P不是标定点，按照其周围的四个点进行插值计算，具体计算公 式如下：
， 将P点坐标(V)V)与其周围的四个标定点坐标代入公式（1)和（2)即可以求解出参数 S23 :由步骤S22,根据已知的四个标定点所对应的云台转角，即可通过下述公式计算 处目标监测点P所对应的云台转角：
[0009] 在本发明一实施例中，所述步骤S4中，监测目标监测点的偏移是通过以下方式实 现， 531 :在基坑的各监测点均设置一标志板，所述标志板包括存储有标志板信息的条形码 及5个黑白标志，该5个黑白标志呈以其中一个为中心，另四个排布于该中心黑白标志的 上、下、左、右；各标志板的条形码信息均存至所述中控计算机中； 532 :通过摄像机拍摄标志板图像，并由中控计算机读取标志板的条形码获取该标志 板的信息，得出该标志板左、右两个黑白标志间的距离?，上、下两个黑白标志间的距离Itd ; 通过图像识别原理分别识别计算出该4个黑白标志及中心黑白标志的图像像素坐标，即左
533 :当目标监测点发生偏移时，标志板出现偏移，此时通过摄像机拍摄标志板图像，并 通过图像识别原理计算得到此时中心黑白标志坐标(gM.k：)，有下述公式：
通过上述式子，即可获取中心黑白标志在标志板内的水平和竖向位移； 534 :步骤S33获取的水平和竖向位移超过阈值后，即判断该目标监测点发生偏移。
[0010] 在本发明一实施例中，所述中心黑白标志位方形黑白标志，排布于该中心黑白标 志的上、下、左、右的黑白标志均为圆形黑白标志。
[0011] 相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法测量精度高、实时性好， 适合野外工地作业，能够满足现有的基坑工程开挖水平位移监测的需要。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明云台坐标系示意图。
[0013] 图2为本发明数字图像中的位置与云台角度之间的对应关系图。
[0014] 图3为等参元插值计算图。
[0015] 图4为标志板示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0017] 本发明的一种基于数字图像实时监测基坑开挖水平位移的方法，包括如下步骤， 51 :提供一基坑开挖实时水平位移监测系统，包括中控计算机及与该中控计算机连接 的安装在基坑附近的摄像机、云台、安装于所述云台上的激光灯； 52 :设整体坐标系，即相机坐标系为xyz，以云台为中心的坐标系为XYZ，云台绕X轴转 动的角度记为a，绕Z轴旋转的角度记为p ; 53 :打开激光灯，通过转动云台使激光灯指向各监测点，即标定点，记录下此时云台转 角（a y,ftj)，同时记录下各标定点在整体坐标系下的坐标(x;j,yy )，即可得到整体坐标系下 各标定点的坐标(xqm)与云台转角之间的一一对应关系，并存入中控计算机中， 其中i表示行坐标，J表示列坐标； 54 :通过整体标定后，当监测到目标监测点发生偏移时，即可通过该目标监测点在整体 坐标系下的坐标(Xy%)，获取云台转角进而通过中控计算机控制云台转动该转 角(％,.&)，打开激光灯即可照射至发生偏移的目标监测点处，进行报警。
[0018]进一步的，所述步骤S4中，若监测到的发生偏移的目标检测点不是标定点时，需 通过以下方式来控制云台的转动及激光灯报警， S21 :通过相机拍摄发生偏移的目标监测点P的图像，确定其在整体坐标系下的坐 标(xp4V)，并获取位于其四周的标定点的坐标
(xy+1,yy+i)以及其所对应的云台转角
S22:由于目标监测点P不是标定点，按照其周围的四个点进行插值计算，具体计算公 式如下：
将P点坐标(xWp)与其周围的四个标定点坐标代入公式（1)和（2 )即可以求解出参数 S23 :由步骤S22,根据已知的四个标定点所对应的云台转角，即可通过下述公式计算 处目标监测点P所对应的云台转角：
[0019] 进一步的，所述步骤S4中，监测目标监测点的偏移是通过以下方式实现， 531 :在基坑的各监测点均设置一标志板，所述标志板包括存储有标志板信息的条形码 及5个黑白标志，该5个黑白标志呈以其中一个为中心，另四个排布于该中心黑白标志的 上、下、左、右(所述中心黑白标志位方形黑白标志，排布于该中心黑白标志的上、下、左、右 的黑白标志均为圆形黑白标志）；各标志板的条形码信息均存至所述中控计算机中； 532 :通过摄像机拍摄标志板图像，并由中控计算机读取标志板的条形码获取该标志 板的信息，得出该标志板左、右两个黑白标志间的距离t，上、下两个黑白标志间的距离U ; 通过图像识别原理分别识别计算出该4个黑白标志及中心黑白标志的图像像素坐标，即左
533 :当目标监测点发生偏移时，标志板出现偏移，此时通过摄像机拍摄标志板图像，并 通过图像识别原理计算得到此时中心黑白标志坐标，有下述公式：
通过上述式子，即可获取中心黑白标志在标志板内的水平和竖向位移； 534 :步骤S33获取的水平和竖向位移超过阈值后，即判断该目标监测点发生偏移。
[0020] 以下为本发明的具体实施例。
[0021] 本发明方法主要通过以下技术手段来实现：提供一基坑开挖实时水平位移监测系 统，包括中控电脑、安装在基坑附近的摄像机(一台摄像机监测多个目标)、云台2 (1个)、安 装于云台2上方的激光灯1 (1个);所述的摄像机1台测量多个测点，对基坑开挖过程中的 水平位移进行实时监测，并与中控电脑连接，由中控电脑控制摄像机拍摄，当出现情况时中 控电脑再发送指令到云台，开启激光灯，使得云台（云台可以绕x轴和y轴360°旋转)转向 激光灯指向报警目标。
[0022] 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