一种利用激光监测超高层建筑变形的装置和方法与流程

本发明涉及建筑工程监测技术领域，特别是一种利用激光监测超高层建筑变形的装置和方法。

背景技术：

我国的《民用建筑设计通则》(gb50352—2005)将住宅建筑依层数划分为：一层至三层为低层住宅，四层至六层为多层住宅，七层至九层为中高层住宅，十层及十层以上为高层住宅。除住宅建筑之外的民用建筑高度不大于24m者为单层和多层建筑，大于24m者为高层建筑(不包括建筑高度大于24m的单层公共建筑)；建筑高度大于100m的民用建筑为超高层建筑。据统计：截至到2018年9月底，我国(包含港澳台地区)已建成超高层建筑物数目大约为260幢，其中，100-200米约为100幢；200-300米约为80幢，300米以上约为80幢。目前，我国最高层建筑物为上海中心大厦，约为632米。对建筑物来说，因为受到环境荷载的影响(如受风荷载、地震荷载、温度变化)，自身结构的疲劳效应、腐蚀以及材料的老化，甚至是一些人为的因素，建筑物都会随着岁月的流逝而逐渐产生变形，而建筑物的结构承载力也会逐渐降低。通常表现为建筑物呈现出均匀或者不均匀的沉降，或是出现一些裂缝、倾斜、扭转、位移的现象，当这些变形值超过建筑物设计允许值时，就会对建筑物造成一定程度上的破坏。建筑事故的形成并不是一朝一夕的事情，事故都将经过一个变形的过程。超高层建筑因为其高度上的特征，比起普通建筑在施工、运营以及管理的过程更为危险和复杂。同一般类型的建筑相比，超高层结构在风荷载、日照作用、地震等因素的影响下会产生更为明显的动态变形。超高层建筑在施工阶段与正常使用阶段存在许多需要重点监测的动态变形量，如风荷载作用下的振动幅值、倾斜角度、振动轨迹、速度和加速度等。风荷载是一个复杂的非平稳随机过程，这就造成风对建筑物结构的作用表现出间歇性和动态性，而探讨风速与超高层建筑物动态形变的关系对结构的安全评估具有十分重要的意义。

现有技术通常采用激光垂准仪进行施工平面控制网的传递、gps发或者测量机器人方法，但是采用激光垂准仪进行施工平面控住网的传递，对塔体因日照、风力、温差等多因素影响的周日摆动监测关注度不够，存在风险点，且该方法只适用超高层建筑建造过程中的塔体摆动监测，在建造完成后无法继续实施监测；gps法测量机器人等方法对观察环境有极高要求(gps法要求具备良好的观察环境，测量机器人方法对距离和竖直角有要求)；另外，gps、测量机器人等方法在数据采集的自动化、建筑物摆动信息的实时表达以及数据采集、数据传输、数据处理的内外业一体化等方面还有待改进。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种利用激光监测超高层建筑变形的装置和方法，本发明的方法和装置可有效地得到超高层建筑顶端摆动的位移、幅度和长期走势等相关数据，监测精度高，监测速度快，可满足全天候实时监测的需求；同时该监测装置成本低。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种利用激光监测超高层建筑变形的装置，包括两套激光发射和接收装置、以及数据处理系统，这两套激光发射和接收装置分别位于所监测超高层建筑物的相邻两侧，一套激光发射和接收装置包括1个激光发射装置和1个激光接收装置，激光接收装置为激光光斑接收靶，2个激光接收装置固定于超高层建筑顶部的同一高度，激光接收装置的接收靶面垂直于水平面且两个激光接收装置的接收靶面相互垂直；激光发射装置包括2个激光发射器和基座，基座设置在比超高层建筑低的稳固基点处，激光发射器固定在基座上，两个激光发射器之间有距离；其中，

激光发射器，用于将发射的激光束同时射向所匹配的激光接收装置；

激光接收装置，用来捕获激光发射器所发射的激光束，形成激光光斑；

数据处理系统，用于利用激光接收装置所捕获激光光斑相对原标定点的位置变化解算出超高层建筑的实际摆动位移和角度，进而模拟出超高层建筑顶端中心点三维坐标的运动曲线；原标定点为超高层建筑未发生形变时标定的激光光斑中心点。

作为本发明所述的一种利用激光监测超高层建筑变形的装置进一步优化方案，2个激光接收装置具有相同尺寸。

作为本发明所述的一种利用激光监测超高层建筑变形的装置进一步优化方案，激光发射装置还包括旋转装置，旋转装置的一端与基座连接，旋转装置的另一端与激光发射器连接，激光发射器根据旋转装置进行调节所发射激光角度。

作为本发明所述的一种利用激光监测超高层建筑变形的装置进一步优化方案，每套激光发射和接收装置中所包含的两个激光发射器射向激光光斑接收靶的光束并不汇聚于一点，在标定安装时两光斑点的连线平行于水平面，并且两个激光发射器所发出的激光束必须共面。

作为本发明所述的一种利用激光监测超高层建筑变形的装置进一步优化方案，基座设置在地面稳固基点处，基座与超高层建筑的距离大于超高层建筑总体高度的一半。

作为本发明所述的一种利用激光监测超高层建筑变形的装置进一步优化方案，所述激光发射装置还包括太阳能电池板和/或备用电源，太阳能电池板和/或备用电源设置在基座上，太阳能电池板和/或备用电源为激光发射器提供电源。

作为本发明所述的一种利用激光监测超高层建筑变形的装置进一步优化方案，还包括显示装置，显示装置与数据处理系统连接，数据处理系统将解算出的超高层建筑顶端中心点的实时三维坐标匹配到所建立的超高层建筑三维模型上；显示装置将数据匹配后的超高层三维模型摆动变化及其顶端中心点的三维坐标实时显示出来。

基于上述的一种利用激光监测超高层建筑变形的装置的测量方法，包括以下步骤：

两个激光接收装置实时捕获激光发射装置所发射到自身上的激光光斑；

数据处理系统提取激光接收装置上的激光光斑边缘，对激光光斑的椭圆图形边缘点拟合，求取激光光斑中心点坐标；

将求取出的激光光斑中心点坐标与超高层建筑未发生形变时标定的激光光斑中心点坐标进行比较，得出两套激光接收装置共计4个激光光斑中心点的位移变化信息；

将位移变化信息结合两个激光接收装置在空间位置上的相互约束关系，解算出两个激光接收装置中心点的三维坐标；

依据超高层建筑未发生形变时测算出的激光接收装置中心点相对于超高层建筑顶端中心点的位置关系，激光接收装置中心点的实时三维坐标换算出超高层建筑顶端中心点的实时三维坐标；

根据超高层顶端中心点实时的三维坐标，模拟出该点实时变化的三维曲线，所得曲线即是超高层建筑顶端摆动的信息。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明利用激光监测超高层建筑变形装置能够有效的监测超高层建筑的变形情况，实现了自动化、全天候监控；

(2)本发明利用激光监测超高层建筑变形装置可以通过两套激光发射装置和激光信号接收装置，解算系统，实现超高层建筑各方位变形监测，结构简单有效，成本低，方便实用；

(3)本发明利用激光监测超高层建筑变形装置通过预先设置的程序自动监控，操作简单、智能，利于大范围推广。

附图说明

图1是新型超高层建筑物变形监测结构示意图。

图2是激光发射器固定位置示意图。

图3是激光接收装置中心位置点及接收光斑预标定点示意图。

图4是激光光斑中心点位置计算流程图。

图5是数据处理实施流程图。

图6是超高层建筑顶端中心位置偏移坐标解算示意图。

图7是超高层建筑顶端中心位置偏移坐标解算示意图。

图8a是超高层建筑顶端中心位置偏移坐标解算示意图，图8b为e面激光靶板所捕获的信息。

图9是监测装置结构框图。

图中的附图标记解释为：1-激光发射器，2-激光发射装置固定基座，3-所发射激光线束，4-激光接收装置，5-超高层建筑，6-超高层建筑顶端中心点位置，7-激光接收靶板，8-激光光斑捕获位置预标定点(右侧)，9-激光接收靶板中心位置，10-激光光斑捕获位置预标定点(左侧)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，激光发射和接收装置共计两套，其中每套装置中包含两个固定基座2和激光发射器1，一个激光接收装置4；

激光发射器1通过固定基座2固定在离超高层建筑低端一定水平距离的稳固基点上；

固定基座的选取如图2所示，每套激光发射和接收装置中的两个固定基座应相距的距离以大于超高层建筑总体高度的一半为宜；两固定基座的连线与超高层建筑相距的距离以大于超高层建筑总体高度的一半为宜；

激光接收靶板7固定于超高层建筑5顶端的表面，该靶板面与水平面呈垂直放置，两套激光接收靶板面分别固定于超高层建筑顶端的相邻两侧，要求两靶板面水平高度一致，且两板面的位置关系呈相互垂直(如图1所示位置)；

进一步的，选择微风或无风天气，调整激光发射器1，使每套中的两发射器所发射出的激光光束打向激光接收装置的激光靶板面上，要求位于左侧激光发射器所发射的激光光束打到靶板左侧预标定点10，右侧激光发射器所发射的激光光束3打到靶板左侧预标定点8，并且两点相距20cm，在标定调节时两光斑点的连线平行于水平面(如图3所示)，要求两激光光束共面。

在超高层建筑顶端的相邻侧面布设激光发射装置和激光接收装置；

进一步的，保证两个激光接收装置激光靶板分别位于超高层建筑顶端的相邻两侧，两靶板结构面积相同，固定于同一高度，两靶面垂直于水平面且相互垂直(如图1所示位置)。

对激光光斑边缘进行提取，通过算法计算激光中心点的位置，进而保证激光光斑实时位置的测量准确度。

首先通过激光光斑图像的预处理来确定光斑的区域范围，设定阈值建立光斑图像分割的方法，获得圆环区域的外边界，通过边缘点拟合，从而得到光斑的具体位置，获得激光光斑准确的中心坐标，光斑中心位置提取处理流程如图4所示。

(1)去除噪声干扰，根据靶板图像的灰度像素值(i,j)设定光斑g(i,j)分割阈值。

(2)根据阈值设定结果，得出光斑点区域范围。

(3)计算所认定的光斑区域范围内的像素平均值t¹：

(4)根据相应发射距离测试，确定阈值t¹系数k，计算最终阈值t^f，

t^f＝kt¹

(5)依据阈值t^f提取激光光斑边缘，对光斑椭圆形的边缘进行最小二乘拟合，提取光斑中心点位置。

拟合方程：

其中，(xi,yi)(i＝1,2,…n)是拟合椭圆的边缘坐标，a,b,c,d,e为椭圆一般方程中的系数，min表示拟合最小值；

在拟合结果中剔除残差大的点，将拟合后所得椭圆的中心点坐标进行求平均，计算得出激光光斑中心点坐标。

数据处理系统流程，如图5所示，根据本申请的数据处理方法的一个实施例的流程。数据处理方法，包括以下步骤：

步骤501，激光光斑的获取，激光接收装置4是由psd位置敏感检测器所组成的激光光斑接收靶，固定在超高层建筑的顶端且靶面垂直于水平面，用来捕获激光发射器所发射的激光光斑。

步骤502，激光光斑中心点位置计算，由于激光光束不是垂直射向激光接收靶板版面，而是呈一定角度，其夹角越小激光接收靶板上捕获的光斑呈现出的椭圆的离心率越大，光斑的中心位置越不好确定，因此需要对激光光斑图像进行图像分割，通过边缘点拟合计算，获得激光光斑准确的坐标。

步骤503，激光接收靶板面中心位置坐标计算，将步骤502中求出的激光光斑中心点坐标与最初搭建装置时其标定坐标进行比较，得出两套激光接收装置共计4个激光光斑中心点的位移变化信息，并通过另外一个激光接收靶板接收到的激光光斑位置进行辅助，可计算出超高层建筑位移后激光接收靶板中心点相对于原超高层建筑未发生偏移时中心点(激光接收靶板中心位置9)的位姿变化，根据当前时刻相对姿态的计算结果，结合原激光接收靶板面中心点(激光接收靶板中心位置9)的坐标得出发生偏移后靶面中心点实时的三维坐标。

步骤504，超高层建筑顶端中心位置坐标计算，通过步骤503所解出的超高层建筑偏移后靶板中心点的三维坐标，依据前期测算出超高层建筑未发生形变时两激光接收靶板中心点和超高层建筑顶端中心点位置6位置的三维坐标和三者之间的空间位置关系，推算出超高层建筑偏移时顶端中心点实时的三维坐标。

步骤505，建立中心位置点随时间的位移变化三维模型，根据前期对所要检测的超高层建筑测量数据建立该建筑的三维模型，结合步骤504所计算出的顶端中心点位置变化的三维坐标，建立动态三维模型。

步骤506，综合分析，数据处理系统结合当天实时的风向、风力、温度、湿度、气压等环境信息，绘制各个自变量(环境信息)和因变量(超过高层建筑偏移量)的散点图，利用重回归分析方法分析比较环境信息对超高层建筑偏移量的影响。

步骤507，显示系统，将步骤505中所生成的超高层建筑三维模型的动态变化效果通过显示系统呈现出来，同时显示步骤506中所比较的各种环境信息值和风力与超高层建筑位移的相关程度信息。

超高层建筑顶端中心点三维坐标计算举例。

假设某一时刻超高层建筑顶端向右偏移，如图6所示，左侧为超过高层建筑偏移示意图，右侧为固定在超高层建筑顶端的两个激光接收靶板，靶板上的黑点为所捕获的激光光斑。数据处理的主要过程就是要通过两靶板上的光斑位置信息计算超高层建筑顶端中心点位置6的三维坐标。

如图7所示为n面激光靶板所捕获的信息，计算两激光光斑的连线与靶板横向线所形成的夹角∠1，所得出的∠1度数既是超高层建筑该位置右偏的角度。

如图8b为e面激光靶板所捕获的信息，其中，a、b、o点为超高层建筑未发生偏移时的两激光光束所打向靶板面的光斑点和靶板中心点，a’、b’点为超高层建筑该时刻发生偏移时的两激光光束所打向靶板面的光斑。

如图8a所示，aa’和bb’两直线表示为激光发射器所发出的激光光束线，两线束的位置关系已知，a、b间的距离为原标定距离20cm，a’、b’间的距离可通过靶板捕获测出，因此可求出oc的距离，o’为超高层建筑该时刻偏移后靶板原o点的偏移位置，o’c的尺寸可有靶板得出。

在△oco’中，oc、o’c已知，∠oco’为∠1的补交，因此oo’的距离可根据余弦定理得出。

进一步的，由原o(x,y,z)点的坐标，结合oo’的距离和方位信息，计算出o’(x′,y′,z′)的三维坐标。

进一步的，根据o’(x′,y′,z′)的三维坐标计算出超高层建筑顶端中心点6的三维坐标，如步骤504。

显示系统，显示系统所呈现的主要内容包括以下方面：

(1)超高层建筑实时摆动的三维模型，如步骤505所述；

(2)超高层建筑水平方向摆动变化轨迹图，以此图来监测超高层建筑的水平方向的偏移信息；

(3)超高层建筑垂直方向摆动变化轨迹图，以此图来监测超高层建筑的沉降信息；

(4)实时环境信息：风速、风力、风向、温度、湿度、气压等，作为超高层建筑变形的外界环境影响因子；

(5)风速/风力对超高层建筑变形的关系图，如步骤506所述，进行比较分析，显示结果。

本发明一种利用激光监测超高层建筑变形装置的结构框图如图9所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。