CN108487216A - 用于监测地基沉降的闭环像机串联网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于监测地基沉降的闭环像机串联网络。包括2种网路，即闭环位姿传递像机串联网络和闭环位移传递像机串联网络，能够高精度实时监测待测目标相对于测量基准的垂直方向沉降量。本方法中的闭环像机串联网络能够有效减少控制点的数目，并且在同等控制点数目条件下变形监测精度得到明显提高。可用于高层建筑、铁路、隧道、公路、地面、桥梁等大型结构地基沉降监测，具有重要的理论研究意义和广泛的应用前景。

Description

用于监测地基沉降的闭环像机串联网络

技术领域

本发明涉及两种用于高层建筑、铁路(含地铁、高铁)、隧道、公路、地面、桥梁等大型结构地基沉降监测的闭环像机串联网络方法，具体是利用闭环位姿传递像机串联网络和闭环位移传递像机串联网络的摄像测量技术实现地基沉降自动监测的方法。

背景技术

随着城市建设步伐加速，高层建筑、铁路(含地铁、高铁)、隧道、公路、地面、桥梁等大型结构出现在人们的生产生活中。然而，任何建筑的建设都会对地基和周围地面产生影响，加上建筑自身荷载，建筑物会发生一定程度沉降，当不均匀沉降达到一定程度，会严重影响建筑物施工设计和威胁建筑物安全。为及时发现和防止危害的发生，急需研制地基沉降变形自动监测系统，建立起能用于大规模沉降变形监测的全天候、全自动长期监测网络，实时提供被测设施地基的沉降状态，并根据预先设置的参数实现及时的安全预警预告。

目前为止，地基沉降监测技术大致可分为三类：传统土木监测技术、卫星监测技术以及光学测量技术。传统土木监测，具有操作简单、易于测量等优点，但是普遍存在一些问题：接触测量，影响施工，且受环境影响大；安装和维护困难；测量数据需要人工采集，工作强度大，不能实现沉降的自动监测。卫星监测技术如GPS广泛应用在地质灾害监测、滑坡变形监测、采矿地面沉降监测和地面沉降监测等领域。但成本较高，且在铅垂方向的精度不高，由于需要接受信号、卫星存在运行周期，只能应用在露天情况，不能对隧道、深山峡谷等地区进行测量，且观测时段和观测频率受限。光学测量技术采用光学经纬仪、电子全站仪等仪器，具有非接触测量、精度高等优点。但也有自身的局限性，如难以实现测量过程的自动化，观测周期长，观测受外界环境条件限制多等。

摄像测量是一门已经发展比较成熟的测量技术，它涉及了光学测量、摄影测量以及计算机视觉等学科领域，汲取各学科之所长，具有高精度、非接触、动态测量以及实时测量等优点，已经在飞行器姿态估计、大型结构形变测量、勘察勘测、质量监测、建筑施工、三维重建等领域得到了广泛的应用。

对于大型结构变形测量，发明人所在研究中心先前提出的同时传递位置和姿态的折线光路像机链摄像测量原理，和基于位移传递像机链摄像测量的路基沉降自动监测方法与系统。前面提出的两种方法在构造像机串联网络时均未考虑闭环结构约束。针对高层建筑等大型结构的地基沉降监测需求，我们必须围绕大型结构布置监测设备。因此本发明提出一种用于监测大型结构地基沉降的闭环像机串联网络方法，利用闭环位姿传递像机串联网络或闭环位移传递像机串联网络的摄像测量技术实现大型结构地基沉降的自动监测。

相比此前提出的非闭环位姿和位移传递像机串联网络，闭环像机串联网络能够有效减少控制点的数目，并且在同等控制点数目条件下沉降变形监测精度得到明显提高。本发明进一步拓展了像机串联网络的应用范围，可用于大型结构地基的沉降监测，具有重要的理论研究意义和广泛的应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对大型结构地基沉降监测的工程困难，提出两种用于监测大型结构地基沉降的闭环像机串联网络方法。通过闭环设计能够有效减少控制点的数目，并且在测量单元自身可能存在沉降的条件下实现大型结构地基的高精度和长时间连续监测。

根据大型结构待监测量的类型，我们发明了两种闭环像机串联网络方法：针对位置和姿态变形六维数据的监测需求，我们提出了闭环位姿传递像机串联网络，能够高精度实时监测待测目标相对于测量基准的位置和姿态变形六维数据；针对仅关注垂直方向沉降量的监测需求，我们提出了闭环位移传递像机串联网络，能够高精度实时监测待测目标相对于测量基准的垂直方向沉降量。

本发明的技术解决方案是：用闭环像机串联网络实现大型结构地基沉降的监测。下面我们分别详细介绍这两种闭环像机串联网络方法。

图1为在大型结构四周布置的闭环位姿传递像机串联网络示意图，在各待测点安装测量单元并形成闭环。像机串联网络主要由1个严格不动或沉降变形的基准点，和若干个测量单元组成。其中，测量单元由摄像机和合作标志固联组成。其组合方式有多种，原则是满足相邻测量单元间相对位置姿态的测量需要，即本级摄像机能够拍摄相邻级的合作标志，或本级的合作标志能被相邻级的摄像机拍摄到。测量单元中各组件之间的姿态关系事先精确标定，并且在测量过程中保持不变；

工作时，所有测量单元中的摄像机同步采集图像，提取得到各个合作标志在各图像中的位置，并综合基准点的沉降信息处理得到所有测量单元的位置和姿态变形六维数据。

图2为在大型结构四周布置的闭环位移传递像机串联网络示意图。主要是在各待测点处安装测量单元，测量单元包括交替出现的多头像机单元和合作标志单元，并形成闭环，实现对待测区域多目标垂直方向沉降量的实时监控。实际测量中可根据测量要求选择个数不同的合作标志单元以及设计不同形式的多头像机。闭环位移传递像机串联网络中存在1个严格不动或沉降变形的基准点。不失一般性,以图2为例，该大型结构闭环位移传递像机串联网络在相邻多头像机站之间设置两个合作标志单元，且链路中多头像机均为双头像机，测量过程中要求像机可同时对左侧或右侧两个标志成像。同样传递站中多头像机之间的姿态关系事先精确标定，并且在测量过程中保持不变；

与闭环位姿传递像机串联网络工作原理类似，闭环位移传递像机串联网络通过各个合作标志在各图像中的位置和基准点的沉降信息，处理得到所有测量单元在垂直方向的沉降量。

所述的合作标志是指点特征之间相互关系精确已知的目标。其中闭环位姿传递像机串联网络中的合作标志采用立体标志，便于像机进行高精度位姿估计测量；闭环位移传递像机串联网络中的合作标志采用垂直方向上距离精确已知的两个点特征，用于确定像机对合作标志的成像放大倍数。标志可以主动发光，也可以依靠反射日光或其他光源进行成像。标志优选为红外发光标志，以满足全天时测量需求。

所述的像机沿用了摄像测量学中的习惯，侧重于动态、实时的采集图像和测量。实际工程中大型结构地基的下沉量通常是比较缓慢的，可以使用普通非连拍的相机。具体类型和型号可根据实际需要和采样频率来选定。

所述的闭环像机串联网络是指多个测量单元构成闭环的测量链路。相比此前提出的位姿和位移传递像机串联网络，闭环像机串联网络能够有效减少控制点的数目，并且在同等控制点数目条件下变形监测精度得到明显提高。

本方法中的测量单元能够安装在自身可能存在沉降的地基上，通过闭环像机串联网络将基准点和待测量点连接起来，利用测量单元内部的固连约束和像机对标志成像的几何约束关系，解算待测量目标的位置和姿态变形六维数据或者在垂直方向的沉降量。

由于本方法是利用闭环像机串联网络来传递测量大型结构周围各测量单元的沉降，因此我们称本方法为闭环像机串联网络方法，并以此区别于发明人所在研究中心先前提出的同时传递位置和姿态的折线光路像机链摄像测量原理，和基于位移传递像机链摄像测量的路基沉降自动监测方法与系统。前面提出的两种方法在构造像机串联网络时均未考虑闭环结构约束，本方法提出的闭环像机串联网络能够有效减少控制点的数目，并且在同等控制点数目条件下变形监测精度得到明显提高。本发明进一步拓展了像机串联网络的应用范围，可用于大型结构地基的沉降监测，具有重要的理论研究意义和广泛的应用前景。

闭环像机串联网络监测的基本原理:

闭环位姿传递像机串联网络和闭环位移传递像机串联网络均通过构造闭环像机串联网络，实现大型结构地基的沉降监测，但两者具有不同的工作原理。我们首先介绍闭环位姿传递像机串联网络的基本原理：

如图1所示的闭环位姿传递像机串联网络，S为严格不动或沉降变形的基准点，n个测量单元依次编号为T1、T2、T3、…Ti、…T(n-2)、T(n-1)、Tn。基准点和第一级测量单元之间、相邻测量单元之间、最后一级测量单元与基准点之间是可通视的，形成闭环结构。其相对位姿关系可通过基于单摄像机的三维位置姿态测量方法实时获得；

经过多级传递测量，各个测量单元在测量基准坐标系下的旋转矩阵和平移向量可表示为：

¹R₀、¹T₀分别表示基准点S和测量单元T1之间的旋转矩阵和平移向量，ⁱ⁺¹R_i、ⁱ⁺¹T_i分别表示测量单元T(i+1)和测量单元Ti之间的旋转矩阵和平移向量；

闭环位姿传递像机串联网络中存在闭环约束，即基准点通过像机串联网络再回到基准点自身的旋转矩阵是单位矩阵，且平移向量为0，表示如下：

闭环约束式(3)作为约束项加入位姿传递像机串联网络的解算优化中。同时根据误差传播理论，距离基准点S越远的测量单元，其测量误差越大。因此在优化过程中根据像机串联网络的实际布设情况，给各测量单元的测量结果加入相应的权值，即距离基准点越近的测量单元，权值越大；距离基准点越远的测量单元，权值越小。实验证明在仅1个基准点条件下，闭环位姿传递像机串联网络的变形监测精度相比之前提出的非闭环位姿传递像机串联网络取得了明显提高；

闭环位姿传递像机串联网络测量所有测量单元相对基准的位置和姿态。根据不同时刻的位置和姿态，可计算出被测目标的姿态角变形和位置变化。

闭环位移传递像机串联网络的基本原理：图2为闭环位移传递像机串联网络。我们以相邻双头像机站之间设置两个标志为例。设像机串联网络中共有n个多头像机站和2n个标志，S为严格不动或沉降变形的基准点。测量单元包括标志和双头像机依次编号为M1,DHC1,M2,M3,DHC2,M4,M5,DHC3,…,M(2i-2),M(2i-1),DHC(i),M(2i),M(2i+1),…,DHC(n-1),M(2n-2),M(2n-1),DHC(n)。标志安装在待测点处，每个像机同时拍摄左侧或右侧的两个标志，最终围绕形成闭环结构。闭环位移传递像机串联网络中存在两种基本约束：

固连约束：双头像机由两个相同型号的单头像机朝相反的方向固连在一条直线上，具有相同的沉降、俯仰以及旋转等变化；

同名约束：同一合作标志可能被不同的像机拍摄到，但其实际的沉降变化量不变；

当不考虑像机的旋转时，双头像机DHC(i)所拍摄左侧M(2i-2),M(2i-1)两个标志和右侧M(2i),M(2i+1)两个标志在竖直方向位移量运算公式为：

公式(4)中右上标为双头像机编号，右下标为合作标志编号；h为合作标志在像机图像中的竖直位移量，k为图像对标志的放大倍数；Δy为合作标志或双头像机处的路基沉降量；d是双头像机与合作标志间的距离；θ^Ci为编号为Ci的双头像机单元的俯仰角变化量。h可由相应标志点图像坐标的变化得到，d、k具体数值可通过标定得到，Δy、θ为监测量；

按照闭环位移传递像机串联网络图2所示的安装方式，根据公式(4)可以列出4n个方程，但存在4n-1个未知数：2n-1个合作标志沉降量，n个双头像机沉降量以及n个像机俯仰角变化量。该监测模型为一个未知数个数小于方程个数的线性方程组，可由线性最小二乘方法快速求解。

本发明可以达到以下的技术效果：

1)本发明利用多个测量单元构成闭环像机串联网络，将各个沉降待测点与1个及以上沉降已知的基准点联系起来。利用测量单元内部的固连约束和像机对标志成像的几何约束关系，实现大型结构地基的沉降监测；

2)本发明根据大型结构地基待监测量的类型，提出了两种闭环像机串联网络。针对位置和姿态变形六维数据的监测需求，采用闭环位姿传递像机串联网络，实时监测待测目标相对于测量基准的位置和姿态变形六维数据；针对仅关注垂直方向沉降量的监测需求，采用闭环位移传递像机串联网络，实时监测待测目标相对于测量基准的垂直方向沉降量；

3)本方法仅需要1个以上基准点或沉降已知的测量单元，并且基准点在闭环像机串联网络中的位置不限。可根据工程现场情况安装测量单元并形成闭环，实现多点沉降的自动监测；

4)本发明提出的闭环像机串联网络能够有效减少基准点的数目，并且在同等基准点数目条件下沉降监测精度得到明显提高；

5)本发明可以在自身可能存在沉降的测量区域条件下，实现对大型结构地基沉降的自动、高精度、长时间、连续测量。

附图说明

图1闭环位姿传递像机串联网络示意图；

图2闭环位移传递像机串联网络示意图。

具体实施方式

本发明监测沉降的过程如下:

1)根据大型结构地基监测的现场要求，在每个需要测量的位置设立测量单元，且形成闭环，从而构成闭环位姿传递像机串联网络，或者闭环位移传递像机串联网络；

2)闭环像机串联网络中各像机同步采集图像；

3)从图像序列中高精度提取各个标志在图像中的位置；

4)将上一步得到的各标志图像坐标数据按成像几何约束关系统一进行处理，得到待测量目标的位置和姿态变形六维数据(闭环位姿传递像机串联网络)，或者在垂直方向的沉降量(闭环位移传递像机串联网络)。

Claims (3)

1.用于监测地基沉降的闭环像机串联网络，包括两种闭环像机串联网络，一种是针对位置和姿态变形六维数据监测需求的闭环位姿传递像机串联网络；一种是针对仅关注垂直方向沉降量监测需求的闭环位移传递像机串联网络，其特征在于，

所述闭环位姿传递像机串联网络包括1个严格不动或沉降变形的基准点和多个测量单元，在各待测点安装测量单元并形成闭环，测量单元由摄像机和合作标志固联组成，测量单元中各组件之间的姿态关系事先标定，并且在测量过程中保持不变；所有测量单元中的摄像机同步采集图像，提取得到各个合作标志在各图像中的位置，综合基准点的沉降信息处理得到所有测量单元的位置和姿态变形六维数据；

所述闭环位移传递像机串联网络包括1个严格不动或沉降变形的基准点及多个测量单元，在各待测点处安装测量单元并形成闭环，测量单元包括交替出现的多头像机单元及合作标志单元；通过各个合作标志在各图像中的位置和基准点的沉降信息，处理得到所有测量单元在垂直方向的沉降量。

2.根据权利要求1所述的用于监测地基沉降的闭环像机串联网络，其特征在于，所述闭环位姿传递像机串联网络，S为严格不动或沉降变形的基准点，n个测量单元依次编号为T1、T2、T3、…Ti、…T(n-2)、T(n-1)、Tn，基准点和第一级测量单元之间、相邻测量单元之间、最后一级测量单元与基准点之间是可通视的，形成闭环结构，

经过多级传递测量，各个测量单元在测量基准坐标系下的旋转矩阵和平移向量表示为：

¹R₀、¹T₀分别表示基准点S和测量单元T1之间的旋转矩阵和平移向量，ⁱ⁺¹R_i、ⁱ⁺¹T_i分别表示测量单元T(i+1)和测量单元Ti之间的旋转矩阵和平移向量；

闭环位姿传递像机串联网络中存在闭环约束，即基准点通过闭环位姿传递像机串联网络再回到基准点自身的旋转矩阵是单位矩阵，且平移向量为0，表示如下：

3.根据权利要求1所述的用于监测地基沉降的闭环像机串联网络，其特征在于，所述闭环位移传递像机串联网络，包括n个多头像机站和2n个合作标志，S为严格不动或沉降变形的基准点，合作标志和双头像机依次编号为M1,DHC1,M2,M3,DHC2,M4,M5,DHC3,…,M(2i-2),M(2i-1),DHC(i),M(2i),M(2i+1),…,DHC(n-1),M(2n-2),M(2n-1),DHC(n)，合作标志安装在待测点处，每个像机同时拍摄左侧或右侧的合作标志，最终围绕形成闭环结构，闭环位移传递像机串联网络中存在两种约束：

固连约束：双头像机由两个相同型号的单头像机朝相反的方向固连在一条直线上，具有相同的沉降、俯仰以及旋转等变化；

同名约束：同一合作标志能被不同的像机拍摄到，但其实际的沉降变化量不变；

当不考虑像机的旋转时，双头像机DHC(i)所拍摄左侧M(2i-2),M(2i-1)两个标志和右侧M(2i),M(2i+1)两个标志在竖直方向位移量运算公式为：

公式(4)中右上标为双头像机编号，右下标为合作标志编号；h为合作标志在像机图像中的竖直位移量，k为图像对标志的放大倍数；Δy为合作标志或双头像机处的路基沉降量；d是双头像机与合作标志间的距离；θ^Ci为编号为Ci的双头像机单元的俯仰角变化量，h由相应标志点图像坐标的变化得到，d、k具体数值通过标定得到，Δy、θ为监测量；

公式(4)列出4n个方程，即得出监测模型，该监测模型由线性最小二乘方法求解得出。