CN112013811A - 一种基于视觉测量的房屋结构沉降监测装置 - Google Patents

一种基于视觉测量的房屋结构沉降监测装置 Download PDF

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袁辉
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王国军
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Abstract

本发明提供了一种基于视觉测量的房屋结构沉降监测装置，包括靶标、激光发射器、补光灯、摄像装置、数据处理模块、警报单元；靶标固定安装在房屋墙体长度方向的一侧；激光发射器按照面矩阵方式或沿高度方向等差数列方式固定安装在房屋外墙上靶标的同一侧；补光灯固定安装在激光发射器的一侧；摄像装置用于拍摄及传送靶标视频信号数据至数据处理模块；数据处理模块用于存储和分析视频信号数据，输出指令与警报单元、补光灯和摄像装置进行信息交互；警报单元用于输出警报信号及数据至移动客户端和/或本地终端。该装置实施步骤简单、所需设备体积小易安装，对受监测房屋所处的地形环境要求低，能够实现全天候高精度监测，降低成本也扩展应用前景。

Description

一种基于视觉测量的房屋结构沉降监测装置
技术领域
本发明属于房屋监测技术领域，特别涉及一种基于视觉测量的房屋结构沉降监测装置。
背景技术
目前国家的既有房屋存量大，有相当一部分早期建设的房屋进入了老化时期，需要密切监控其结构健康状态，沉降是衡量房屋结构健康的重要指标，也是评估房屋结构安全的重要项目。
房屋结构的沉降分为均匀沉降与不均沉降两种，其中均匀沉降是指结构在平面内的各点沿垂直方向产生相同方向的位移，底层以上建筑并不倾斜，房屋上部结构一般不会发生破坏。而不均匀沉降是指结构在平面内的各点沿垂直方向产生了位移并不相同，地面以上建筑会倾斜，房屋上部结构易产生开裂甚至倾倒等破坏。
现在可以用于房屋沉降的监测技术如全自动全站仪需要在受监测房屋附近架设仪器，因此需要良好的通视条件且设备价格昂贵。基于全球导航卫星系统(GNSS)的监测技术采用的是卫星信号，在一些复杂的高山区地形条件下卫星信号会被阻挡，这会对测量结果形成影响，因此使用该技术需要良好的地形平坦度，而且该技术在平面测量精度较高但在高程测量精度较低。基于合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术利用卫星拍摄多景图像通过相位信息提取地球表面三维和高程信息来测量沉降，该技术设备复杂，成本高昂，不适用于一般的房屋监测项目。基于连通液原理的静力水准仪监测精度一般在毫米级，不适合房屋沉降值2mm/天就需要报警的监测需求(住建部颁发的JGJ125-2016《危险房屋鉴定标准》规定：当房屋处于相邻地下工程施工影响时，地基沉降速率大于2mm/天，且短期内无收敛趋势，则认为房屋地基处于危险状态)。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种结合激光靶标检测与测量的房屋沉降视觉监测方法，能够自动计算房屋的不均匀沉降，无需借助其他仪器设备，整个过程实现智能化、无人化，显著降低了人工工作量，增加了监测结果的客观性和准确性。
具体提供了一种基于视觉测量的房屋结构沉降监测装置，技术方案具体为：包括靶标、激光发射器、补光灯、摄像装置、数据处理模块、警报单元；
所述靶标固定安装在房屋墙体长度方向的一侧；
所述激光发射器设置有多组，按照面矩阵方式或沿高度方向等差数列方式固定安装在房屋外墙上靶标的同一侧；
所述补光灯固定安装在激光发射器的一侧，发出的光线朝向靶标，与摄像装置和数据处理模块电性连接；
所述摄像装置固定安装在补光灯一侧，用于拍摄及传送靶标视频信号数据至数据处理模块；
所述数据处理模块用于存储和分析视频信号数据，输出指令与警报单元、补光灯和摄像装置进行信息交互；
警报单元用于输出警报信号及数据至移动客户端和/或本地终端。
作为改进，所述靶标设置为方形暗箱式靶标，包括接收屏，所述接收屏的每个对角位置单独地布置有一组关于接收屏中心对称的实心十字标记。
作为改进，所述激光发射器设置有N组，序号为1，2，3……N，N为正整数，其中N组激光发射器的激光光斑均分布在实心十字标记之间。
作为改进，：所述激光发射器固定安装在待测墙体表面，每组激光发射器对应一组靶标，设置为a×b面矩阵排布方式布置，a、b为正整数。
作为改进，激光发射器沿受监测房屋墙体长度方向设置，距离地面水平面的高度设置为0.5～3m，其中所述等差数列方式时，设置两组激光发射器沿房屋高度方向上差值为h，h设置为接收屏上所有激光光斑数据统计后最大激光光斑直径的2～10倍。
作为改进，所述数据处理模块采用内置算法处理摄像装置拍摄图像中初始时刻的靶标中心位置、激光光斑中心位置，物理距离和像素的比例尺R；及采用相对沉降计算算法区分靶标图像的N组光斑，及每组光斑对应激光发射器每一时刻的沉降值。
作为改进，采用内置算法计算图像中物理距离和像素的比例尺R的方法为：
步骤一，设定接收屏为长方体结构，四个对角独立地设置呈中心对称的实心十字标记，其中长度方向上同一侧两实心十字标记中心之间的物理距离为m，高度方向上同一侧两实心十字标记中心之间的物理距离为n；
步骤二，计算图像中长度方向上同一侧两实心十字标记中心之间的像素数量num_m，高度方向上同一侧两十字标记中心之间的像素数量num_n；
步骤三，通过步骤一和步骤二得出像素的比例尺R＝(num_m/m+num_n/n)/2。
作为改进，采用相对沉降计算算法计算序号为N的激光发射器当前时刻的沉降值方法为：采用透视投影校正方法，获得拍摄图像；再计算当前时刻视频图像中激光光斑中心位置；计算当前时刻视频中激光光斑中心位置与初始时刻激光光斑中心位置的差值d；最后，该激光发射器当前时刻的沉降值D＝d×R。
有益效果：本发明提供的基于视觉测量的房屋结构沉降监测装置，与常规技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明实施步骤简单、所需设备体积小易安装，对受监测房屋所处的地形环境要求低；
(2)本发明中一台拍摄设备可以实现多个沉降监测点的测量，降低了成本；
(3)本发明采用暗箱靶标可以降低接受平面上光强随环境光线变化而变化幅度，从而实现全天候高精度监测。
(4)本发明激光发射器可按面阵方式设置，相应地，靶标上激光光斑的分布变化反映了结构测量面的形变，进而实现形变场的计算与分析，有拓展应用前景。
附图说明
图1为本发明装置布置示意图。
图2为本发明靶标图。
图3为本发明所实例的激光发射器初始时刻和监测中的位置图。
图4为本发明所实例的监测墙体形变场的设备布置图。
具体实施方式
下面对本发明附图结合实施例作出进一步说明。
如图1所示，本发明提及的基于激光的房屋相对沉降监测装置包括：靶标1，可选择为暗箱式靶标、N个激光发射器2、补光灯3、摄像装置4，可选择为高清摄像机、数据处理模块用于存储和分析视频信号数据，输出指令与警报单元、补光灯和摄像装置进行信息交互；警报单元用于输出警报信号及数据至移动客户端和/或本地终端。
数据处理模块5，可选择为管理计算机，但凡能够用于实现本发明中数据处理及分析的都属于本发明的保护范围。
暗箱式靶标固定在房屋墙体长度方向的一侧，设置为方形暗箱式靶标，包括接收屏，所述接收屏的每个对角位置单独地布置有一组关于接收屏中心对称的实心十字标记。
作为本发明的具体实施方式，如图2所示暗箱式靶标为形状为长方体，其接收屏的每个角布置有呈中心对称的实心十字标记，长度方向上同一侧两十字标记中心之间的物理距离为m，高度方向上同一侧两十字标记中心之间的物理距离为n。
如图1所述N个激光发射器固定在房屋外墙，沿着受监测房屋墙体长度方向布置，距离地面高度在0.5米至3米之间为宜。相邻激光发射器，按照面矩阵方式或沿高度方向等差数列方式固定安装在房屋外墙上靶标1的同一侧。
作为本发明的具体实施方式，相邻激光发射器2在房屋高度方向上间隔距离为h，h设置为接收屏上所有激光光斑数据统计后最大激光光斑直径的2～10倍。
N个激光发射器正对靶标的接收屏，如图2所示保证所有激光器产生的激光光斑分布范围在靶标的4个十字标记之间，所述N为大于等于1的正整数，是受监测房屋的测点布置数量。
如图1所示，补光灯3布置在激光发射器2一侧，光线朝向靶标1，与管理计算机通讯连接，根据管理计算机的控制指令以对所述拍摄区域进行光强补偿；高清摄像机布置在激光发射器2一侧，拍摄靶标1的视频，与管理计算机通讯连接，管理计算机的控制高清摄像机的拍摄并储存记录视频数据；
作为本发明的具体实施方式，以图1所示为例，受监测房屋的某层沿着墙体长度方向布置了4个激光发射器，每个激光发射器的位置是受监测房屋沉降测点的位置；高清摄像机拍摄初始时刻的相片反馈至管理计算机；
管理计算机使用内置算法计算并记录初始时刻相片中靶标中心位置、激光光斑中心位置；
管理计算机使用内置算法计算相片中物理距离和像素的比例尺R，计算方法如下：
计算相片即图像中长度方向上同一侧两十字标记中心之间的像素数量num_m，高度方向上同一侧两十字标记中心之间的像素数量num_n；
R＝(num_m/m+num_n/n)/2。
为了对N个激光发射器做区分，设置如下：所述N个激光发射器具有各自独立的编号，记为1号，2号，3号……N号，N为正整数；
高清摄像机拍摄靶标1视频反馈至管理计算机；管理计算机内置有相对沉降计算算法，算法可以区分靶标图像上的N个光斑；
如图3所示，以1个激光发射器的光斑为例，该测点相对沉降计算主要步骤如下：第一步，使用透视投影校正以减少拍摄时镜头畸变或倾斜拍摄带来的误差；第二步，计算当前时刻视频中激光光斑中心位置；第三步，计算当前时刻视频中激光光斑中心位置与初始时刻激光光斑中心位置的差值d；最后，该激光发射器当前时刻的沉降值D＝d×R。
管理计算机内设置有一警报模块；警报模块响应于管理计算机监测的沉降数据超限，发送一警报消息至指定客户端或本地终端；指定客户端可以是工作人员的手机、电脑、pad端等等，目的是实现监测自动化和无人值守，节约人力；
激光发射器2可按面阵方式设置，相应地，激光发射器2固定安装在待测墙体表面，每组激光发射器2对应一组靶标1，设置为a×b面矩阵排布方式布置，a、b为正整数，靶标上激光光斑的分布变化反映了结构测量面的形变，进而实现形变场的计算与分析。
如图4所示，在待测墙体表面按照面矩阵方式布置靶标阵列，在待测墙体表面正前方布置激光器阵列，每个靶标对应一个激光发射器，激光发射器与地面固定且正对靶标的接收屏，如图2所示保证激光器产生的激光光斑分布范围在对应靶标的4个十字标记之间；
如图4所示，补光灯3布置在激光发射器2一侧，光线朝向靶标1，与管理计算机通讯连接，根据管理计算机的控制指令以对所述拍摄区域进行光强补偿；高清摄像机布置在激光发射器2一侧，拍摄靶标1的视频，与管理计算机通讯连接，管理计算机的控制高清摄像机的拍摄并储存记录视频数据；
为本发明的具体实施方式，以图4所示为例，在待测墙体表面按照面3×3矩阵方式布置9个靶标，在墙体正前方布置9个激光发射器，每个激光发射器的位置是在待测墙体形变测量的位置；高清摄像机拍摄初始时刻的相片反馈至管理计算机；
管理计算机使用内置算法计算并记录初始时刻相片中靶标中心位置、激光光斑中心位置；
高清摄像机4拍摄靶标1视频反馈至管理计算机；管理计算机内置有光斑位移计算算法用来计算出每个靶标上激光光斑相对于初始时刻的位移；统计所有靶标上激光光斑的位移来评估待测墙体的形变场发生情况。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于视觉测量的房屋结构沉降监测装置，其特征在于：包括靶标(1)、激光发射器(2)、补光灯(3)、摄像装置(4)、数据处理模块、警报单元；
所述靶标(1)固定安装在房屋墙体长度方向的一侧；
所述激光发射器(2)设置有多组，按照面矩阵方式或沿高度方向等差数列方式固定安装在房屋外墙上靶标(1)的同一侧；
所述补光灯(3)固定安装在激光发射器(2)的一侧，发出的光线朝向靶标(1)，与摄像装置(4)和数据处理模块电性连接，
所述摄像装置(4)固定安装在补光灯(3)一侧，用于拍摄及传送靶标(1)视频信号数据至数据处理模块；
所述数据处理模块用于存储和分析视频信号数据，输出指令与警报单元、补光灯(3)和摄像装置(4)进行信息交互；
警报单元用于输出警报信号及数据至移动客户端和/或本地终端。
2.根据权利要求1所述基于视觉测量的房屋结构沉降监测装置，其特征在于：所述靶标(1)设置为方形暗箱式靶标，包括接收屏，所述接收屏的每个对角位置单独地布置有一组关于接收屏中心对称的实心十字标记。
3.根据权利要求2所述基于视觉测量的房屋结构沉降监测装置，其特征在于：所述激光发射器(2)设置有N组，序号为1，2，3……N，N为正整数，其中N组激光发射器(2)的激光光斑均分布在实心十字标记之间。
4.根据权利要求3所述基于视觉测量的房屋结构沉降监测装置，其特征在于：所述激光发射器(2)固定安装在待测墙体表面，每组激光发射器(2)对应一组靶标(1)，设置为a×b面矩阵排布方式布置，a、b为正整数。
5.根据权利要求2所述基于视觉测量的房屋结构沉降监测装置，其特征在于：激光发射器(3)沿受监测房屋墙体长度方向设置，距离地面水平面的高度设置为0.5～3m，其中所述等差数列方式时，设置两组激光发射器沿房屋高度方向上差值为h，h设置为接收屏上所有激光光斑数据统计后最大激光光斑直径的2～10倍。
6.根据权利要求2-5中任一所述基于视觉测量的房屋结构沉降监测装置，其特征在于：所述数据处理模块采用内置算法处理摄像装置(4)拍摄图像中初始时刻的靶标中心位置、激光光斑中心位置，物理距离和像素的比例尺R；及采用相对沉降计算算法区分靶标图像的N组光斑，及每组光斑对应激光发射器每一时刻的沉降值。
7.根据权利要求6所述基于视觉测量的房屋结构沉降监测装置，其特征在于：采用内置算法计算图像中物理距离和像素的比例尺R的方法为：
步骤一，设定接收屏为长方体结构，四个对角独立地设置呈中心对称的实心十字标记，其中长度方向上同一侧两实心十字标记中心之间的物理距离为m，高度方向上同一侧两实心十字标记中心之间的物理距离为n；
步骤二，计算图像中长度方向上同一侧两实心十字标记中心之间的像素数量num_m，高度方向上同一侧两十字标记中心之间的像素数量num_n；
步骤三，通过步骤一和步骤二得出像素的比例尺R＝(num_m/m+num_n/n)/2。
8.根据权利要求6所述基于视觉测量的房屋结构沉降监测装置，其特征在于：采用相对沉降计算算法计算序号为N的激光发射器(2)当前时刻的沉降值方法为：采用透视投影校正方法，获得拍摄图像；再计算当前时刻视频图像中激光光斑中心位置；计算当前时刻视频中激光光斑中心位置与初始时刻激光光斑中心位置的差值d；最后，该激光发射器当前时刻的沉降值D＝d×R。
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