CN117452374B - 一种建筑物地下沉降监测方法及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种建筑物地下沉降监测方法及监测系统，涉及沉降监测技术领域，利用机载激光雷达对各个待测区域进行点云数据的采集,生成三维向量数据序列；根据所述三维向量数据序列计算多个相邻待测区域的地形形变比值序列；对所述多个相邻待测区域的地形形变比值序列进行突变位置分析，确定沉降隐患区域；向隐患区域输入振动信号，基于振动信号能量变化确定沉降隐患区域内的沉降异常位置。

Description

一种建筑物地下沉降监测方法及监测系统

技术领域

本发明涉及土体沉降监测技术领域，具体涉及一种建筑物地下沉降监测方法及监测系统。

背景技术

在建筑工程中，建筑物地基变形是尤其需要严格控制的，在建筑物地基修建过程中以及工后运营阶段，应进行必要的地基水平位移及竖向位移观测，以判断地基变形是否在合理的范围内，保证建筑物安全，随着我国城市化的进程，城市建筑面积日益扩大。当建筑物建成以后，如若建筑物在使用过程中出现地基沉降不均和沉降范围过大，极易引起上部建筑的开裂、倾斜甚至倒塌。

近年来，差分合成孔径雷达干涉测量技术是区域沉降监测最有效和常用的手段，利用DInSAR技术，能够采用非接触的方式，对地表上某个研究区域在一定周期内的微小形变量进行监测，这种方法尤其适用于地表区域沉降监测。但这种技术受到时空失相干及大气的影响较大，监测精度一般在厘米级。永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术，把关注的重点整个SAR影像转移到了相关性良好的永久散射体点，在降低时空失相干影响的同时，大大提高了解缠的精度，但是由于沉降在空间维和时间维都有显著的变化，没有结合其特点选取合适的数学模型难以保证所提取的结构体上沉降点的精度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种建筑物地下沉降监测方法，包括如下步骤：

S1、利用机载激光雷达对各个待测区域进行点云数据的采集,生成三维向量数据序列；

S2、根据所述三维向量数据序列计算多个相邻待测区域的地形形变比值序列；

S3、对所述多个相邻待测区域的地形形变比值序列进行突变位置分析，确定沉降隐患区域；

S4、向隐患区域输入振动信号，基于振动信号能量变化确定沉降隐患区域内的沉降异常位置。

进一步地，步骤S2包括：

获取三维向量数据序列中的第i个待测区域的高程值Z_i，将高程值Z_i通过下式转化为第i个待测区域的地形形变值：

；

式中，为标定系数，/>为第i个待测区域的散射角度；

计算相邻待测区域的地形形变比值T_i：

；

其中，为第i个待测区域的地形形变值，/>为第i+1个待测区域的地形形变值，Z_i+1第i+1个待测区域的高程值Z_i，/>为第i+1个待测区域的散射角度；

多个相邻待测区域的地形形变比值T_i形成地形形变比值序列T={T₁，…T_i，…T_n-1}。

进一步地，步骤S3包括：

S31、对地形形变比值序列T进行对数运算lnT,得到对数序列D,D={d₁、…、d_k、…、d_n-1}；对于每个k,将样本序列分成d₁,d₂,…,d_k-1和d_k,d_k+1,…,d_n-1两段,计算两段样本的平均值、/>以及总体样本的平均值/>；

S32、计算两段样本的离差平方和之和S_K及总的离差平方和S：

；

；

其中，d_j为对数序列D中的第j个样本，k为将对数序列D分割为两段样本的分割点；

S33、令分割点k取不同的值，不断的变换两段样本的分割方式，直至找到S_k和S均突变的分割点k。

进一步地，步骤S4包括：

S41、计算振动信号在横向和纵向上的能量值；

S42、计算所述横向和纵向上的能量值的方差值，设置阈值确定沉降异常位置。

进一步地，步骤S41中，将振动信号f(t)展开成能量幅值表现形式，有下式：

；

式中，t为时间，隐患区域内的位置坐标为（a,b），R为隐患区域面积，C为振动系数,为能量幅值；

计算振动信号在横向和纵向上的能量值：

；

其中，A为隐患区域的横向坐标a的最大值，B为隐患区域纵向坐标b的最大值，E(a)为横向振动信号能量值,E(b)为纵向振动信号能量值。

进一步地，步骤S41中，计算振动信号在横向和纵向上的能量值的方差值r：

；

设定检测阈值U_r,计算公式为:

；

则隐患区域内的位置（a,b）处的横向振动信号能量值和纵向振动信号能量值均大于U_r时，此位置为沉降异常位置。

本发明还提出了一种建筑物地下沉降监测系统，包括：机载激光雷达、处理器、监测装置、振动信号发生装置、振动信号采集装置；

利用所述机载激光雷达对各个待测区域进行点云数据的采集,将采集到的点云数据输入到所述处理器，生成三维向量数据序列，并根据三维向量数据序列计算多个相邻待测区域的地形形变比值序列；

所述监测装置对多个相邻待测区域的地形形变比值序列进行突变位置分析，确定沉降隐患区域；

所述振动信号发生装置向隐患区域输入振动信号，所述振动信号采集装置基于振动信号能量变化确定沉降隐患区域内的沉降异常位置。

相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：

利用机载激光雷达对各个待测区域进行点云数据的采集,生成三维向量数据序列；根据所述三维向量数据序列计算多个相邻待测区域的地形形变比值序列；对所述多个相邻待测区域的地形形变比值序列进行突变位置分析，确定沉降隐患区域；向隐患区域输入振动信号，基于振动信号能量变化确定沉降隐患区域内的沉降异常位置,从而有导向性的对风险性高的区域进行重点监测，提高监测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的建筑物地下沉降监测方法的流程图。

图2为本发明的总的离差平方和的突变点示意图。

图3为本发明的建筑物地下沉降监测系统结构示意图。

图4为本发明的沉降监测云平台示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述设备中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。

如图1所示，为本发明的一种建筑物地下沉降监测方法的流程图，包括如下步骤：

S1、利用机载激光雷达对各个待测区域进行点云数据的采集,生成三维向量数据序列。

利用机载激光雷达对待测区域进行点云数据的采集，通过移动测量操控软件来纠正系统姿态和处理GNSS数据进行点云数据的解算，生成包含地物、地面点三维坐标信息las格式的高精度点云数据。

采用处理软件对原始点云数据采用三角网渐进加密滤波算法进行滤波，对滤波后地面点手动分类的方式进行点云去噪，生成最终的地面点云数据，然后采用平均值以及自然邻域插值法，生成n个待测区域上的三维向量数据序列V，每个待测区域上的三维向量数据V_i用函数的形式描述为：

V_i=（X_i,Y_i,Z_i）；i=1,2,……n；

式中,X_i,Y_i是平面坐标，Z_i是（X_i,Y_i）对应的高程值。

步骤S2、根据三维向量数据序列计算多个相邻待测区域的地形形变比值序列。

获取三维向量数据序列中的第i个待测区域的高程值Z_i，将高程值Z_i通过公式1）转化为第i个待测区域的地形形变值：

；

式中，K为标定系数，为第i个待测区域的散射角度；

根据第i个待测区域的地形形变值计算相邻待测区域的地形形变比值T_i：

；

其中，为第i+1个待测区域的地形形变值，Z_i+1第i+1个待测区域的高程值Z_i，为第i+1个待测区域的散射角度。

多个相邻待测区域的地形形变比值T_i形成地形形变比值序列T={T₁，…T_i，…T_n-1}。

S3、对多个相邻待测区域的地形形变比值序列进行突变位置分析，确定沉降隐患区域。

突变位置分析法是一种对非线性数据进行处理的数理统计方法,目的在于确定一个数据序列里发生突变的位置，具体步骤如下：

S31、对地形形变比值序列T进行对数运算lnT,得到对数序列D,D={d₁、…、d_k、…、d_n-1}；对于每个k(k≥2),将样本序列分成d₁,d₂,…,d_k-1和d_k,d_k+1,…,d_n-1两段,计算出两部分样本的平均值、/>以及总体样本的平均值/>。

S32、计算两部分样本的离差平方和之和S_K及总的离差平方和S：

；

；

其中，d_j为对数序列D中的第j个样本，k为将对数序列D分割为两段样本的分割点。

S33、令k取不同的值，即不断的变换不同的样本划分方式，直至找到Sk和S均突变的点k，点k所对应的待测区域即为沉降隐患区域。

这里突变的点的确定方式可以采用作图的方式，优选地，采用统计检验方法，该方法不需要样本遵从一定的分布，也不受到少数异常值的干扰，更实用于类型数据和顺序数据，如图2所示，k点就是总的离差平方和S的突变点示意图。

S4、向隐患区域输入振动信号，基于振动信号能量变化确定沉降隐患区域内的沉降异常位置。

通过地面设备向降隐患区域输入振动信号，当振动信号中存在较为明显的相对变形时,该相对变形的特征频率将会较为明显。振动信号的能量呈周期性变化，隐患区域在振动过程中,其动能和势能是周期性交替变化的。因此在一定时间内,隐患区域会经历动能和势能的最大值和最小值，在波形图上表现为正弦或余弦波形。在特征频率下,位于具体沉降位置处的振动信号能量将产生突变,且大于相邻位置的信号能量。振动信号能量幅值满足正态分布,设定能量阈值用于确定具体沉降位置。

S41、计算振动信号在横向和纵向上的能量值。

振动信号f(t)的波形变换是能量守恒的,能量在横向和纵向上是相同的,将振动信号f(t)展开成能量幅值表现形式，有下式成立：

；

式中，t为时间，a为隐患区域横向坐标，b为隐患区域纵向坐标，R为隐患区域面积，为能量幅值。C为波峰因数，是波形的峰值除以有效值，在波形中冲击较多时这个值就更大。

计算振动信号在横向和纵向上的能量值：

；

其中，A为隐患区域横向坐标a的最大值，B为隐患区域纵向坐标b的最大值，E(a)为横向振动信号能量值,反映了振动信号的能量在横向上的分布情况，绘制振动信号在横向上的能量谱图；E(b)为纵向振动信号能量值,反映了信号的能量在纵向上的分布，绘制振动信号在纵向上的能量谱图。

S42、计算振动信号在横向和纵向上的能量值的方差值，设置阈值确定沉降异常位置。

计算振动信号在横向和纵向上的能量值的方差值r：

；

设置阈值确定变形位置，确定相对变形幅值。

设定检测阈值U_r,计算公式为:

；

则隐患区域内的位置（a,b）处的横向振动信号能量值和纵向振动信号能量值均大于U_r时，此位置即为沉降异常位置。

如图3所示，为本发明的建筑物地下沉降监测系统结构示意图。该建筑物地下沉降监测系统包括：机载激光雷达、处理器、监测装置、振动信号发生装置、振动信号采集装置。

利用机载激光雷达对各个待测区域进行点云数据的采集,将采集到的点云数据输入到处理器，生成三维向量数据序列，并根据三维向量数据序列计算多个相邻待测区域的地形形变比值序列。

监测装置对多个相邻待测区域的地形形变比值序列进行突变位置分析，确定沉降隐患区域；

振动信号发生装置向隐患区域输入振动信号，振动信号采集装置基于振动信号能量变化确定沉降隐患区域内的沉降异常位置。

在优选实施例中，建筑物地下沉降监测系统还建立了监测云平台，如图4所示，致点监测数据发布展示平台，采用Web形式通过加密登录，远程查询项目监测数据情况，调整设置报警方式及阈值。

一个监测云平台可同时在多个项目之间进行相互切换，地图实时显示监测站点位置，站点在线，离线情况；同时看到各类监测项目，生成折线变化情况图片，数据更加直观。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程设备。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种建筑物地下沉降监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、利用机载激光雷达对各个待测区域进行点云数据的采集,生成三维向量数据序列；

S2、根据所述三维向量数据序列计算多个相邻待测区域的地形形变比值序列；

获取三维向量数据序列中的第i个待测区域的高程值Z_i，将高程值Z_i通过下式转化为第i个待测区域的地形形变值：

；

式中，为标定系数，/>为第i个待测区域的散射角度；

计算相邻待测区域的地形形变比值T_i：

；

其中，为第i个待测区域的地形形变值，/>为第i+1个待测区域的地形形变值，Z_i+1第i+1个待测区域的高程值Z_i，/>为第i+1个待测区域的散射角度；

多个相邻待测区域的地形形变比值T_i形成地形形变比值序列T={T₁，…T_i，…T_n-1}；

S3、对所述多个相邻待测区域的地形形变比值序列进行突变位置分析，确定沉降隐患区域；

S4、向隐患区域输入振动信号，基于振动信号能量变化确定沉降隐患区域内的沉降异常位置。

2.根据权利要求1所述的建筑物地下沉降监测方法，其特征在于，步骤S3包括：

S31、对地形形变比值序列T进行对数运算lnT,得到对数序列D,D={d₁、…、d_k、…、d_n-1}；对于每个k,将样本序列分成d₁,d₂,…,d_k-1和d_k,d_k+1,…,d_n-1两段,计算两段样本的平均值、/>以及总体样本的平均值/>；

S32、计算两段样本的离差平方和之和S_K及总的离差平方和S：

；

；

其中，d_j为对数序列D中的第j个样本，k为将对数序列D分割为两段样本的分割点；

S33、令分割点k取不同的值，不断的变换两段样本的分割方式，直至找到S_k和S均突变的分割点k。

3.根据权利要求2所述的建筑物地下沉降监测方法，其特征在于，步骤S4包括：

S41、计算振动信号在横向和纵向上的能量值；

S42、计算所述横向和纵向上的能量值的方差值，设置阈值确定沉降异常位置。

4.根据权利要求3所述的建筑物地下沉降监测方法，其特征在于，步骤S41中，将振动信号f(t)展开成能量幅值表现形式，有下式：

；

式中，t为时间，隐患区域内的位置坐标为（a,b），R为隐患区域面积，C为振动系数,为能量幅值；

计算振动信号在横向和纵向上的能量值：

；

其中，A为隐患区域的横向坐标a的最大值，B为隐患区域纵向坐标b的最大值，E(a)为横向振动信号能量值,E(b)为纵向振动信号能量值。

5.根据权利要求4所述的建筑物地下沉降监测方法，其特征在于，步骤S41中，计算振动信号在横向和纵向上的能量值的方差值r：

；

设定检测阈值U_r,计算公式为:

；

则隐患区域内的位置（a,b）处的横向振动信号能量值和纵向振动信号能量值均大于U_r时，此位置为沉降异常位置。

6.一种建筑物地下沉降监测系统，其特征在于，用于实现权利要求1-5任意一项所述的建筑物地下沉降监测方法，包括：机载激光雷达、处理器、监测装置、振动信号发生装置、振动信号采集装置；

利用所述机载激光雷达对各个待测区域进行点云数据的采集,将采集到的点云数据输入到所述处理器，生成三维向量数据序列，并根据三维向量数据序列计算多个相邻待测区域的地形形变比值序列；

所述监测装置对多个相邻待测区域的地形形变比值序列进行突变位置分析，确定沉降隐患区域；

所述振动信号发生装置向隐患区域输入振动信号，所述振动信号采集装置基于振动信号能量变化确定沉降隐患区域内的沉降异常位置。