基于CCD方法的超高層建筑周日擺動監(jiān)測研究

蘭澤英,劉　洋

(1.廣東工業(yè)大學 管理學院，廣東 廣州 510060；2.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

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基于CCD方法的超高層建筑周日擺動監(jiān)測研究

蘭澤英1,劉洋2

(1.廣東工業(yè)大學 管理學院，廣東 廣州 510060；2.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

摘要：對超高層建筑塔體進行周日擺動監(jiān)測，為施工投點糾偏和選擇合適投點時機提供科學依據，是施工控制網豎向傳遞的核心問題。文中針對現有方法在自動化采集及實時表達方面的不足，基于自適應閾值激光光斑中心定位方法，自主研發(fā)基于CCD的塔體擺動監(jiān)測系統，并采用傾斜儀方法與之做同步比較研究。兩種方法在廣州市東塔施工第三方監(jiān)測中互為檢核驗證，具有借鑒意義。

關鍵詞：超高層建筑；塔體周日擺動監(jiān)測；CCD；傾斜儀

隨著人類社會的進步,建筑科技的發(fā)展,以及城市建設用地的日益緊張,超高層建筑在世界各地越來越多地涌現,城市空間布局日益呈現出由平面向立體縱深發(fā)展的趨勢。

根據《混凝土結構工程施工及驗收規(guī)程》超高層建筑全高垂直度允許偏差不得超過H/1 000 且≤30 mm[1]。由于受日照、地球自轉、風力、溫差等多種因素影響，超高層建筑主塔樓處于周期性的偏擺運動狀態(tài)，這種動態(tài)特性，直接影響施工控制網豎向傳遞的準確性[1]。因此，研發(fā)精確、高效、智能化的超高層建筑周日擺動監(jiān)測系統，了解其塔體周日擺動規(guī)律，為施工投點糾偏和選擇合適投點時機提供科學依據，是施工控制網豎向傳遞的核心問題。

目前，超高層建筑周日擺動監(jiān)測方法有數字正垂儀法[1-3]、GPS法[4-8]、測量機器人[9]法等，以上方法在內外業(yè)一體化、自動化采集及實時表達等方面還有待提高。為此，本文基于自適應閾值激光光斑中心定位方法，融合傳感器技術、圖像識別技術及計算機網絡技術自主研發(fā)基于CCD的塔體擺動監(jiān)測系統，并首次成功應用到廣州市東塔(530 m，111層)的第三方監(jiān)測中。此外，本文采用傾斜儀監(jiān)測系統與CCD方法做同步比較研究，互為檢核驗證，對同類項目開展具有重要指導意義。

1CCD方法在超高層建筑塔體周日擺動監(jiān)測中的應用

1.1CCD系統構成及精度指標

基于CCD的塔體擺動監(jiān)測系統由硬件和軟件構成，其中硬件(見圖1)包括垂準儀、接受靶、標定靶及工業(yè)相機等,軟件(見圖2)包括光環(huán)中心自動提取與數據后處理等功能。

圖1　CCD系統硬件部分

圖2　CCD系統軟件部分

該系統精度指標為測量范圍Y方向90 mm，X方向90 mm；圓環(huán)中心提取精度0.17 mm；圖像物面分辨率0.061 mm；采集速率24次/s(重心法)，7次/s(圓環(huán)法)；激光垂準儀(大連拉特JZC-G)標稱精度1/200 000。

1.2工作原理及關鍵技術

CCD系統的工作原理：垂準儀向上垂直發(fā)射激光束(激光束形狀一般有單點型和環(huán)珊型兩種，本文采用環(huán)珊形激光束)，激光束通過精密柱筒中的接收靶時成像在接收靶上，位于接收靶上面固定距離的工業(yè)攝像機對其拍攝獲取激光束圖像，則物理相對位移轉化為位移傳感器的模擬信號進入數據采集卡，并輸送到計算機；軟件系統實時對數據進行處理、運算，獲取激光束中心實時位置，并通過界面實時顯示被測對象的相對位移量；最后根據實時位移數據及后處理數據綜合分析物體的運動軌跡。

可見，光斑中心自動提取技術是CCD軟件系統的關鍵，基本思路是首先提取光斑的邊緣，再利用相應的算法計算中心點的位置?；趫D像二值化的邊緣提取方法簡單，但其分割閾值不好確定，而現有的最大類間方差法以及迭代法等對具有小面積比特點的激光光斑圖像分割效果不理想。為此，本文采用自適應閾值激光光斑中心定位方法，首先采用一種針對激光光斑圖像的自適應閾值圖像二值化分割方法，然后提取二值化圖像的邊緣并利用最小二乘橢圓擬合來確定其中心，總體技術路線如圖3所示。實踐表明，該方法計算量小，實時性好且定位精度高。

圖3　激光光斑中心提取流程

1.2.1自適應閾值二值化

無衍射激光束圖像具有同心圓特征，且激光光斑圖像在圖像處理中表現為R波段有較強的分量。因此，首先要提取R波段的分量，再利用數學形態(tài)學法對提取出的光斑圖像進行濾波處理，消除噪聲干擾的影響。在對去噪后的激光光斑進行二值化處理時，針對光斑圖像的亮度與相機的曝光量成一定比例關系的特點，提出一種自適應二值化閾值計算方法，對光斑圖像進行二值化分割，提取圖像邊緣。其具體步驟：

1)計算經過濾波去噪處理后的光斑圖像的平均像素值T0，作為圖像分割的初始閾值,

(1)

(2)

式中：g(i,j)是圖像中(i,j)的灰度像素值。

2)根據初始閾值T0將激光圖像分為目標和背景兩個部分，同時計算出目標所占圖像區(qū)域的范圍imin,jmin,imax,jmax。

3)計算目標范圍內所有像素點的像素平均值Tl。

4)根據圖像亮度與相機曝光量之間的關系，確定的閾值乘以比例系數K(一般取經驗值K=0.8)作為最終二值化的閾值Tf，對圖像進行二值化分割。

(3)

1.2.2橢圓擬合中心定位

在進行橢圓擬合中心定位之前，需要提取上述二值化圖像的圓環(huán)邊緣坐標作為輸入數據。其具體過程：①利用重心法計算出光斑的大體的中心位置；②以此中心位置作一條水平線，沿著該水平線找尋像素突變點；③以每一個突變點為起始點，通過邊緣追蹤尋找每個圓環(huán)的邊緣點。

由于激光束圖像具有同心圓特征，需要針對提取的每個圓環(huán)進行最小二乘擬合。本文利用橢圓方程對提取的邊緣進行擬合，橢圓的一般方程為[7]

Ax2+By2+Cxy+Dx+Ey+1=0.

(4)

擬合準則為

(5)

其中:(xi,yi)(i=1,2,…,n.)為每個圓環(huán)邊緣的坐標。

橢圓擬合完成之后，計算橢圓擬合的殘差和中誤差。將計算所得的殘差較大的點以及中誤差過大的橢圓剔除掉，進行二次擬合。同樣計算二次擬合的中誤差和殘差，直到擬合之后的殘差符合要求。擬合出的橢圓的中心坐標可按式(6)計算：

(6)

(7)

計算得出每個橢圓的中心坐標之后，取所有橢圓中心的坐標平均值作為最終的中心定位坐標，見式(7)，其中(Xi,Yi)為每個擬合橢圓的中心坐標，m為擬合橢圓的總個數。

1.3CCD方法在廣州市東塔施工監(jiān)測中的應用

本文首次將CCD在線動態(tài)監(jiān)測系統應用于廣州市東塔(111層，530 m，廣州市標志性建筑)施工過程的第三方監(jiān)測中，觀測時間為2014-06-12T15:22～2014-06-13T10:32，主要對東塔57～89層進行樓體周日擺動變化監(jiān)測。整個觀測過程中，數據采樣率設置為1 Hz，采集數據時間19 h 10 min，觀測樓層之間的高差約為134.2 m。觀測數據的處理主要包括數據預處理及數據擬合。數據預處理主要針對原始數據采用二倍中誤差進行噪聲剔除，得到X坐標和Y坐標的預處理后的數據。數據擬合是利用四次多項式對預處理后的數據進行擬合，將預處理后的數據及擬合值繪制在同一圖表中，見圖4和圖5。

圖4　CCD方法獲取的源數據及處理結果

圖5　傾斜儀方法獲取的源數據及處理結果

獲取的源數據、預處理及擬合處理后的結果如圖4所示。通過對X，Y坐標變化曲線分析可知：X坐標值(東西方向)最大偏移量約為4.11 mm，相對于中心點最大偏移量約為2.06 mm；Y坐標值(南北方向)最大偏移量約為2.57 mm，相對于中心點最大偏移量約為1.29 mm。

利用擬合后X坐標，Y坐標數據繪制點位軌跡如圖6(a)所示。由圖6可知，塔體(89層相對于57層)在X，Y方向相對中心位置最大偏移量分別為2.06 mm和1.29 mm。綜合考慮人眼識別能力、投點標定誤差及測量系統誤差等因素，目前57～89轉換層之間尚不需要對控制點進行投點改正。

2傾斜儀方法做同步觀測研究

為了驗證CCD方法的正確性，本文同時采用傾斜儀監(jiān)測系統進行同步觀測，并進行比較驗證。以廣州市東塔57～89層樓體周日擺動變化監(jiān)測為例，將2臺Nivel210傾斜儀分別安裝在東塔的57層、89層同一結構柱上，且豎直方向大致在一條直線，兩臺傾斜儀的高度差大概為134.25 m。

觀測過程中，傾斜儀數據采樣速率為1 Hz，采集時間為19 h 10 min，圖5(a)、圖5(b)分別為東塔在X，Y方向上偏移量和RMS值隨時間的變化曲線。以每30 s的數據(30個讀數)為一組，對原始數據進行噪聲剔除，然后利用matlab工具，選取合適的函數，對噪聲剔除后的數據進行擬合。數據擬合后東塔X，Y方向的偏移量隨時間變化曲線如圖5(c)所示?？芍猉方向的變化范圍為(-0.82 mm，1.15 mm)，Y方向的變化范圍為(-0.85 mm，0.78 mm)。利用擬合后X方向、Y方向偏移量繪制點位軌跡，如圖6(b)所示。分析可得出以下結論：

1)整個監(jiān)測大部分時間內，RMS值波動較大，即受外界環(huán)境因素的影響較大，初步判斷此波動變化是由外界高頻振動引起，應選取RMS值較小，變化穩(wěn)定的時段進行激光投點；

2)由于塔體(89層)在X，Y方向相對中心位置最大偏移量分別約為0.98 mm和0.82 mm，綜合考慮人眼識別能力、投點標定誤差及測量系統誤差等因素，目前57～89轉換層之間尚不需要對控制點進行投點改正。

3CCD方法與傾斜儀方法的比較分析

對兩種方法的原理、安裝和結果做比較分析，可得出結論：

1)兩種方法的原理和安裝方法均不同：CCD方法是利用工業(yè)測量相機拍攝激光準直儀發(fā)射出來的激光光斑，對激光光斑圖像進行處理，最終得到超高層建筑物的周日變形規(guī)律，傾斜儀監(jiān)測系統通過監(jiān)測傾斜角變化反映超高層建筑物的周日變形規(guī)律。CCD方法需要依靠激光傳輸路徑(如預留孔、電梯井)進行安裝，傾斜儀監(jiān)測系統安裝需保持上下兩臺傾斜儀安裝方位一致。

2)兩種方法基本上同步觀測。CCD動態(tài)監(jiān)測與傾斜儀動態(tài)監(jiān)測在塔內位置相同，數據采樣率都為1 Hz，采集數據時間相同，但受現場條件影響，兩種方法起始觀測時間和結束時間略有差異。

3)兩種方法得到的點位變化趨勢和變化量基本吻合。因受現場條件影響，兩種方法起始觀測時間相差了11 min，且傾斜儀對外界施工的高頻震動較為敏感，考慮以上因素，兩種方法得到的塔體運動軌跡是較相似的，如圖6所示。且CCD方法得到的塔體在X，Y方向相對中心位置最大偏移量為1～2 mm，傾斜儀方法為1 mm左右，可見兩種方法均可實時準確的監(jiān)測東塔的周日變化規(guī)律，達到了相互驗證和補充的目的。

圖6　CCD方法和傾斜儀方法獲取的周日點位軌跡對比

4)傾斜儀方法受施工震動等短周期因素影響較大，CCD方法在知識產權、穩(wěn)定性和可靠性等方面更有優(yōu)勢?；贑CD的塔體周日擺動監(jiān)測系統由武漢大學測繪學院和我院合作開發(fā)，具有自主知識產權，填補了我國空白，其具有高精度、高采樣率、全自動化觀測及實時處理等顯著優(yōu)勢，通過高采樣率和數據后處理可有效消除施工震動、風震等短周期因素影響，更加穩(wěn)定可靠。

4結束語

超高層建筑的施工難度很大，主要表現在兩

點：一是按照相關規(guī)范，其全高垂直度允許偏差不得超過H/1 000 且≤30 mm；二是塔體受日照、風、施工震動等多因素影響，處于運動狀態(tài)，直接影響施工控制網豎向傳遞的準確性。因此，超高層建筑第三方監(jiān)測對于保障建筑物施工安全、幕墻及高速電梯順利安裝以及為建筑設計提供重要參考等具有重要意義。

本研究針對超高層建筑施工控制網豎向傳遞過程中激光垂準儀投點對塔體擺動影響關注不夠，或擺動監(jiān)測方法內外業(yè)一體化不足、自動化程度不高等缺陷，采用產學研相結合方式，自主設計研發(fā)了基于CCD的塔體擺動監(jiān)測系統等新型測量裝備，有效解決了超高層建筑施工控制網豎向傳遞傾斜偏差改正這一關鍵性技術難題,極大拓寬了施工測量時激光投點的時段(即不需固定在不施工、無風的深夜進行投點)，具有一定科學意義和較重大的工程意義。

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[責任編輯：李銘娜]

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.08.001

收稿日期：2015-08-19

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金資助項目(41301377)

作者簡介：蘭澤英(1983-)，女，講師，博士.

中圖分類號：P208

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)08-0001-04

Daily deformation monitoring for super high-rise building based on CCD method

LAN Zeying1,LIU Yang2

(1.Guangdong University of Technology,Guangzhou 510060,China; 2.Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute,Guangzhou 510060,China)

Abstract：The daily deformation monitoring for super high-rise building,which provides scientific basis for construction point correction and point time choosing,is the core of the construction control network vertical transmission.In view of the shortfalls of the existing methods in automatic surveying and real-time expressing,this paper researches and develops the CCD on-line dynamic monitoring system based on the adaptive threshold laser spot center positioning method.Besides,it also adopts the inclinometer method to do synchronization comparative study.The two methods are checked and verified each other by the third-sect1y in the construction of Guangzhou East Tower.

Key words：high-rise building;daily deformation monitoring;CCD method;inclinometer method