基于數(shù)字近景攝影的基坑監(jiān)測方法改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)

李國鴻，楊正麗，孟 良，覃發(fā)超，魯 恒

(1.航天建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 豐臺區(qū) 100070；2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；3.總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 朝陽區(qū) 100028；4.西華師范大學(xué) 國土資源學(xué)院，四川 南充 637009)

基坑邊坡變形監(jiān)測主要對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)施監(jiān)測，在施工期間對基坑支護(hù)體進(jìn)行連續(xù)的高精度監(jiān)測，并從巖土工程專業(yè)的角度對監(jiān)測數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行及時分析，為相關(guān)部門及時提供可靠的數(shù)據(jù)信息；從而用以評定基坑施工對周圍土體的影響，對可能發(fā)生的安全事故及時提出建議；預(yù)防基坑開挖所引起的周圍土體附加變形對基坑帶來不良的安全隱患，為施工安全和施工方案優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

傳統(tǒng)基坑水平位移監(jiān)測方法主要有測小角法、極坐標(biāo)法、視準(zhǔn)線法、三角導(dǎo)線法、三角網(wǎng)法等[1]；而坡頂豎向位移監(jiān)測則主要采用幾何水準(zhǔn)測量方法。

傳統(tǒng)測量方法存在以下3點(diǎn)不足。

1)傳統(tǒng)監(jiān)測方法是一種接觸測量方法，對基坑監(jiān)測人員存在不確定的危險性，從某種意義上說增加了安全風(fēng)險，對單位的安全管理帶來了一定的壓力；

2)傳統(tǒng)監(jiān)測方法作業(yè)時間長，受場區(qū)環(huán)境影響較大，在規(guī)定的監(jiān)測頻率內(nèi)，有可能需要耗費(fèi)大量的時間，為了加快作業(yè)進(jìn)度，有可能需要增加作業(yè)組，相應(yīng)就會增加時間成本和人員成本；

3)測小角法、極坐標(biāo)法、視準(zhǔn)線法等傳統(tǒng)監(jiān)測方法對測區(qū)條件有一定的要求[2]，所以測區(qū)情況對監(jiān)測方法的選擇有較大的局限性，目前的情況是為了縮短外業(yè)作業(yè)時間，選擇的作業(yè)方法可能不太適合基坑的實(shí)際情況，導(dǎo)致的后果就是變形數(shù)據(jù)不能真實(shí)地反映基坑變形情況。

本文提出了一種采用數(shù)字近景攝影測量方法進(jìn)行基坑邊坡水平位移監(jiān)測的技術(shù)方法，從而實(shí)現(xiàn)了高效、無接觸、高精度的測量。

1 研究方法

攝影測量作為近年來發(fā)展較快的一種測量技術(shù)手段，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于測量項(xiàng)目工作中。數(shù)字近景攝影測量通過獲取被測物體清晰的影像信息及少量的外業(yè)控制點(diǎn)，來完成其各種測量工作[3－4]，可獲取被測區(qū)域任意點(diǎn)三維坐標(biāo)，快捷、方便、精度高并實(shí)現(xiàn)無接觸測量。三維監(jiān)測技術(shù)可以快捷高效地判斷監(jiān)測目標(biāo)的整體和局部變形情況，可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的不足[5]。近景攝影測量和傳統(tǒng)監(jiān)測方法一樣也存在一定的局限性，控制點(diǎn)必須選在穩(wěn)定可靠的區(qū)域[6]，且必須在攝影范圍之內(nèi)，攝影范圍內(nèi)不能有遮擋物，保證視線通視。

數(shù)字近景攝影測量主要通過普通單反高分辨率的數(shù)碼相機(jī)，拍攝被測物體影像[7]。通過新的影像匹配技術(shù)(能夠根據(jù)物體表面特征及對應(yīng)色彩靈活分布三維點(diǎn))、空中三角測量、光速法平差，獲取被測物體點(diǎn)云及影像的外方位元素，從而建立三維點(diǎn)云與影像間的對應(yīng)關(guān)系[8]。即通過二維影像獲取空間三維結(jié)構(gòu)信息，完成測量工作。其主要技術(shù)有以下3個特點(diǎn)。

1)多基線攝影方式。將原來按 “單模型”處理的交向攝影，拓展為多個模型的區(qū)域；將區(qū)域網(wǎng)空中三角測量由航空攝影測量引入 “近景攝影測量”， 由于 “多基線”， 可以實(shí)現(xiàn) “全自動”處理。

2)拍攝多視角?？臻g一個點(diǎn)由多條光線交會而成，提高三維點(diǎn)精度；獲取影像外方位元素，建立匹配點(diǎn)與影像間的對應(yīng)關(guān)系，可快速獲取空間任意點(diǎn)三維坐標(biāo)；可通過特征點(diǎn)代替控制點(diǎn)，進(jìn)行無接觸測量，工作強(qiáng)度低、安全方便。

3)三維模型自動接邊，影像與點(diǎn)云間自動映射，快速無縫完成真實(shí)紋理的三維建模；空三成果數(shù)據(jù)根據(jù)應(yīng)用方向，可導(dǎo)入對應(yīng)平臺處理應(yīng)用，可生成的測量成果包括三維點(diǎn)云、大比例尺地形圖、立面圖、真實(shí)三維紋理、正射影像等[9]。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

針對某建筑物基坑的水平位移監(jiān)測工作，編制傳統(tǒng)監(jiān)測方案并實(shí)施，同時編制數(shù)字近景攝影測量技術(shù)方案，并進(jìn)行可行性研究，通過實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。

2.1 工程概況

某建筑物的基坑平面布置圖如圖1所示。

圖1 基坑監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)示意圖

2.2 傳統(tǒng)監(jiān)測方案

坡頂水平位移監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)獨(dú)立三角網(wǎng)，使用Leica TCA2003測量機(jī)器人配合反射小棱鏡，測定監(jiān)測點(diǎn)在獨(dú)立坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變化值，得出垂直于基坑邊界的位移量[10]。共布設(shè)基坑頂部水平位移監(jiān)測點(diǎn)16個。

根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的直徑，使用相應(yīng)的鉆頭，在基坑坡頂打孔，然后用手錘將監(jiān)測點(diǎn)打入孔洞內(nèi)并澆筑混凝土，使之與坡體連為一體。施測時，在基坑周邊選擇一點(diǎn)作為設(shè)站點(diǎn)，經(jīng)過設(shè)站點(diǎn)平行基坑變?yōu)閄軸，垂直X軸且經(jīng)過設(shè)站點(diǎn)為Y軸，以此建立監(jiān)測坐標(biāo)系，通過測量機(jī)器人自動觀測反射小棱鏡獲取監(jiān)測原始數(shù)據(jù)。變形速率的單位采用mm/d，計(jì)算結(jié)果精確到0.01 mm/d。

2.3 數(shù)字近景攝影測量方案

1)多基線數(shù)字近景攝影測量理論基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的近景攝影測量都是基于作業(yè)員的目視立體觀測的模擬、解析攝影測量，它必須根據(jù)精度要求，考慮被攝對象的遠(yuǎn)景和近景，設(shè)計(jì)攝影基線和交向角，比較復(fù)雜。在內(nèi)外作業(yè)時，一般采用非量測相機(jī)的直接線性變換進(jìn)行(基于 “單基線”的雙目視覺)，需要不少于6個外業(yè)控制點(diǎn)，按單模型進(jìn)行處理。文獻(xiàn)[11]以計(jì)算機(jī)視覺代替人眼雙目視覺的 “多基線、多影像近景攝影測量”理論，改變了傳統(tǒng)近景攝影測量方式，徹底解決了交會角與匹配之間的矛盾，開發(fā)出了全新的多基線數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)。

多基線攝影測量突破傳統(tǒng)的非量測相機(jī)的直接線性變換的要求，通過新的拍攝方式(旋轉(zhuǎn)攝影和平行攝影)[12]，能夠直接利用航空攝影測量的自檢校區(qū)域網(wǎng)平差，不僅無須進(jìn)行核線排列，無須產(chǎn)生核線影像，而且通過新的影像匹配算法提高了匹配的可靠性[13]。

若測量誤差為定值，則攝影測量前方交會的誤差主要取決于交會角θ，交會角愈小，測量的Z軸(深度)誤差愈大(即航空攝影測量的高程精度都低于平面精度)，而交會角取決于攝影的重疊度，因此，如果利用加大重疊度到80%，相比于傳統(tǒng)的60%重疊度[11]，其交會角θ1就會增加一倍，在理論上精度可以提高一倍，如圖2所示。交會角的大小也與影像的自動化匹配有關(guān)。交會角小則影像變形小，匹配易；交會角大則影像變形大，匹配難[14]。

圖2 多基線攝影測量

由上可知，交會角大小使得精度與影像的自動化匹配之間存在矛盾:交會角大精度高，交會角小易于匹配。多基線攝影測量是解決這個矛盾的最佳方法。相鄰影像交會角θ小，易于匹配，多基線、總體交會角θ2大，可以確保交會精度，而多方向交會，可以使前方交會具有冗余觀測，從而增加影像匹配的可靠性。

將整個基坑進(jìn)行工程拆分，以每個面作為拆分單元，即形成4個單體工程(監(jiān)測面)進(jìn)行。在每個監(jiān)測面布設(shè)4個像控點(diǎn)，使用Canon EOS 5D MarkⅢ單反數(shù)碼相機(jī)拍攝監(jiān)測面影像，并由全站儀獲取像控點(diǎn)的坐標(biāo)，通過軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立監(jiān)測區(qū)域立體模型。通過人工在影像中提取水平位移、豎直位移監(jiān)測點(diǎn)的像方位置，應(yīng)用空三成果及監(jiān)測點(diǎn)的像方坐標(biāo)自動計(jì)算對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo)。最終將每周期監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行對比分析，獲取變化量，完成監(jiān)測工作。數(shù)字近景攝影監(jiān)測工作主要分為外業(yè)影像采集、像控點(diǎn)測量及內(nèi)業(yè)影像處理和監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)提取，內(nèi)外業(yè)處理流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字近景攝影基坑監(jiān)測內(nèi)外業(yè)流程圖

2)鏡頭焦距與拍攝距離。

根據(jù)拍攝位置與監(jiān)測面的距離，選擇合適的鏡頭，參考標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 鏡頭與攝距的關(guān)系

3)精度預(yù)估。

多基線數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)，在基坑水平位移監(jiān)測領(lǐng)域還未有成熟的實(shí)施方案和工程案例。目前該系統(tǒng)主要應(yīng)用于三維重建，在實(shí)際近距離項(xiàng)目工程中 (5～10 m)，空三精度約為1 mm。根據(jù)基坑的實(shí)際現(xiàn)狀，在保證影像重疊度、清晰度、拍攝角度等因素下，預(yù)估其空三精度約為3～5 mm。

3 方案實(shí)施及精度比對

根據(jù)硬件條件及基坑邊坡監(jiān)測精度要求，為保證拍攝影像的分辨率，實(shí)施區(qū)域?yàn)樵摻ㄖ锘泳植俊８鶕?jù)拍攝距離，配備85 mm鏡頭進(jìn)行影像拍攝。共采集8個外業(yè)控制點(diǎn)和2個原始監(jiān)測樁三維坐標(biāo)。拍攝區(qū)域如圖4所示。

圖4 某監(jiān)測面拍攝區(qū)域全景圖

圖5 拍攝區(qū)域控制點(diǎn)分布圖

外業(yè)影像獲取分別應(yīng)用平行及旋轉(zhuǎn)兩種攝影方式。分別以 C1、C4、C5、C8為控制點(diǎn)，C2、C3、C6、C7為比對點(diǎn)，將全站儀采集三維坐標(biāo)誤差視為0。全站儀與系統(tǒng)提取三維坐標(biāo)精度比對結(jié)果如表2所示。

表2 平行攝影坐標(biāo)比對 (單位:m)

表3 旋轉(zhuǎn)攝影坐標(biāo)比對 (單位:m)

4 結(jié)束語

在精度方面，通過數(shù)據(jù)比較，驗(yàn)證了數(shù)字近景攝影測量方法在基坑監(jiān)測中是有效和可行的，其無接觸測量模式提高了作業(yè)安全性，較傳統(tǒng)方法具有一定的優(yōu)越性，尤其適合在監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)密度大，基坑工作環(huán)境惡劣的現(xiàn)場。該方法的適應(yīng)性，關(guān)鍵在于能否布設(shè)合理數(shù)量的穩(wěn)定可靠的控制點(diǎn)。下一步將針對控制點(diǎn)、相控點(diǎn)的不同布設(shè)方式對解算結(jié)果的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

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