蘭澤英,劉　洋

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，廣東 廣州 510060；2.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)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(xué) 管理學(xué)院，廣東 廣州 510060；2.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

摘要：對超高層建筑塔體進(jìn)行周日擺動監(jiān)測，為施工投點(diǎn)糾偏和選擇合適投點(diǎn)時(shí)機(jī)提供科學(xué)依據(jù)，是施工控制網(wǎng)豎向傳遞的核心問題。文中針對現(xiàn)有方法在自動化采集及實(shí)時(shí)表達(dá)方面的不足，基于自適應(yīng)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(tǒng)，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(yàn)證，具有借鑒意義。

關(guān)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(jìn)步,建筑科技的發(fā)展,以及城市建設(shè)用地的日益緊張,超高層建筑在世界各地越來越多地涌現(xiàn),城市空間布局日益呈現(xiàn)出由平面向立體縱深發(fā)展的趨勢。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)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(zhuǎn)、風(fēng)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(yùn)動狀態(tài)，這種動態(tài)特性，直接影響施工控制網(wǎng)豎向傳遞的準(zhǔn)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(tǒng)，了解其塔體周日擺動規(guī)律，為施工投點(diǎn)糾偏和選擇合適投點(diǎn)時(shí)機(jī)提供科學(xué)依據(jù)，是施工控制網(wǎng)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(shù)字正垂儀法[1-3]、GPS法[4-8]、測量機(jī)器人[9]法等，以上方法在內(nèi)外業(yè)一體化、自動化采集及實(shí)時(shí)表達(dá)等方面還有待提高。為此，本文基于自適應(yīng)閾值激光光斑中心定位方法，融合傳感器技術(shù)、圖像識別技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自主研發(fā)基于CCD的塔體擺動監(jiān)測系統(tǒng)，并首次成功應(yīng)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(tǒng)與CCD方法做同步比較研究，互為檢核驗(yàn)證，對同類項(xiàng)目開展具有重要指導(dǎo)意義。

1CCD方法在超高層建筑塔體周日擺動監(jiān)測中的應(yīng)用

1.1CCD系統(tǒng)構(gòu)成及精度指標(biāo)

基于CCD的塔體擺動監(jiān)測系統(tǒng)由硬件和軟件構(gòu)成，其中硬件(見圖1)包括垂準(zhǔn)儀、接受靶、標(biāo)定靶及工業(yè)相機(jī)等,軟件(見圖2)包括光環(huán)中心自動提取與數(shù)據(jù)后處理等功能。

圖1　CCD系統(tǒng)硬件部分

圖2　CCD系統(tǒng)軟件部分

該系統(tǒng)精度指標(biāo)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(zhǔn)儀(大連拉特JZC-G)標(biāo)稱精度1/200 000。

1.2工作原理及關(guān)鍵技術(shù)

CCD系統(tǒng)的工作原理：垂準(zhǔn)儀向上垂直發(fā)射激光束(激光束形狀一般有單點(diǎn)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(shí)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(jī)對其拍攝獲取激光束圖像，則物理相對位移轉(zhuǎn)化為位移傳感器的模擬信號進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，并輸送到計(jì)算機(jī)；軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算，獲取激光束中心實(shí)時(shí)位置，并通過界面實(shí)時(shí)顯示被測對象的相對位移量；最后根據(jù)實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)及后處理數(shù)據(jù)綜合分析物體的運(yùn)動軌跡。

可見，光斑中心自動提取技術(shù)是CCD軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵，基本思路是首先提取光斑的邊緣，再利用相應(yīng)的算法計(jì)算中心點(diǎn)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(xiàn)有的最大類間方差法以及迭代法等對具有小面積比特點(diǎn)的激光光斑圖像分割效果不理想。為此，本文采用自適應(yīng)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(yīng)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(shù)路線如圖3所示。實(shí)踐表明，該方法計(jì)算量小，實(shí)時(shí)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(yīng)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(xiàn)為R波段有較強(qiáng)的分量。因此，首先要提取R波段的分量，再利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)法對提取出的光斑圖像進(jìn)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(jìn)行二值化處理時(shí)，針對光斑圖像的亮度與相機(jī)的曝光量成一定比例關(guān)系的特點(diǎn)，提出一種自適應(yīng)二值化閾值計(jì)算方法，對光斑圖像進(jìn)行二值化分割，提取圖像邊緣。其具體步驟：

1)計(jì)算經(jīng)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(jù)初始閾值T0將激光圖像分為目標(biāo)和背景兩個(gè)部分，同時(shí)計(jì)算出目標(biāo)所占圖像區(qū)域的范圍imin,jmin,imax,jmax。

3)計(jì)算目標(biāo)范圍內(nèi)所有像素點(diǎn)的像素平均值Tl。

4)根據(jù)圖像亮度與相機(jī)曝光量之間的關(guān)系，確定的閾值乘以比例系數(shù)K(一般取經(jīng)驗(yàn)值K=0.8)作為最終二值化的閾值Tf，對圖像進(jìn)行二值化分割。

(3)

1.2.2橢圓擬合中心定位

在進(jìn)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(biāo)作為輸入數(shù)據(jù)。其具體過程：①利用重心法計(jì)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(diǎn)；③以每一個(gè)突變點(diǎn)為起始點(diǎn)，通過邊緣追蹤尋找每個(gè)圓環(huán)的邊緣點(diǎn)。

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

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

(4)

擬合準(zhǔn)則為

(5)

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

橢圓擬合完成之后，計(jì)算橢圓擬合的殘差和中誤差。將計(jì)算所得的殘差較大的點(diǎn)以及中誤差過大的橢圓剔除掉，進(jìn)行二次擬合。同樣計(jì)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(biāo)可按式(6)計(jì)算：

(6)

(7)

計(jì)算得出每個(gè)橢圓的中心坐標(biāo)之后，取所有橢圓中心的坐標(biāo)平均值作為最終的中心定位坐標(biāo)，見式(7)，其中(Xi,Yi)為每個(gè)擬合橢圓的中心坐標(biāo)，m為擬合橢圓的總個(gè)數(shù)。

1.3CCD方法在廣州市東塔施工監(jiān)測中的應(yīng)用

本文首次將CCD在線動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于廣州市東塔(111層，530 m，廣州市標(biāo)志性建筑)施工過程的第三方監(jiān)測中，觀測時(shí)間為2014-06-12T15:22～2014-06-13T10:32，主要對東塔57～89層進(jìn)行樓體周日擺動變化監(jiān)測。整個(gè)觀測過程中，數(shù)據(jù)采樣率設(shè)置為1 Hz，采集數(shù)據(jù)時(shí)間19 h 10 min，觀測樓層之間的高差約為134.2 m。觀測數(shù)據(jù)的處理主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)擬合。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要針對原始數(shù)據(jù)采用二倍中誤差進(jìn)行噪聲剔除，得到X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的預(yù)處理后的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)擬合是利用四次多項(xiàng)式對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)及處理結(jié)果

圖5　傾斜儀方法獲取的源數(shù)據(jù)及處理結(jié)果

獲取的源數(shù)據(jù)、預(yù)處理及擬合處理后的結(jié)果如圖4所示。通過對X，Y坐標(biāo)變化曲線分析可知：X坐標(biāo)值(東西方向)最大偏移量約為4.11 mm，相對于中心點(diǎn)最大偏移量約為2.06 mm；Y坐標(biāo)值(南北方向)最大偏移量約為2.57 mm，相對于中心點(diǎn)最大偏移量約為1.29 mm。

利用擬合后X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)數(shù)據(jù)繪制點(diǎn)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(diǎn)標(biāo)定誤差及測量系統(tǒng)誤差等因素，目前57～89轉(zhuǎn)換層之間尚不需要對控制點(diǎn)進(jìn)行投點(diǎn)改正。

2傾斜儀方法做同步觀測研究

為了驗(yàn)證CCD方法的正確性，本文同時(shí)采用傾斜儀監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行同步觀測，并進(jìn)行比較驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)采樣速率為1 Hz，采集時(shí)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(shí)間的變化曲線。以每30 s的數(shù)據(jù)(30個(gè)讀數(shù))為一組，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲剔除，然后利用matlab工具，選取合適的函數(shù)，對噪聲剔除后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。數(shù)據(jù)擬合后東塔X，Y方向的偏移量隨時(shí)間變化曲線如圖5(c)所示。可知X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(diǎn)位軌跡，如圖6(b)所示。分析可得出以下結(jié)論：

1)整個(gè)監(jiān)測大部分時(shí)間內(nèi)，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(yīng)選取RMS值較小，變化穩(wěn)定的時(shí)段進(jìn)行激光投點(diǎn)；

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(diǎn)標(biāo)定誤差及測量系統(tǒng)誤差等因素，目前57～89轉(zhuǎn)換層之間尚不需要對控制點(diǎn)進(jìn)行投點(diǎn)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(jié)果做比較分析，可得出結(jié)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(jī)拍攝激光準(zhǔn)直儀發(fā)射出來的激光光斑，對激光光斑圖像進(jìn)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(tǒng)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(yù)留孔、電梯井)進(jìn)行安裝，傾斜儀監(jiān)測系統(tǒng)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(nèi)位置相同，數(shù)據(jù)采樣率都為1 Hz，采集數(shù)據(jù)時(shí)間相同，但受現(xiàn)場條件影響，兩種方法起始觀測時(shí)間和結(jié)束時(shí)間略有差異。

3)兩種方法得到的點(diǎn)位變化趨勢和變化量基本吻合。因受現(xiàn)場條件影響，兩種方法起始觀測時(shí)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(yùn)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(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測東塔的周日變化規(guī)律，達(dá)到了相互驗(yàn)證和補(bǔ)充的目的。

圖6　CCD方法和傾斜儀方法獲取的周日點(diǎn)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(chǎn)權(quán)、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(tǒng)由武漢大學(xué)測繪學(xué)院和我院合作開發(fā)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，填補(bǔ)了我國空白，其具有高精度、高采樣率、全自動化觀測及實(shí)時(shí)處理等顯著優(yōu)勢，通過高采樣率和數(shù)據(jù)后處理可有效消除施工震動、風(fēng)震等短周期因素影響，更加穩(wěn)定可靠。

4結(jié)束語

超高層建筑的施工難度很大，主要表現(xiàn)在兩

點(diǎn)：一是按照相關(guān)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(fēng)、施工震動等多因素影響，處于運(yùn)動狀態(tài)，直接影響施工控制網(wǎng)豎向傳遞的準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(wǎng)豎向傳遞過程中激光垂準(zhǔn)儀投點(diǎn)對塔體擺動影響關(guān)注不夠，或擺動監(jiān)測方法內(nèi)外業(yè)一體化不足、自動化程度不高等缺陷，采用產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合方式，自主設(shè)計(jì)研發(fā)了基于CCD的塔體擺動監(jiān)測系統(tǒng)等新型測量裝備，有效解決了超高層建筑施工控制網(wǎng)豎向傳遞傾斜偏差改正這一關(guān)鍵性技術(shù)難題,極大拓寬了施工測量時(shí)激光投點(diǎn)的時(shí)段(即不需固定在不施工、無風(fēng)的深夜進(jìn)行投點(diǎn))，具有一定科學(xué)意義和較重大的工程意義。

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[責(zé)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(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41301377)

作者簡介：蘭澤英(1983-)，女，講師，博士.

中圖分類號：P208

文獻(xiàn)標(biāo)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