石 鵬

（ 甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪勘查院,甘肅 蘭州 730060）

0.引言

隨著高層建筑越來越多，高層建筑的安全性和穩(wěn)定性受到人們的關(guān)注。 目前需要優(yōu)化高層建筑沉降監(jiān)測技術(shù)，提高高層建筑沉降監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性， 對高層建筑沉降監(jiān)測，分析高層建筑結(jié)構(gòu)差異性，實(shí)現(xiàn)高層建筑的沉降實(shí)時(shí)觀測和維護(hù)。 在高層建筑的維護(hù)和監(jiān)測中，需要對高層建筑進(jìn)行階段性沉降監(jiān)測，以確保建筑安全[1]。

對高層建筑的測量通常采用水準(zhǔn)尺測量的方法。在水準(zhǔn)尺測量過程中， 使用一般塔尺時(shí)應(yīng)盡量使用第一段標(biāo)尺，水準(zhǔn)儀的精度不低于DS3級別。 然而在采用水準(zhǔn)尺進(jìn)行高層建筑的沉降監(jiān)測中，容易受到環(huán)境和地理觀測點(diǎn)因素的影響[2]，導(dǎo)致測量性能不好。 隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，采用遙感點(diǎn)云特征檢測技術(shù)，構(gòu)建高層建筑測量的遙感觀測模型，通過網(wǎng)格空間配置和智能的遙感信息處理，實(shí)現(xiàn)對高層建筑的遙感測量和觀測[3]。 本文提出基于點(diǎn)云特征線提取的高層建筑沉降監(jiān)測技術(shù)， 首先構(gòu)建高層建筑的結(jié)構(gòu)性分布的點(diǎn)云模型，采用高分辨率遙感影像探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對高層建筑的遙感監(jiān)測，然后通過位置排列和空間變換方法，進(jìn)行測量過程中的光影等干擾因素的濾波處理， 實(shí)現(xiàn)高層建筑沉降優(yōu)化觀測和測量，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。

1.高層建筑沉降監(jiān)測的數(shù)值分析方法

1.1 高層建筑沉降監(jiān)測原理及總體設(shè)計(jì)

在進(jìn)行高層建筑沉降監(jiān)測研究中，以高分辨率遙感影像為基礎(chǔ)，結(jié)合施工現(xiàn)場時(shí)空視覺分析的方法，構(gòu)建高層建筑沉降的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析模型，在立體網(wǎng)格單元中采用Hilbert編碼方法，通過連續(xù)性的影像特征分析，構(gòu)建高層建筑沉降單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，通過時(shí)空數(shù)據(jù)索引的方法，進(jìn)行高層建筑沉降分布的單元拓?fù)淠Ｐ蜆?gòu)造[4]。在一個(gè)2m×2m×2m的三維m階空間中， 構(gòu)建編號為0、1、2、3、4、5、6、7的高層建筑點(diǎn)云分布特征點(diǎn)，采用網(wǎng)格單元編碼，分析層階映射關(guān)系，建立高層建筑的沉降分布狀態(tài)向量，對于給定坐標(biāo)的格元P(x,y,z)，從特征圖出發(fā)，獲取多尺度的高層建筑遙感觀測數(shù)據(jù)，通過多尺度的卷積和點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行特征提取和融合。 根據(jù)特征圖中的沉降位移分布，進(jìn)行點(diǎn)分析云圖，建立沉降位移觀測曲線。 在建筑物存在不連續(xù)和空洞等情況下，采用點(diǎn)云特征線提取的方法，分析固結(jié)沉降和降雨沉降等不同類型沉降的黏彈塑性特征，并計(jì)算干土、非飽和土與飽和土各自的沉降量。

按尺度參數(shù)s從小到大排列， 構(gòu)建不同尺度大小下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)觀測模型，根據(jù)不規(guī)則的眾多小峰分布，進(jìn)行沉降位移監(jiān)測，并根據(jù)峰值計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行逐點(diǎn)復(fù)雜度計(jì)算，實(shí)現(xiàn)高層建筑的沉降計(jì)算[5]，示意圖（ 如圖1所示）。 圖1中，塊狀沉降的邊緣有高的凸起，峰值表示最大沉降位移，數(shù)據(jù)來源采用遙感檢測的方法，采用高分辨率遙感影像探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對高層建筑的遙感監(jiān)測，通過點(diǎn)云線特征分布，提取高分辨率遙感影像建筑物體的光譜、紋理、幾何和陰影等相關(guān)信息，由此構(gòu)建點(diǎn)云數(shù)據(jù)有限元圖譜。

圖1 高層建筑沉降監(jiān)測的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及正則化處理

在高層建筑沉降監(jiān)測中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取是關(guān)鍵，以遙感影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，構(gòu)建一個(gè)3×3的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過UNet結(jié)構(gòu)和ResNet的殘差結(jié)構(gòu)分布，建立高層建筑沉降監(jiān)測的特征點(diǎn)，在特征圖中能有效保留沉降分布的細(xì)節(jié)信息。 基于多尺度信息融合的方法，構(gòu)建多尺度特征融合模塊，在不同尺度、不同地理結(jié)構(gòu)和環(huán)境分布的建筑物中，采用二分類交叉熵分析的方法，建立沉降點(diǎn)云動(dòng)態(tài)參數(shù)分析模型，采用光束法平差分析的方法，選取合適的階數(shù)以滿足高層建筑沉降監(jiān)測定位的要求，采用商業(yè)遙感衛(wèi)星IKONOSG星載傳感器實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，在像點(diǎn)坐標(biāo)（ R，C）中，得到沉降部位監(jiān)測坐標(biāo)為（ B，L，H），由此得到高層建筑沉降監(jiān)測點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布，如式（ 1）所示：

式（ 1）中，(r,c)為高層建筑沉降監(jiān)測點(diǎn)的正則化地理坐標(biāo)；(φ,λ,h)為正則化的地圖投影坐標(biāo)。 由此得到區(qū)域網(wǎng)平差模型。

2.高層建筑沉降監(jiān)測優(yōu)化

2.1 點(diǎn)云特征線提取

采用Hough變換提取矩形建筑物的角點(diǎn)信息參數(shù)，高分辨率遙感影像建筑物體的光譜、紋理、幾何和陰影等相關(guān)信息得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集，如式（ 2）所示：

式（ 2）中，R，C，B，L，H分別為地心直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)、地圖投影坐標(biāo)、 極地坐標(biāo)和物理坐標(biāo)系下數(shù)字高程模型參數(shù)；Roff，Coff，Boff，Loff，Hoff分 別 為 地 心 直 角 坐 標(biāo)、大 地 坐 標(biāo)、地 圖投影坐標(biāo)、 極地坐標(biāo)和物理坐標(biāo)系下的沉降模型參數(shù)；Rscale，Cscale，Bscale，Lscale，Hscale分 別 為地 心直 角坐 標(biāo)、大 地坐 標(biāo)、地 圖 投影坐標(biāo)、極地坐標(biāo)和物理坐標(biāo)系下的尺度。 根據(jù)遙感影像區(qū)域網(wǎng)平差分布，建立點(diǎn)云特征線提取模型，采用三階多項(xiàng)式進(jìn)行高層建筑沉降監(jiān)測動(dòng)態(tài)檢測， 得到點(diǎn)云特征線分布，如式（ 3）所示：

式（ 3）中，Di為均勻分布的虛擬控點(diǎn)；ρ為像方系統(tǒng)誤差補(bǔ)償項(xiàng)；υc為R、C的冪次數(shù)；d為測量點(diǎn)的沉降維數(shù)；μ為影像寬度；Di為填充起點(diǎn)位于集合A內(nèi)的填充分量；S21和S12遙感點(diǎn)云分布的邊緣特征分布集。 由此構(gòu)建干土、非飽和土與飽和土各類型下的沉降監(jiān)測模型，采用參數(shù)估計(jì)的方法，進(jìn)行應(yīng)力評估。 應(yīng)力評估的特征分解式，如式（ 4）所示：

式（ 4）中，σ2為土體承受的總應(yīng)力；N1為土顆粒骨架融合度；N2為地表沉降量。 根據(jù)第i計(jì)算土層的彈性模量，采用動(dòng)態(tài)參數(shù)估計(jì)和點(diǎn)云特征線估計(jì)，實(shí)現(xiàn)沉降動(dòng)態(tài)測量。

2.2 沉降監(jiān)測參數(shù)估計(jì)

通過位置排列和空間變換方法，構(gòu)建高層建筑的沉降位移云圖，建立潛水位分布方程，如式（ 5）所示：

式（ 5）中，tIi為地下水位面的高度；K為非飽土的有效應(yīng)力參數(shù)；xk為水位降落線以；xkH為對取酉矩陣。 基于點(diǎn)云線特征檢測，得到沉降的輪廓線特征檢測輸出，如式（ 6）所示：

式（ 6）中，Ic(y)為建筑所在巖性參數(shù)特征量；Ac為細(xì)節(jié)調(diào)整參數(shù)；k為聚合各個(gè)位置的特征；Di為建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)信息。

搖搖綜上分析，根據(jù)沉降的輪廓線特征檢測結(jié)果，提取不同尺度的特征量，根據(jù)線譜特征提取結(jié)果進(jìn)行沉降估算測量。

3.實(shí)驗(yàn)測試

在對高層建筑沉降監(jiān)測的工作中，對建筑沉降監(jiān)測點(diǎn)設(shè)定為每10m一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，遙感監(jiān)測的光譜場為0.5m～1.0m，取18個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)。 高層建筑模型的平面坐標(biāo)（ 如表1所示）：

表1 高層建筑三維建模的平面坐標(biāo) 單位：mm

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)對象參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行沉降監(jiān)測，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布的有限元圖（ 如圖2所示）：

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布

搖搖采用本文方法，進(jìn)行沉降監(jiān)測，得到沉降位移云圖（ 如圖3所示）：

圖3 沉降位移云圖

分析圖3可知：本文方法能有效實(shí)現(xiàn)對沉降監(jiān)測，計(jì)算得到測試點(diǎn)的沉降最大值-12.5mm，測試不同點(diǎn)的沉降量結(jié)果（ 如圖4所示）：

圖4 搖沉降量測量

從圖4可知：本文方法能有效實(shí)現(xiàn)對各點(diǎn)的沉降監(jiān)測，準(zhǔn)確監(jiān)測高層建筑沉降。 為驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性，與數(shù)字水準(zhǔn)儀實(shí)際測量數(shù)據(jù)對比（ 如表2所示）。 分析表2數(shù)據(jù)可知：采用本文方法所獲取的高層建筑沉降監(jiān)測值與實(shí)際沉降值比較接近，準(zhǔn)確性較好。

表2 測量殘差和誤差百分比

4.結(jié)束語

為優(yōu)化高層建筑沉降監(jiān)測技術(shù)，提高高層建筑沉降監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，本文提出基于點(diǎn)云特征線提取的高層建筑沉降監(jiān)測技術(shù)，構(gòu)建了不同尺度大小下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)觀測模型，根據(jù)不規(guī)則的眾多小峰分布，進(jìn)行沉降位移監(jiān)測，并根據(jù)峰值計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行逐點(diǎn)復(fù)雜度計(jì)算，實(shí)現(xiàn)高層建筑的沉降計(jì)算；采用動(dòng)態(tài)參數(shù)估計(jì)和點(diǎn)云特征線估計(jì)，實(shí)現(xiàn)沉降動(dòng)態(tài)測量，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果可知，采用本文方法所獲取的沉降監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際沉降結(jié)果較為接近，準(zhǔn)確度較高。