摘要 建筑基坑邊坡位移監(jiān)測(cè)對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的安全高效施工具有重大意義。為了實(shí)現(xiàn)建筑基坑邊坡的實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)，開發(fā)了一種基于機(jī)器視覺的建筑基坑邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)而言，不僅大大節(jié)約了成本，而且施工監(jiān)測(cè)效率也得到大幅度提高。建筑基坑邊坡位移經(jīng)機(jī)器采集成圖像后進(jìn)行基坑識(shí)別處理，得到相應(yīng)的基坑圖像坐標(biāo)后進(jìn)行三維重建，然后通過(guò)計(jì)算分析確定是否需要位移的報(bào)警。為了實(shí)現(xiàn)施工人員的實(shí)時(shí)應(yīng)用該系統(tǒng)，開發(fā)了移動(dòng)端APP及短信報(bào)警功能，起到了智能化信息化應(yīng)用效果。研究結(jié)果可為類似工程提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 機(jī)器視覺； 建筑基坑； 邊坡位移； 智能監(jiān)測(cè)； 信息化應(yīng)用

中圖分類號(hào) TP391.413 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0引言

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，各行各業(yè)都在追求智能化，人工智能技術(shù)日新月異。在土木工程行業(yè)，同樣在推行智能建造、智能施工和智能監(jiān)測(cè)［1-2］。其中，施工現(xiàn)場(chǎng)的基坑智能監(jiān)控顯得更加尤為重要［3］。目前，對(duì)基坑的監(jiān)測(cè)多采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)，依賴于需要更多人工、無(wú)法確保數(shù)據(jù)真實(shí)、無(wú)法做出智能預(yù)警預(yù)報(bào)的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。這就表明智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是十分有必要的。機(jī)器視覺就是實(shí)現(xiàn)這一要求的一個(gè)重要途徑和方法，已然成為基坑監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)及機(jī)器視覺應(yīng)用展開了大量研究。張家煒［4］開發(fā)出了可以自動(dòng)化、大面積、高精度采集基坑變形數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化分析的非接觸式基坑變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有效提高了監(jiān)測(cè)精度。肖思奇［5］對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)在工程施工智能監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了闡述，給出了機(jī)器視覺應(yīng)用方向的展望。方亞文和王琦［6］將機(jī)器視覺應(yīng)用到混凝土裂縫檢測(cè)中，通過(guò)提取經(jīng)機(jī)器視覺技術(shù)得到的圖像特征，識(shí)別分析了混凝土裂縫。吳涵等［7］針對(duì)目前常見的混凝土裂縫檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)分析，強(qiáng)化了機(jī)器視覺在混凝土裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用效果和前景。劉丹洋［8］將機(jī)器視覺應(yīng)用到露天礦邊坡裂隙檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊坡的有效管控。傅宇浩等［9］提出了一種基于機(jī)器視覺的邊坡裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)，該技術(shù)可精確分割與識(shí)別邊坡裂縫，有較好的應(yīng)用價(jià)值。朱誠(chéng)［10］基于機(jī)器視覺和深度學(xué)習(xí)開發(fā)了一套山體地質(zhì)災(zāi)害智能勘測(cè)系統(tǒng)及評(píng)估方法，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)計(jì)算出滑坡的狀態(tài)。時(shí)夢(mèng)杰等［11］結(jié)合機(jī)器視覺和暗通道先驗(yàn)技術(shù)，提出了一套霧天環(huán)境下的邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)，有效實(shí)現(xiàn)了視覺監(jiān)測(cè)在霧天環(huán)境的應(yīng)用。

綜上，目前對(duì)機(jī)器視覺應(yīng)用及邊坡監(jiān)控的研究取得了顯著成果。但是在建筑基坑邊坡中基于機(jī)器視覺進(jìn)行智能監(jiān)控的案例和研究還相對(duì)較少，并且鮮有開展移動(dòng)端信息化應(yīng)用與研究的。本文以此為依據(jù)，首先對(duì)自動(dòng)化智能化監(jiān)控的必要性、趨勢(shì)等方面進(jìn)行了介紹；緊接著，一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)——機(jī)器視覺；隨后開發(fā)出基坑邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于機(jī)器視覺理論；最后，系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)用前景和技術(shù)特點(diǎn)以及移動(dòng)端平臺(tái)的介紹。研究結(jié)果可為類似工程提供一定的參考價(jià)值。

1自動(dòng)化智能監(jiān)測(cè)的必要性和趨勢(shì)性

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)依托于智能傳感技術(shù)和通信技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)AI分析技術(shù)，已成為當(dāng)前工程安防監(jiān)控發(fā)展趨勢(shì)的新型自動(dòng)化監(jiān)控和智能化監(jiān)控。表1給出了傳統(tǒng)的人工監(jiān)控和自動(dòng)化安防監(jiān)控的對(duì)比分析。

2機(jī)器視覺圖像分析識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)

2.1視頻監(jiān)控設(shè)備安裝地點(diǎn)選擇

根據(jù)施工安全的實(shí)際情況，針對(duì)目標(biāo)結(jié)果將施工作業(yè)的不利因素進(jìn)行分類。在保障不利條件下數(shù)據(jù)采集可靠的前提下，根據(jù)施工作業(yè)的實(shí)際情況，選取合適信息采集地點(diǎn)，保證施工現(xiàn)場(chǎng)信息采集的可靠。

2.2雙目立體視覺系統(tǒng)

采用機(jī)器視覺測(cè)量方法進(jìn)行基坑變形、表面位移等監(jiān)測(cè)。雙目立體視覺系統(tǒng)是雙目立體視覺基于視差原理，一般由2臺(tái)相機(jī)從不同角度同時(shí)獲取被測(cè)物表面的數(shù)字圖像，從而得到物體的三維幾何信息。雙目立體視覺摸型如圖 1 所示，如果僅有單相機(jī)成像，只能確定某空間點(diǎn)所在的射線，不能得到具體的三維坐標(biāo)，但加入右相機(jī)后，則可以結(jié)合2張圖像的信息唯一確定出測(cè)點(diǎn)的三維位置。

2.3圖像增強(qiáng)

在進(jìn)行建筑工地資料采集時(shí)，可能會(huì)因天氣不利而導(dǎo)致錄像資料的清晰度較低，而圖像增強(qiáng)是為了利用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)識(shí)別錄像中的內(nèi)容。根據(jù)需要，在削弱或去除無(wú)用資料的同時(shí)，突出影像中有用的資訊，圖像增強(qiáng)也可視為資料預(yù)處理的一部分。在圖像增強(qiáng)時(shí)應(yīng)注意：避免放大雜訊，提升整體與局部的影像對(duì)比度。

2.4目標(biāo)檢測(cè)算法

計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)基礎(chǔ)性問(wèn)題是目標(biāo)檢測(cè)。目標(biāo)檢測(cè)（Object detection）不僅要識(shí)別圖像中的物體是什么，還要對(duì)圖像中物體的位置進(jìn)行定位，也就是畫出物體的邊界框（Bounding box）。識(shí)別和定位圖像中的基坑位置，也就是對(duì)問(wèn)題進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)。

YOLOv2目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)因其在檢測(cè)速度、定位精度、檢測(cè)種類等多方面具有優(yōu)勢(shì)，是一種比較全面性能的目標(biāo)探測(cè)方法，對(duì)于大尺度、多數(shù)量、多種類、實(shí)時(shí)性等要求完成空間結(jié)構(gòu)目標(biāo)探測(cè)具有一定優(yōu)勢(shì)。本文選取YOLOv2 作為深度學(xué)習(xí)算法框架進(jìn)行基坑實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.5圖像匹配

對(duì)于2幅或多幅數(shù)字圖像，在不同圖像中分別找到描述同一空間點(diǎn)區(qū)域的過(guò)程，稱為圖像匹配（Matching），是區(qū)別于2D測(cè)量的三維視覺測(cè)量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。圖像匹配的方式比較多，比較常用的有以灰度為基礎(chǔ)和以特征為基礎(chǔ)的匹配方式。要選擇不同的圖像匹配方式，提高匹配精度和計(jì)算效率，用于不同類型的測(cè)量目標(biāo)和測(cè)量環(huán)境。

3基于機(jī)器視覺的基坑邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊

建筑基坑邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)基坑變形、裂縫、雨量、基坑水位、土壤濕度及表面位移等參數(shù)及環(huán)境監(jiān)測(cè)的功能。通過(guò)該系統(tǒng)可以將監(jiān)測(cè)參數(shù)傳輸集成在一個(gè)云平臺(tái)上，形成一套綜合監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)還能將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)微信或短信發(fā)送給相關(guān)部門管理人員，實(shí)現(xiàn)重大危險(xiǎn)源實(shí)時(shí)預(yù)（報(bào)）警的功能?；幼冃伪O(jiān)測(cè)是整個(gè)系統(tǒng)的核心功能，所采用的技術(shù)方案不同于傳統(tǒng)的全站儀、GPS-RTK監(jiān)測(cè)方法，而是采用機(jī)器視覺的技術(shù)方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)基坑的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能。而環(huán)境監(jiān)測(cè)，是指通過(guò)視覺方式監(jiān)測(cè)環(huán)境中的不安全因素，如現(xiàn)場(chǎng)施工人員未佩戴或未正確佩戴安全帽的提示警示等。

共需設(shè)置圖像采集模塊、圖像識(shí)別定位模塊、基坑監(jiān)控模塊、預(yù)警模塊四大模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺的基坑邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)控系統(tǒng)。具體的基于機(jī)器視覺的基坑邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)路線如圖 2 所示。

（1）圖像采集模塊：在標(biāo)定雙攝像頭后，對(duì)目標(biāo)區(qū)域圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，選擇合適的視頻監(jiān)控設(shè)備和鏡頭參數(shù)，布設(shè)雙眼可視系統(tǒng)。

（2）圖像識(shí)別定位模塊：利用深度學(xué)習(xí)算法自動(dòng)識(shí)別和定位每幀圖像中的基坑位置，得出每幅二維圖像中各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，以采集到的圖像為輸入。

（3）基坑監(jiān)控模塊：利用相機(jī)標(biāo)定信息和圖像識(shí)別定位模塊輸出的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)信息作為輸入，匹配測(cè)點(diǎn)，得到不同視頻監(jiān)控圖像中測(cè)點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，再對(duì)每一組二維坐標(biāo)進(jìn)行三維重建，得到測(cè)點(diǎn)空間坐標(biāo)，最后通過(guò)對(duì)基坑空間坐標(biāo)在不同時(shí)間下進(jìn)行三維位移的計(jì)算，得出不同視頻監(jiān)控圖像中測(cè)點(diǎn)的三維位移。

（4）報(bào)警模塊：設(shè)定一定閾值，根據(jù)基坑監(jiān)測(cè)模塊計(jì)算結(jié)果，超過(guò)閾值立即報(bào)警。以中等誤差作為衡量精度的指標(biāo)，根據(jù)基坑變形測(cè)量，以2倍誤差作為極限誤差。機(jī)器視覺監(jiān)測(cè)基坑變形的精度，不低于GB 50026-2020《工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定的二等測(cè)量等級(jí)的要求，見表2。

3.2系統(tǒng)平臺(tái)及移動(dòng)端平臺(tái)

基于上述關(guān)鍵技術(shù)及基本模塊，搭建了基于機(jī)器視覺的基坑邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，如圖3所示。同時(shí)為了方便施工人員應(yīng)用該平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)預(yù)警預(yù)報(bào)的功能，還開發(fā)了移動(dòng)端APP及短信報(bào)警功能，如圖4所示。

4技術(shù)特點(diǎn)

機(jī)器視覺位移監(jiān)測(cè)器利用空間二維標(biāo)靶和微型攝像采集器之間的相對(duì)位移，主要測(cè)量建筑物或監(jiān)測(cè)點(diǎn)的橫向位移與豎向沉降等參數(shù)；可應(yīng)用于基坑周邊沉降與水平位移、邊坡沉降與水平位移監(jiān)測(cè)以及其他建筑物沉降與水平位移的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。主要技術(shù)特點(diǎn)為：

（1）精度：0.1～0.5 mm可配置，范圍可按需配置100 cm，距離：500 m可配置，采用高分辨全彩色面陣傳感器。寬窄視野組合，實(shí)現(xiàn)高精度，大范圍的位移監(jiān)測(cè)。

（2）速度：分析采集頻率1次/s，無(wú)線傳輸。

（3）安全性：人眼安全，被動(dòng)式機(jī)器視覺無(wú)激光輻射。對(duì)比市面上主流設(shè)備如：全站儀，采用發(fā)射激光的主動(dòng)式測(cè)距，另外也有使用強(qiáng)激光對(duì)面板連續(xù)照射測(cè)位移產(chǎn)品，對(duì)人眼不安全。

（4）成本低：機(jī)器視覺傳感器在工業(yè)與消費(fèi)電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，技術(shù)進(jìn)步快，成本低。

（5）智能感知： 可感知大視野范圍的環(huán)境光信息。引入深度神經(jīng)網(wǎng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法以及云計(jì)算技術(shù)。本產(chǎn)品除了對(duì)基坑邊坡位移監(jiān)測(cè)外，可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)如：邊坡周邊的環(huán)境變化，三維建模及人員邊坡進(jìn)入監(jiān)測(cè)等。

5結(jié)束語(yǔ)

本文基于機(jī)器視覺的圖像識(shí)別分析技術(shù)，搭建了基于機(jī)器視覺的基坑邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)。該技術(shù)和平臺(tái)可用于基坑變形監(jiān)測(cè)、表面位移監(jiān)測(cè)、雨量測(cè)量、裂縫變形監(jiān)測(cè)、動(dòng)水位測(cè)量、土壤濕度及安全防護(hù)自動(dòng)報(bào)警等。同時(shí)，通過(guò)5G或有限網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)，在經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析及深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別分析技術(shù)算法，將圖像變化情況轉(zhuǎn)化為圖文數(shù)據(jù)，最后將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)端APP或短信發(fā)送給相關(guān)部門負(fù)責(zé)人，作到重大危險(xiǎn)源實(shí)時(shí)預(yù)（報(bào)）警。

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