基于機(jī)器視覺(jué)的綜合管廊沉降自動(dòng)預(yù)警裝置的研制

林章

【摘 要】地下綜合管廊在市政建設(shè)中廣為應(yīng)用。為了保障其結(jié)構(gòu)安全，必須加強(qiáng)施工期的測(cè)量工作。本文提出了一種基于圖像處理的、針對(duì)地下綜合管廊沉降情況進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)并預(yù)警的裝置，并介紹了該裝置的系統(tǒng)運(yùn)行原理、平臺(tái)搭建方法、圖像采集模塊和信息模塊的工作原理以及裝置在實(shí)際應(yīng)用中的誤差處理方式。

【關(guān)鍵詞】圖像處理；綜合管廊；沉降檢測(cè)

【Abstract】Utility tunnel is widely used in the municipal construction.In order to ensure its structural safety，it is necessary to strengthen the measurement work during the construction period.This paper presents a device based on image processing for automatic detection and early warning of subsurface utility tunnel，and introduces the system operation principle，platform construction method，image acquisition module and information module working principle and device In the practical application of the error handling.

【Key words】Image processing；Utility tunnel；Settlement detection

0 前言

縱觀當(dāng)今世界，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)把對(duì)城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用作為解決城市人口、資源、環(huán)境三大危機(jī)的重要措施和醫(yī)治“城市綜合證”、實(shí)施城市可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要途徑[1-2]。早在 19 世紀(jì)，法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等就開(kāi)始興建地下綜合管廊。近年來(lái)地下綜合管廊在我國(guó)的城市市政建設(shè)中也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，為滿足城市市政管線設(shè)置、保護(hù)城市環(huán)境、實(shí)現(xiàn)城市的集約和可持續(xù)發(fā)展提供了有力的基礎(chǔ)設(shè)施保證[3]。

為確保綜合管廊結(jié)構(gòu)安全，保證綜合管廊正常使用，在綜合管廊的施工中加強(qiáng)綜合管廊的測(cè)量工作是非常重要的，應(yīng)引起足夠重視。綜合管廊的變形如果超過(guò)一定的限度就會(huì)影響到它的正常使用、危及建筑物的安全。在工程施工和工程使用期間應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密沉降觀測(cè)，通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)研究和分析沉降原因及其發(fā)展的趨勢(shì)，及時(shí)采取措施，以保障工程的施工和使用安全，并通過(guò)對(duì)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合地質(zhì)資料，綜合分析研究其他沉降的規(guī)律，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 國(guó)內(nèi)外同類研究工作現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外專門針對(duì)綜合管廊沉降的檢測(cè)研究比較少，但是對(duì)高層建筑、公路路基、隧道工程等構(gòu)建物的沉降測(cè)量研究比較多。目前對(duì)建筑物沉降測(cè)量方法主要有以下4類：

1）水準(zhǔn)測(cè)量法

水準(zhǔn)測(cè)量法是建筑物測(cè)量中最為常見(jiàn)的一種方法，是利用水準(zhǔn)儀確定基準(zhǔn)點(diǎn)和沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化來(lái)分析建筑物的沉降情況。這種方法適用性強(qiáng)、精度高，適用于與不同條件下的建筑物，是應(yīng)用最廣泛的沉降測(cè)量方法。

2）全自動(dòng)測(cè)量法

目前，集測(cè)距儀、電子經(jīng)緯儀等優(yōu)點(diǎn)于一身的全站儀在沉降測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候、全方位、高精度的全自動(dòng)檢測(cè)。

3）傳感器測(cè)量法

這份測(cè)量法是利用傳感器來(lái)講沉降量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，比如利用變面積式電容傳感器進(jìn)行沉降測(cè)量，這種測(cè)量方式更為可靠、精確，且能實(shí)時(shí)反應(yīng)沉降的變化[4]。

4）數(shù)字化攝影測(cè)量法

數(shù)字化攝影技術(shù)是一種利用被攝物來(lái)重建物體空間位置和三維性狀的技術(shù)，該技術(shù)目前在快速繪制大型建筑遺址、國(guó)防建設(shè)等方面均有應(yīng)用，尤其適用于重要工程的變形和全自動(dòng)生產(chǎn)線檢測(cè)、彈體運(yùn)動(dòng)軌跡等不可接觸的物體測(cè)量中[5]。

傳統(tǒng)的沉降觀測(cè)一般是進(jìn)行周期性的觀測(cè)，存在不連續(xù)，間隔周期較長(zhǎng)，程序復(fù)雜和應(yīng)急能力不足的問(wèn)題。本文研制的管廊沉降自動(dòng)預(yù)警裝置在沉降觀測(cè)的過(guò)程是全自動(dòng)并且連續(xù)觀測(cè)的，無(wú)需人員下到綜合管理，減少了人力財(cái)力，同時(shí)也保證了的綜合管廊在施工建設(shè)和使用中的安全。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)原理框圖

基于機(jī)器視覺(jué)的綜合管廊沉降自動(dòng)預(yù)警裝置由圖像采集模塊、信息處理模塊和顯示及預(yù)警模塊組成。其具體框圖如圖1所示。

2.2 自動(dòng)預(yù)警裝置的搭建

自動(dòng)預(yù)警裝置構(gòu)成圖如圖2所示。自動(dòng)預(yù)警裝置主要由激光發(fā)射點(diǎn)、激光接收面板、攝像頭、數(shù)據(jù)處理主機(jī)和報(bào)警喇叭。激光發(fā)射點(diǎn)設(shè)置在沉降觀測(cè)點(diǎn)，距離激光接收面板30米以上，要求激光采用功率較大，本裝置中采用50mW射程達(dá)200米以上的綠色激光，具有光斑直徑小、易被攝像頭識(shí)別等特點(diǎn)。由于落在激光接收面板上比較明顯，周圍干擾較少，故采用一般的USB攝像頭即可。數(shù)據(jù)處理主機(jī)的作用是：處理攝像頭采集的數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)和比對(duì)數(shù)據(jù)、輸出報(bào)警信號(hào)到喇叭，性能要求比較低，采用運(yùn)行簡(jiǎn)易Windows系統(tǒng)的樹(shù)莓派主機(jī)，具有低功耗、小巧便攜方便等特點(diǎn)。本裝置的運(yùn)行過(guò)程如下，在沉降觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置激光發(fā)射點(diǎn)，激光發(fā)射點(diǎn)射到距離沉降觀測(cè)點(diǎn)30米以上激光接收面板上，要求激光發(fā)射點(diǎn)與激光接收面板之間無(wú)遮擋物。攝像頭采集激光面板上的包含激光點(diǎn)的圖像，傳輸給數(shù)據(jù)處理主機(jī)。數(shù)據(jù)處理主機(jī)通過(guò)圖像處理識(shí)別激光點(diǎn)所在位置并進(jìn)行存儲(chǔ)。一段時(shí)間后再次進(jìn)行測(cè)量，將數(shù)據(jù)與之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如果激光點(diǎn)發(fā)生較大的位置偏移，則說(shuō)明沉降觀測(cè)點(diǎn)發(fā)生了較大的沉降，數(shù)據(jù)處理主機(jī)則驅(qū)動(dòng)喇叭進(jìn)行報(bào)警。

2.3 圖像采集和處理模塊

本文研制的裝置要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)沉降點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控并（下轉(zhuǎn)第242頁(yè)）（上接第175頁(yè)）在發(fā)生較大沉降時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警，要實(shí)現(xiàn)所需功能，圖像采集和處理模塊非常重要。首先要完成激光面板上激光點(diǎn)圖像的采集，并數(shù)據(jù)處理主機(jī)；其次數(shù)據(jù)處理主機(jī)對(duì)采集的圖像做濾波、均衡化、二值化等預(yù)處理使其達(dá)到最佳視覺(jué)效果；接著對(duì)圖像進(jìn)一步處理以提取特征，進(jìn)行圖像的存儲(chǔ)和比對(duì)；最后判斷是否有超過(guò)預(yù)設(shè)的沉降值，如超出則驅(qū)動(dòng)喇叭進(jìn)行報(bào)警。圖像采集和處理模塊工作示意圖如圖3所示。

圖像采集和處理模塊由USB攝像頭和樹(shù)莓派主機(jī)組成。由于數(shù)據(jù)采集在綜合管廊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，光線變化不大，同時(shí)對(duì)圖像清晰度要求不高，故采用比較廉價(jià)的USB攝像頭。圖像采集及處理的軟件是在一般PC機(jī)上利用C++語(yǔ)言配合OpenCV庫(kù)函數(shù)編寫(xiě)的，環(huán)境是Visual Studio 2010平臺(tái)，這樣有利于調(diào)試和加快編程速度。調(diào)試和編譯完成后，安裝在運(yùn)行簡(jiǎn)易版Windows系統(tǒng)的樹(shù)莓派主機(jī)上實(shí)現(xiàn)圖像采集和處理任務(wù)。

2.4 自動(dòng)預(yù)警裝置誤差處理

由于自動(dòng)預(yù)警裝置是安裝在綜合管廊內(nèi)部檢測(cè)沉降的，有些特殊的情況需要克服：1）綜合管廊里可能存在光照不足的情況，為防止影響激光接收面板圖像的采集，應(yīng)在面板附近布置穩(wěn)定的光源，保證圖像采集時(shí)光照強(qiáng)度一樣；2）如果綜合管廊上部有車輛通過(guò)等會(huì)引起震動(dòng)的情況出現(xiàn)，會(huì)影響單次的沉降點(diǎn)檢測(cè)，所以自動(dòng)預(yù)警裝置應(yīng)該在一定時(shí)間段內(nèi)采集多個(gè)數(shù)據(jù)，利用一定的算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理來(lái)排除綜合管廊因?yàn)檎饎?dòng)引起的沉降變化誤差；3）沉降觀測(cè)點(diǎn)的激光發(fā)射器必須固定，不能移動(dòng)，否則會(huì)造成最終的測(cè)量有誤差，同時(shí)在測(cè)量時(shí)，要保證激光點(diǎn)到達(dá)激光接收面板的路徑上沒(méi)有遮擋。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合管廊與一般的建筑物不同，只有設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等專業(yè)人員才可在特定時(shí)間進(jìn)入，而且進(jìn)入不便，另外地下管廊存在光照不足等影響沉降測(cè)量的問(wèn)題，所以一般常規(guī)的沉降測(cè)量方法不合適于綜合管廊沉降的測(cè)量。本課題研制的自動(dòng)沉降預(yù)警裝置，能夠在無(wú)人進(jìn)入綜合管廊的情況下，自動(dòng)完成沉降的觀測(cè)工作，并能將測(cè)量結(jié)果反饋到地面的主控主機(jī)供專業(yè)人員隨時(shí)查詢。同時(shí)，如果沉降量大于預(yù)警值，也能自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，及時(shí)提醒相關(guān)部門及人員，保護(hù)綜合管廊的安全。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：田吉捷]