專利名稱：一種新型的基坑施工過程支撐位置的識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本 發(fā)明涉及一種新型的基坑施工過程支撐位置的識(shí)別技術(shù)，尤其是涉及一種新型的基坑施工過程支撐位置的識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
近年來由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和滲透，基坑工程信息化施工受到了越來越廣泛的重視，信息設(shè)計(jì)和施工方法也有了很大的發(fā)展。為保證基坑工程安全順利地進(jìn)行，快速準(zhǔn)確地掌握基坑工程當(dāng)前施工進(jìn)度顯得尤其重要。傳統(tǒng)的以報(bào)表形式給出的監(jiān)測(cè)信息在表現(xiàn)形式上不夠及時(shí)、高效和直觀，使大量時(shí)間浪費(fèi)在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析上，轉(zhuǎn)移了決策者的注意力，甚至延誤做出關(guān)鍵補(bǔ)救措施的最佳時(shí)機(jī)。此外，監(jiān)測(cè)人員在數(shù)據(jù)處理中存在主觀臆斷的可能性，使得監(jiān)測(cè)結(jié)果不夠客觀。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和相機(jī)硬件質(zhì)量的不斷提升，數(shù)字圖像技術(shù)以其方便靈活、非接觸式數(shù)據(jù)獲取、圖像易于處理等特點(diǎn)迅速滲透到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域并取得了重大的開拓性成就。而基于數(shù)字圖像處理的照相測(cè)量技術(shù)業(yè)已深入到邊坡變形監(jiān)測(cè)、巖體碎石識(shí)別、隧道病害識(shí)別量測(cè)等土木工程領(lǐng)域中，并發(fā)揮著非接觸、高效、直觀和精確的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字圖像技術(shù)在近三十余年間得到了飛速發(fā)展和普及，帶動(dòng)了機(jī)器視覺、自動(dòng)化、近景攝影測(cè)量等多個(gè)學(xué)科，形成了一套完整的學(xué)科體系，并以其高精度、低成本、自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)得到了越來越廣的應(yīng)用。數(shù)字圖像技術(shù)迅速的被應(yīng)用到土木工程，包括道路、橋梁、隧道、工業(yè)民用建筑、水工結(jié)構(gòu)物及測(cè)量在內(nèi)的各個(gè)學(xué)科，滲透到模型、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，工程前期勘測(cè)，施工控制管理，質(zhì)量檢測(cè)，使用期間維護(hù)管理等各個(gè)階段，并逐漸從科研的客體向主體轉(zhuǎn)變，成為一種便利的數(shù)據(jù)獲取工具。2004年，鄒軼群、侯貴倉(cāng)和楊峰提出了一種基于數(shù)字圖像處理的表面裂紋檢測(cè)方法。同年，張娟、沙愛民、高懷鋼和孫朝云分析了基于數(shù)字圖像處理的路面裂縫識(shí)別與評(píng)價(jià)系統(tǒng)的工作原理。2005年，上海交通大學(xué)的田勝利對(duì)采用數(shù)字圖像技術(shù)觀測(cè)結(jié)構(gòu)變形的方法進(jìn)行了深入的研究，并使用小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能手段對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了處理。2006年，東南大學(xué)尹蘭、何小元利用了基于光測(cè)法基礎(chǔ)上的數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)混凝土表面裂縫寬度特征進(jìn)行了測(cè)量和分析。2008年，桑中順將紅外攝影技術(shù)引入隧道監(jiān)測(cè)，以解決施工中的隧道粉塵嚴(yán)重的問題并針對(duì)非量測(cè)相機(jī)鏡頭畸變較大的缺陷，研究了相機(jī)的快速標(biāo)定方法。2009年，周春霖使用數(shù)字圖像技術(shù)結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)巖體節(jié)理的識(shí)別和精細(xì)描述。2010年，葉康針對(duì)現(xiàn)有的公路隧道裂縫檢測(cè)方法的不足，提出了采用數(shù)字圖像技術(shù)進(jìn)行裂縫特征無接觸的測(cè)量方法。雖然之前的學(xué)者對(duì)數(shù)字圖像技術(shù)在地下工程和隧道病害檢測(cè)領(lǐng)域做了較多研究，在基坑工程中的應(yīng)用主要也是在測(cè)量方面，如支護(hù)結(jié)構(gòu)位移量測(cè)等，針對(duì)基坑工程施工進(jìn)度尤其是基坑施工支撐位置的數(shù)字圖像識(shí)別技術(shù)卻沒有人涉及到。通過傳統(tǒng)的工人現(xiàn)場(chǎng)查看、估計(jì)、記錄支撐施工位置不僅具有很大的主觀臆測(cè)性，而且不能達(dá)到便于數(shù)據(jù)采集、分享、傳遞和高效、快速、便捷的目的。針對(duì)基坑工程目前掌握支撐位置方法的上述缺點(diǎn)，需尋找一種合適的新方法，以提高基坑工程施工過程支撐位置識(shí)別的高效性和便捷性。因此，研究一種在基坑工程施工過程中能便捷、高效、準(zhǔn)確地識(shí)別當(dāng)前基坑支撐施工位置的圖像識(shí)別方法已成為提高基坑施工安全性的迫切需求之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低成本、快速便捷、高精度的基坑施工過程支撐位置的識(shí)別方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)
一種新型的基坑施工過程支撐位置的識(shí)別方法，具體步驟如下
(1)采用計(jì)算機(jī)視覺工具包HALCON標(biāo)定方法對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲取相機(jī)內(nèi)部參數(shù)；
(2)保持相機(jī)內(nèi)部參數(shù)不變，根據(jù)相機(jī)視場(chǎng)范圍在基坑周圍合適位置安裝固定相機(jī)，采集基坑施工的現(xiàn)場(chǎng)圖像；
(3)采用除法畸變模型，對(duì)采集到的基坑施工現(xiàn)場(chǎng)圖像進(jìn)行鏡頭畸變校正，得到畸變校正后的基坑圖像；
(4)由基坑三維空間點(diǎn)和二維圖像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用控制點(diǎn)法確定相機(jī)外部參
數(shù)；
(5)統(tǒng)計(jì)分量法確定基坑現(xiàn)場(chǎng)支撐的彩色圖像/P、仏A各分量之間的關(guān)系；
(6)由步驟(I)和步驟(4)分別得到的相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，將已知的世界坐標(biāo)系下的支撐坐標(biāo)投影到步驟(3)經(jīng)過畸變校正后的基坑圖像上，形成對(duì)應(yīng)支撐的圖像區(qū)域；
(7)根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的基坑支撐的彩色圖像/P、仏A各分量之間的關(guān)系，判斷支撐是否已經(jīng)施工當(dāng)支撐未被遮擋物遮擋時(shí)，直接對(duì)形成的支撐圖像區(qū)域進(jìn)行判斷；當(dāng)支撐被遮擋物遮擋時(shí)，先對(duì)支撐圖像區(qū)域進(jìn)行布爾運(yùn)算，再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行判斷；
(8)讀入基坑數(shù)據(jù)文件中下一跟支撐的世界坐標(biāo)進(jìn)行循環(huán)判斷，返回當(dāng)前已經(jīng)施工的支撐累計(jì)根數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)資料得到基坑施工的支撐位置。本發(fā)明中，步驟(I)的操作方法如下
①選取大小合適的HALCON特制標(biāo)定板(有從2500μ m到800mm的各種不同尺寸)；
②將準(zhǔn)備好的標(biāo)定板張貼到有剛度的平板上，保證表面平滑；
③拍攝1(Γ20張標(biāo)定板的圖像，拍攝過程需注意如下事項(xiàng)
在每張照片中整個(gè)標(biāo)定板必須保持全部可見；
拍攝過程中需變換標(biāo)定板的位置、朝向、距離；
標(biāo)定板需占盡量大的圖幅(至少1/4)以保證標(biāo)定點(diǎn)識(shí)別的精度；
在各次拍攝中標(biāo)定板盡量依次覆蓋整個(gè)圖像范圍；
④用HALCON標(biāo)定程序?qū)λ杉臉?biāo)定板圖像進(jìn)行處理，獲取相機(jī)內(nèi)部參數(shù)。本發(fā)明中，步驟(2)的操作方法如下
①由視場(chǎng)角公式推導(dǎo)出相機(jī)水平視場(chǎng)角和垂直視場(chǎng)角
Q^2tg-l(wi2f)
Qh = 7tg-l(ki2f)
式中仏，込分別為相機(jī)水平視場(chǎng)角和垂直視場(chǎng)角分別為相機(jī)傳感器水平方向和垂直方向尺寸；/為鏡頭焦距；
②由相機(jī)視場(chǎng)角和拍攝距離估計(jì)相機(jī)視場(chǎng)范圍，
權(quán)利要求
1.一種新型的基坑施工過程支撐位置的識(shí)別方法，其特征在于，具體步驟如下 (1)采用計(jì)算機(jī)視覺工具包HALCON標(biāo)定方法對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲取相機(jī)內(nèi)部參數(shù)； (2)保持相機(jī)內(nèi)部參數(shù)不變，根據(jù)相機(jī)視場(chǎng)范圍在基坑周圍合適位置安裝固定相機(jī)，采集基坑施工的現(xiàn)場(chǎng)圖像； (3)采用除法畸變模型，對(duì)采集到的基坑施工現(xiàn)場(chǎng)圖像進(jìn)行鏡頭畸變校正，得到畸變校正后的基坑圖像； (4)由基坑三維空間點(diǎn)和二維圖像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用控制點(diǎn)法確定相機(jī)外部參數(shù)； (5)統(tǒng)計(jì)分量法確定基坑現(xiàn)場(chǎng)支撐的彩色圖像/P、仏A各分量之間的關(guān)系； (6)由步驟(I)和步驟(4)分別得到的相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，將已知的世界坐標(biāo)系下的支撐坐標(biāo)投影到步驟(3)經(jīng)過畸變校正后的基坑圖像上，形成對(duì)應(yīng)支撐的圖像區(qū)域； (7)根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的基坑支撐的彩色圖像/P、仏A各分量之間的關(guān)系，判斷支撐是否已經(jīng)施工當(dāng)支撐未被遮擋物遮擋時(shí)，直接對(duì)形成的支撐圖像區(qū)域進(jìn)行判斷；當(dāng)支撐被遮擋物遮擋時(shí)，先對(duì)支撐圖像區(qū)域進(jìn)行布爾運(yùn)算，再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行判斷； (8)讀入基坑數(shù)據(jù)文件中下一跟支撐的世界坐標(biāo)進(jìn)行循環(huán)判斷，返回當(dāng)前已經(jīng)施工的支撐累計(jì)根數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)資料得到基坑施工的支撐位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型的基坑施工過程支撐位置的識(shí)別方法，其特征在于，步驟(I)中的操作方法如下 ①選取大小合適的HALCON特制標(biāo)定板； ②將準(zhǔn)備好的標(biāo)定板張貼到有剛度的平板上，保證表面平滑； ③拍攝1(Γ20張標(biāo)定板的圖像； ④用HALCON標(biāo)定程序?qū)λ杉臉?biāo)定板圖像進(jìn)行處理，獲取相機(jī)內(nèi)部參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型的基坑施工過程支撐位置的識(shí)別方法，其特征在于，步驟(2)的操作方法如下 ①由視場(chǎng)角公式推導(dǎo)出相機(jī)水平視場(chǎng)角和垂直視場(chǎng)角Qw = 2tg~l(wi 2/)Qh^Tig-1 Qt i2f)式中·Α,込分別為相機(jī)水平視場(chǎng)角和垂直視場(chǎng)角#，A分別為相機(jī)傳感器水平方向和垂直方向尺寸為鏡頭焦距； ②由相機(jī)視場(chǎng)角和拍攝距離估計(jì)相機(jī)視場(chǎng)范圍，JiT = ￡ig(a+ Qw S 2) - Lig(a-Qw! 2) \H = Ligic^Qk 2)-￡ig(a-訓(xùn))式中r，V分別為視場(chǎng)長(zhǎng)度和寬度'L為相機(jī)與目標(biāo)物的垂直距離；O·為相機(jī)軸線與豎直線的夾角； ③根據(jù)相機(jī)視場(chǎng)范圍在基坑周圍合適位置安裝固定相機(jī)采集基坑施工的圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型的基坑施工過程支撐位置的識(shí)別方法，其特征在于，步驟(3)的操作方法如下①利用全標(biāo)定方法對(duì)相機(jī)進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定，由步驟(I)相機(jī)標(biāo)定獲得鏡頭畸變參數(shù)； ②采用除法鏡頭畸變模型，對(duì)采集到的基坑施工圖像進(jìn)行鏡頭畸變校正，徑向畸變校正公式如下
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型的基坑施工過程支撐位置的識(shí)別方法，其特征在于，步驟(4)的操作方法如下 ①人為設(shè)定世界坐標(biāo)系，選擇至少三個(gè)控制點(diǎn)的世界坐標(biāo)PUr, K, Zw)和對(duì)應(yīng)的圖像坐標(biāo)/7 O, C); ②聯(lián)立公式(I)、(2)、(3)、(4)最終求得相機(jī)外部參數(shù)，確定相機(jī)位置和朝向
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型的基坑施工過程支撐位置的識(shí)別方法，其特征在于，步驟(5)的操作方法如下 ①在采集到的基坑圖像上選取合適像素大小的支撐圖像，分解為/P、仏A單通道顏色的圖像； ②計(jì)算/P、仏i 單通道顏色圖像的平均灰度值； ③選取若干合適像素大小的支撐圖像，重復(fù)步驟①②統(tǒng)計(jì)支撐圖像各顏色分量的灰度值范圍，并得出各分量之間的關(guān)系； 對(duì)于一般情況下支撐分量之間的關(guān)系可用以下參考值對(duì)于紅色鋼管支撐，符合R-G彡100，且TP-S彡100 ;對(duì)于藍(lán)色鋼管支撐，符合沒_/ 彡100，且沒彡100 ;對(duì)于混凝土支撐，\R_Gl ( 30，\R~Bj ( 30，且 \B_G! ( 30。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型的基坑施工過程支撐位置的識(shí)別方法，其特征在于，步驟(6)的操作方法如下 ①讀入人為設(shè)定的世界坐標(biāo)系下的支撐兩端坐標(biāo)PUr, !；，&)，共4個(gè)點(diǎn)，根據(jù)步驟(4)中求得的外部參數(shù)和公式(I)將其轉(zhuǎn)換為相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)慫(xc,^,zc)； ②根據(jù)步驟(I)中獲得的內(nèi)部參數(shù)和公式(2)將慫(Wy^)轉(zhuǎn)換為成像平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)/7 (U，V)； ③根據(jù)步驟(I)中獲得的內(nèi)部參數(shù)和公式(4)將/7{u,v)轉(zhuǎn)換為圖像坐標(biāo)系下經(jīng)過鏡頭畸變校正后的坐標(biāo)P {r,c)； ④在基坑圖像上依次連接支撐兩端點(diǎn)的投影點(diǎn)并形成對(duì)應(yīng)支撐的圖像區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型的基坑施工過程支撐位置的識(shí)別方法，其特征在于，步驟(7)的操作方法如下 ①當(dāng)支撐未被遮擋物遮擋時(shí)，直接對(duì)形成的支撐圖像區(qū)域進(jìn)行判斷 O分別計(jì)算步驟(6)形成的彩色圖像區(qū)域的/P、仏A各分量的灰度值； 2)對(duì)各分量的灰度值按不同顏色的支撐進(jìn)行不同的組合運(yùn)算，以運(yùn)算結(jié)果是否符合步驟(5)中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來判斷基坑支撐是否已經(jīng)施工； ②當(dāng)支撐被遮擋物遮擋時(shí)，先對(duì)該支撐圖像區(qū)域進(jìn)行布爾運(yùn)算，再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行判斷 1)對(duì)該支撐施工之前的所有支撐進(jìn)行依次投影，作相交運(yùn)算得到該支撐被遮擋的圖像部分； 2)將該支撐圖像區(qū)域與遮擋部分作相減運(yùn)算，按不同顏色的支撐對(duì)相減得到的圖像進(jìn)行不同的組合運(yùn)算，以運(yùn)算結(jié)果是否符合步驟(5)中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來判斷基坑支撐是否已經(jīng)施工。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型的基坑施工過程支撐位置的識(shí)別方法，其特征在于，步驟(8)的操作方法如下 ①當(dāng)步驟(7)中各分量組合運(yùn)算的結(jié)果符合要求時(shí)，基坑支撐施工根數(shù)自動(dòng)加I并讀入基坑下一根支撐的世界坐標(biāo)，返回步驟(6)進(jìn)行循環(huán)判斷；②當(dāng)步驟(7)中各分量組合運(yùn)算的結(jié)果不符合要求時(shí)，程序結(jié)束并返回當(dāng)前已經(jīng)施工的支撐累 計(jì)根數(shù)，根據(jù)基坑設(shè)計(jì)資料計(jì)算當(dāng)前基坑施工的支撐位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型的基坑施工過程支撐位置的識(shí)別方法，具體步驟為采用計(jì)算機(jī)視覺工具包對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；采集基坑施工的照片；對(duì)采集到的圖像進(jìn)行鏡頭畸變校正；由基坑三維空間點(diǎn)和二維圖像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用控制點(diǎn)法確定相機(jī)外部參數(shù)；統(tǒng)計(jì)分量法確定基坑現(xiàn)場(chǎng)支撐彩色圖像R、G、B各分量之間的相互關(guān)系；將已知的世界坐標(biāo)系下的支撐坐標(biāo)投影到經(jīng)過畸變校正后的基坑圖像上，形成對(duì)應(yīng)支撐的圖像區(qū)域；根據(jù)基坑支撐的彩色圖像R、G、B各分量之間的關(guān)系，判斷支撐是否已經(jīng)施工；讀入基坑下一跟支撐的世界坐標(biāo)進(jìn)行循環(huán)判斷，返回當(dāng)前已經(jīng)施工的支撐累計(jì)根數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有低成本、高精度、快速便捷等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)E02D17/02GK102779341SQ201210199620
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者孫仕敏, 李曉軍 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)