一种基于双目相机与计算机视觉的地铁基坑超挖监测方法技术

本发明专利技术一种基于双目相机与计算机视觉的地铁基坑超挖监测方法，属于地铁基坑超挖监测领域。为解决超挖监控大多依靠人力，实时性差；同质土体难以区分多平面；单一测量仪器耐受性差；作业面不平整，难以表示平均高度；无法监控钢支撑架设是否及时问题。通过双目相机采集二维图像和三维点云后进行点云合并，通过预先训练进行语义分割；将地平面转换为平面方程后通过划分土体点云中的点到平面方程距离、三维空间平面拟合精准分割不同工作平面，判断工作面是否超挖或坡度过大；根据土体点云分割结果及挖掘机点云判断钢支撑是否超挖。节省人力物力，实时性较高；可提高监测准确率；动态监控工作面是否超挖和是否存在钢支撑架设不及时而挖掘工作仍进行。挖掘工作仍进行。挖掘工作仍进行。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双目相机与计算机视觉的地铁基坑超挖监测方法


[0001]本专利技术涉及地铁基坑超挖
，具体而言，涉及一种基于双目相机与计算机视觉的地铁基坑超挖监测方法。

技术介绍

[0002]在深基坑工程中，基坑开挖实施的工况与方案设计的工况必须一致，这是保证基坑安全的前提。当基坑开挖至支撑设计标高处时，应开槽及时安装钢支撑或制作混凝土支撑，待支撑满足设计要求后，才能继续挖土，即要求遵循“先撑后挖”的原则。从基坑开挖的时空效应分析中我们已知(时空效应是指基坑开挖后，上部土方被挖掉，等于是给基底土方卸荷，打破了原有的荷载平衡，使基底土方产生应力释放，导致地基土方变形隆起)，围护结构的变形大小与无支撑暴露面积的大小和暴露时间的长短有关，因此，严格按照基坑工程方案设计的工况进行开挖，先撑后挖，及时加撑，是控制基坑墙体变形和相应地面位移和沉降的保证。
[0003]“严禁超挖”是基坑开挖中必须遵循的又一重要原则。超深挖土是基坑开挖中的大敌，它小则会造成不应有的损失，大则会造成重大事故，应在施工中杜绝发生。它的危害主要表现在以下四个方面：
[0004](1)超挖增大了围护结构的暴露面积，并且延误支撑安装时间，会明显地增加围护结构墙体变形和相应的地面位移与沉降。
[0005](2)若基坑底部超挖，围护墙体埋深不够，会导致围护墙体底部走动，发生强度破坏。
[0006](3)坑底超挖还增大了土体卸荷总量，增加了坑底土体隆超量，同时也使坑周地面沉降加大；坑底超挖还使地基土受到扰动，使地基土承载力下降。/>[0007](4)坑底超挖还使底板浇筑不能及时进行，使坑底长时间暴露，由于粘性土的流变性，将增大墙体被动压力区的土体位移和墙外土体向坑内的位移，从而增加地表沉降，雨天尤甚。
[0008]在现有超挖检测过程中，存在以下困难：
[0009]首先，地铁基坑开挖往往采用分层分段开挖，目前尚无可以对整个开挖过程超挖情况进行有效的自动化监测方法，一般仍然靠人力操控仪器进行监测，由于开挖周期很长，无特殊情况下昼夜作业不停，这种监控方法难以覆盖整个开挖过程，缺乏实时性，不可控性较强。
[0010]其次，由于分层分段开挖作业面众多且不断变动，各个作业面均主要由土体构成，如要实现自动化监控，需要克服同质材料的区分问题。
[0011]另外，基坑钢支撑随挖随撑，十分密集，会对各种测量仪器造成极大遮挡，因此使用单一仪器覆盖整个监控过程需要采用非常昂贵的精密仪器，而精密仪器对复杂恶劣施工环境的耐受性很差，极易遭受破坏或出现故障，不能够满足对开挖过程监控的实时要求。
[0012]最后，超挖定义较为复杂，静态方面当前土体平面的挖掘深度超过设计标高即视
为超挖，但是施工现场土体平面必然不是十分平整的，需要一种方法有效表示当前土体平面的平均高度，动态方面，钢支撑架设不及时而挖掘工作仍在进行，亦是超挖的一种形式。需要对两种形式进行综合判断来判定超挖情况。

技术实现思路

[0013]本专利技术要解决的技术问题是：
[0014]为了解决现有的超挖监控大多依靠人力，缺乏实时性；各作业面主要由土体构成，自动监控难以区分；单一测量仪器耐受性差，难以满足实施要求；作业面不平整，难以表示平均高度；无法监控钢支撑架设方面超挖的问题。
[0015]本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案：
[0016]本专利技术提供了一种基于双目相机与计算机视觉的地铁基坑超挖监测方法，包括以下步骤：
[0017]步骤一、将若干台双目相机沿地铁基坑开挖方向布设，通过若干台双目相机在不同位置进行成像，得到相应的二维图像和三维点云；
[0018]步骤二、通过点云配准方法，将步骤一得到的点云进行合并，并去除重复点，得到合并点云，通过前期训练的语义分割模型对二维图像进行语义分割，识别其中的土体、钢支撑和挖掘机，并映射至合并点云，从而分割出土体、钢支撑和挖掘机点云；
[0019]步骤三、将步骤二中通过语义分割获得的土体和钢支撑点云进行点云清洗，去除杂点飞点，土体完成清洗后再根据之前的点云合并坐标转换四元数组转换坐标并合并为完整土体；钢支撑点云则先合并再清洗，得到完整土体点云与完整钢支撑点云；
[0020]步骤四、通过相机IMU参数利用欧拉坐标转换，将地平面转换至相机坐标系下的平面方程；计算完整土体点云各个点到地平面垂直距离，并从低到高排列；利用多段线拟合方法，对趋势进行拟合，根据多段线交点对应的点云点的编号，对点云进行初步划分，可粗略获取点云各个点所属的平面或坡面；
[0021]步骤五、对划分的各个点的集群进行三维空间平面拟合，获取相机坐标系下的平面方程，通过使用平面拟合可以拟合当前点云所属平面的方程；
[0022]步骤六、求拟合所得平面的交线，向地平面进行投影，得到垂直于地平面的分割平面，根据点云在分割平面的前后位置，对土体点云进行精准分割，包括多个平面和坡面，根据分割结果与设计标高进行对比，判断平面是否存在超挖高度的现象，判断坡面是否存在坡度过陡的现象，若存在上述现象则开始预警，要求现场人员查验；
[0023]步骤七、根据挖掘机点云所在位置，确定正在挖掘的坡面和需要架设钢支撑对应的平面，根据平面与坡面的分割平面，查验钢支撑标准间隔范围内有无钢支撑点云，如有，则标注表示已及时架设，如无则表示未及时架设，存在超挖可能，需要现场人员查验；
[0024]步骤八、采用动作检测方法，通过检测挖掘机是否正在进行挖土作业，如正在进行，正在开挖形成的平面高度处于临界状态，钢支撑位置处于临界状态，则提醒工作人员加强监测。
[0025]进一步地，步骤一中，双目相机的数量为一个时，可以将双目相机布设在可行走的龙门吊上；当双目相机的数量为大于一个时，可将多个双目相机布设在基坑内第一层钢支撑的水平面上方。
[0026]进一步地，布设间隔以两台相机视场重叠1/3以上。
[0027]进一步地，步骤一中，图像采集时可将基坑分为左、中、右三个部分，对左、中、右三个部分进行成像。
[0028]进一步地，在点云分割过程中，将双目相机获取的左、中、右三部分采集到的二维图像和三维点云进行坐标转换矩阵和重合点消除，获得土体点云、钢支撑点云和挖掘机点云。
[0029]进一步地，所述土体部分在进行坐标转换矩阵和重合点消除前进行统计式移除离群点。
[0030]进一步地，在进行风险判断主要分为三个方面，在判断基坑挖掘面是否超挖时，计算拟合平面与场地平面的平面角，区分工作面和挖掘面并判断平面角是否超过设计值，在土体点云上标注过陡的挖掘面；在判断是否存在钢支撑架设不及时而挖掘工作仍在进行的情况时，所述土体点云各个平面和坡面对应的分割平面及各点高度计算超出设计标高概率，得到工作面是否超出设计标高，对挖掘机工作状态的检测计算钢支撑到分割平面的距离，在点云合并上标注出范围内的钢支撑和范围外的钢支撑，对范围外的钢支撑进行风险预警；在监测基坑边缘区域荷载状态时，对基坑边缘区域目标检测，结合挖掘本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双目相机与计算机视觉的地铁基坑超挖监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将若干台双目相机沿地铁基坑开挖方向布设，通过若干台双目相机在不同位置进行成像，得到相应的二维图像和三维点云；步骤二、通过点云配准方法，将步骤一得到的点云进行合并，并去除重复点，得到合并点云，通过前期训练的语义分割模型对二维图像进行语义分割，识别其中的土体、钢支撑和挖掘机，并映射至合并点云，从而分割出土体、钢支撑和挖掘机点云；步骤三、将步骤二中通过语义分割获得的土体和钢支撑点云进行点云清洗，去除杂点飞点，土体完成清洗后再根据之前的点云合并坐标转换四元数组转换坐标并合并为完整土体；钢支撑点云则先合并再清洗，得到完整土体点云与完整钢支撑点云；步骤四、通过相机IMU参数利用欧拉坐标转换，将地平面转换至相机坐标系下的平面方程；计算完整土体点云各个点到地平面垂直距离，并从低到高排列；利用多段线拟合方法，对趋势进行拟合，根据多段线交点对应的点云点的编号，对点云进行初步划分，可粗略获取点云各个点所属的平面或坡面；步骤五、对划分的各个点的集群进行三维空间平面拟合，获取相机坐标系下的平面方程，通过使用平面拟合可以拟合当前点云所属平面的方程；步骤六、求拟合所得平面的交线，向地平面进行投影，得到垂直于地平面的分割平面，根据点云在分割平面的前后位置，对土体点云进行精准分割，包括多个平面和坡面，根据分割结果与设计标高进行对比，判断平面是否存在超挖高度的现象，判断坡面是否存在坡度过陡的现象，若存在上述现象则开始预警，要求现场人员查验；步骤七、根据挖掘机点云所在位置，确定正在挖掘的坡面和需要架设钢支撑对应的平面，根据平面与坡面的分割平面，查验钢支撑标准间隔范围内有无钢支撑点云，如有，则标注表示已及时架设，如无则表示未及时架设，存在超挖可能，需要现场人员查验；步骤八、采用动作检测方法，通过检测挖掘机是否正在进行挖土作业，如正在进行，正在开挖形成的平面高度处于临界状态，钢支撑位置处于临界状态，则提醒工作人员加强监测。2.根据权利要求1所述的一种基于双目相机与计算机视觉的地铁基坑超挖监测方法，其特征在于：步骤一中，双目相机的数量为一个时，可以将双目相机布设在可行走的龙门吊上；当双目相机的数量为大于一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雪来，冯凯伦，刘昌永，闫豪峰，唐一栋，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：