兰泽英,刘　洋

(1.广东工业大学 管理学院，广东 广州 510060；2.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)



基于CCD方法的超高层建筑周日摆动监测研究

兰泽英1,刘洋2

(1.广东工业大学 管理学院，广东 广州 510060；2.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)

摘要：对超高层建筑塔体进行周日摆动监测，为施工投点纠偏和选择合适投点时机提供科学依据，是施工控制网竖向传递的核心问题。文中针对现有方法在自动化采集及实时表达方面的不足，基于自适应阈值激光光斑中心定位方法，自主研发基于CCD的塔体摆动监测系统，并采用倾斜仪方法与之做同步比较研究。两种方法在广州市东塔施工第三方监测中互为检核验证，具有借鉴意义。

关键词：超高层建筑；塔体周日摆动监测；CCD；倾斜仪

随着人类社会的进步,建筑科技的发展,以及城市建设用地的日益紧张,超高层建筑在世界各地越来越多地涌现,城市空间布局日益呈现出由平面向立体纵深发展的趋势。

根据《混凝土结构工程施工及验收规程》超高层建筑全高垂直度允许偏差不得超过H/1 000 且≤30 mm[1]。由于受日照、地球自转、风力、温差等多种因素影响，超高层建筑主塔楼处于周期性的偏摆运动状态，这种动态特性，直接影响施工控制网竖向传递的准确性[1]。因此，研发精确、高效、智能化的超高层建筑周日摆动监测系统，了解其塔体周日摆动规律，为施工投点纠偏和选择合适投点时机提供科学依据，是施工控制网竖向传递的核心问题。

目前，超高层建筑周日摆动监测方法有数字正垂仪法[1-3]、GPS法[4-8]、测量机器人[9]法等，以上方法在内外业一体化、自动化采集及实时表达等方面还有待提高。为此，本文基于自适应阈值激光光斑中心定位方法，融合传感器技术、图像识别技术及计算机网络技术自主研发基于CCD的塔体摆动监测系统，并首次成功应用到广州市东塔(530 m，111层)的第三方监测中。此外，本文采用倾斜仪监测系统与CCD方法做同步比较研究，互为检核验证，对同类项目开展具有重要指导意义。

1CCD方法在超高层建筑塔体周日摆动监测中的应用

1.1CCD系统构成及精度指标

基于CCD的塔体摆动监测系统由硬件和软件构成，其中硬件(见图1)包括垂准仪、接受靶、标定靶及工业相机等,软件(见图2)包括光环中心自动提取与数据后处理等功能。

图1　CCD系统硬件部分

图2　CCD系统软件部分

该系统精度指标为测量范围Y方向90 mm，X方向90 mm；圆环中心提取精度0.17 mm；图像物面分辨率0.061 mm；采集速率24次/s(重心法)，7次/s(圆环法)；激光垂准仪(大连拉特JZC-G)标称精度1/200 000。

1.2工作原理及关键技术

CCD系统的工作原理：垂准仪向上垂直发射激光束(激光束形状一般有单点型和环珊型两种，本文采用环珊形激光束)，激光束通过精密柱筒中的接收靶时成像在接收靶上，位于接收靶上面固定距离的工业摄像机对其拍摄获取激光束图像，则物理相对位移转化为位移传感器的模拟信号进入数据采集卡，并输送到计算机；软件系统实时对数据进行处理、运算，获取激光束中心实时位置，并通过界面实时显示被测对象的相对位移量；最后根据实时位移数据及后处理数据综合分析物体的运动轨迹。

可见，光斑中心自动提取技术是CCD软件系统的关键，基本思路是首先提取光斑的边缘，再利用相应的算法计算中心点的位置。基于图像二值化的边缘提取方法简单，但其分割阈值不好确定，而现有的最大类间方差法以及迭代法等对具有小面积比特点的激光光斑图像分割效果不理想。为此，本文采用自适应阈值激光光斑中心定位方法，首先采用一种针对激光光斑图像的自适应阈值图像二值化分割方法，然后提取二值化图像的边缘并利用最小二乘椭圆拟合来确定其中心，总体技术路线如图3所示。实践表明，该方法计算量小，实时性好且定位精度高。

图3　激光光斑中心提取流程

1.2.1自适应阈值二值化

无衍射激光束图像具有同心圆特征，且激光光斑图像在图像处理中表现为R波段有较强的分量。因此，首先要提取R波段的分量，再利用数学形态学法对提取出的光斑图像进行滤波处理，消除噪声干扰的影响。在对去噪后的激光光斑进行二值化处理时，针对光斑图像的亮度与相机的曝光量成一定比例关系的特点，提出一种自适应二值化阈值计算方法，对光斑图像进行二值化分割，提取图像边缘。其具体步骤：

1)计算经过滤波去噪处理后的光斑图像的平均像素值T0，作为图像分割的初始阈值,

(1)

(2)

式中：g(i,j)是图像中(i,j)的灰度像素值。

2)根据初始阈值T0将激光图像分为目标和背景两个部分，同时计算出目标所占图像区域的范围imin,jmin,imax,jmax。

3)计算目标范围内所有像素点的像素平均值Tl。

4)根据图像亮度与相机曝光量之间的关系，确定的阈值乘以比例系数K(一般取经验值K=0.8)作为最终二值化的阈值Tf，对图像进行二值化分割。

(3)

1.2.2椭圆拟合中心定位

在进行椭圆拟合中心定位之前，需要提取上述二值化图像的圆环边缘坐标作为输入数据。其具体过程：①利用重心法计算出光斑的大体的中心位置；②以此中心位置作一条水平线，沿着该水平线找寻像素突变点；③以每一个突变点为起始点，通过边缘追踪寻找每个圆环的边缘点。

由于激光束图像具有同心圆特征，需要针对提取的每个圆环进行最小二乘拟合。本文利用椭圆方程对提取的边缘进行拟合，椭圆的一般方程为[7]

Ax2+By2+Cxy+Dx+Ey+1=0.

(4)

拟合准则为

(5)

其中:(xi,yi)(i=1,2,…,n.)为每个圆环边缘的坐标。

椭圆拟合完成之后，计算椭圆拟合的残差和中误差。将计算所得的残差较大的点以及中误差过大的椭圆剔除掉，进行二次拟合。同样计算二次拟合的中误差和残差，直到拟合之后的残差符合要求。拟合出的椭圆的中心坐标可按式(6)计算：

(6)

(7)

计算得出每个椭圆的中心坐标之后，取所有椭圆中心的坐标平均值作为最终的中心定位坐标，见式(7)，其中(Xi,Yi)为每个拟合椭圆的中心坐标，m为拟合椭圆的总个数。

1.3CCD方法在广州市东塔施工监测中的应用

本文首次将CCD在线动态监测系统应用于广州市东塔(111层，530 m，广州市标志性建筑)施工过程的第三方监测中，观测时间为2014-06-12T15:22～2014-06-13T10:32，主要对东塔57～89层进行楼体周日摆动变化监测。整个观测过程中，数据采样率设置为1 Hz，采集数据时间19 h 10 min，观测楼层之间的高差约为134.2 m。观测数据的处理主要包括数据预处理及数据拟合。数据预处理主要针对原始数据采用二倍中误差进行噪声剔除，得到X坐标和Y坐标的预处理后的数据。数据拟合是利用四次多项式对预处理后的数据进行拟合，将预处理后的数据及拟合值绘制在同一图表中，见图4和图5。

图4　CCD方法获取的源数据及处理结果

图5　倾斜仪方法获取的源数据及处理结果

获取的源数据、预处理及拟合处理后的结果如图4所示。通过对X，Y坐标变化曲线分析可知：X坐标值(东西方向)最大偏移量约为4.11 mm，相对于中心点最大偏移量约为2.06 mm；Y坐标值(南北方向)最大偏移量约为2.57 mm，相对于中心点最大偏移量约为1.29 mm。

利用拟合后X坐标，Y坐标数据绘制点位轨迹如图6(a)所示。由图6可知，塔体(89层相对于57层)在X，Y方向相对中心位置最大偏移量分别为2.06 mm和1.29 mm。综合考虑人眼识别能力、投点标定误差及测量系统误差等因素，目前57～89转换层之间尚不需要对控制点进行投点改正。

2倾斜仪方法做同步观测研究

为了验证CCD方法的正确性，本文同时采用倾斜仪监测系统进行同步观测，并进行比较验证。以广州市东塔57～89层楼体周日摆动变化监测为例，将2台Nivel210倾斜仪分别安装在东塔的57层、89层同一结构柱上，且竖直方向大致在一条直线，两台倾斜仪的高度差大概为134.25 m。

观测过程中，倾斜仪数据采样速率为1 Hz，采集时间为19 h 10 min，图5(a)、图5(b)分别为东塔在X，Y方向上偏移量和RMS值随时间的变化曲线。以每30 s的数据(30个读数)为一组，对原始数据进行噪声剔除，然后利用matlab工具，选取合适的函数，对噪声剔除后的数据进行拟合。数据拟合后东塔X，Y方向的偏移量随时间变化曲线如图5(c)所示。可知X方向的变化范围为(-0.82 mm，1.15 mm)，Y方向的变化范围为(-0.85 mm，0.78 mm)。利用拟合后X方向、Y方向偏移量绘制点位轨迹，如图6(b)所示。分析可得出以下结论：

1)整个监测大部分时间内，RMS值波动较大，即受外界环境因素的影响较大，初步判断此波动变化是由外界高频振动引起，应选取RMS值较小，变化稳定的时段进行激光投点；

2)由于塔体(89层)在X，Y方向相对中心位置最大偏移量分别约为0.98 mm和0.82 mm，综合考虑人眼识别能力、投点标定误差及测量系统误差等因素，目前57～89转换层之间尚不需要对控制点进行投点改正。

3CCD方法与倾斜仪方法的比较分析

对两种方法的原理、安装和结果做比较分析，可得出结论：

1)两种方法的原理和安装方法均不同：CCD方法是利用工业测量相机拍摄激光准直仪发射出来的激光光斑，对激光光斑图像进行处理，最终得到超高层建筑物的周日变形规律，倾斜仪监测系统通过监测倾斜角变化反映超高层建筑物的周日变形规律。CCD方法需要依靠激光传输路径(如预留孔、电梯井)进行安装，倾斜仪监测系统安装需保持上下两台倾斜仪安装方位一致。

2)两种方法基本上同步观测。CCD动态监测与倾斜仪动态监测在塔内位置相同，数据采样率都为1 Hz，采集数据时间相同，但受现场条件影响，两种方法起始观测时间和结束时间略有差异。

3)两种方法得到的点位变化趋势和变化量基本吻合。因受现场条件影响，两种方法起始观测时间相差了11 min，且倾斜仪对外界施工的高频震动较为敏感，考虑以上因素，两种方法得到的塔体运动轨迹是较相似的，如图6所示。且CCD方法得到的塔体在X，Y方向相对中心位置最大偏移量为1～2 mm，倾斜仪方法为1 mm左右，可见两种方法均可实时准确的监测东塔的周日变化规律，达到了相互验证和补充的目的。

图6　CCD方法和倾斜仪方法获取的周日点位轨迹对比

4)倾斜仪方法受施工震动等短周期因素影响较大，CCD方法在知识产权、稳定性和可靠性等方面更有优势。基于CCD的塔体周日摆动监测系统由武汉大学测绘学院和我院合作开发，具有自主知识产权，填补了我国空白，其具有高精度、高采样率、全自动化观测及实时处理等显著优势，通过高采样率和数据后处理可有效消除施工震动、风震等短周期因素影响，更加稳定可靠。

4结束语

超高层建筑的施工难度很大，主要表现在两

点：一是按照相关规范，其全高垂直度允许偏差不得超过H/1 000 且≤30 mm；二是塔体受日照、风、施工震动等多因素影响，处于运动状态，直接影响施工控制网竖向传递的准确性。因此，超高层建筑第三方监测对于保障建筑物施工安全、幕墙及高速电梯顺利安装以及为建筑设计提供重要参考等具有重要意义。

本研究针对超高层建筑施工控制网竖向传递过程中激光垂准仪投点对塔体摆动影响关注不够，或摆动监测方法内外业一体化不足、自动化程度不高等缺陷，采用产学研相结合方式，自主设计研发了基于CCD的塔体摆动监测系统等新型测量装备，有效解决了超高层建筑施工控制网竖向传递倾斜偏差改正这一关键性技术难题,极大拓宽了施工测量时激光投点的时段(即不需固定在不施工、无风的深夜进行投点)，具有一定科学意义和较重大的工程意义。

参考文献：

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[责任编辑：李铭娜]

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.08.001

收稿日期：2015-08-19

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目(41301377)

作者简介：兰泽英(1983-)，女，讲师，博士.

中图分类号：P208

文献标识码：A

文章编号：1006-7949(2016)08-0001-04

Daily deformation monitoring for super high-rise building based on CCD method

LAN Zeying1,LIU Yang2

(1.Guangdong University of Technology,Guangzhou 510060,China; 2.Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute,Guangzhou 510060,China)

Abstract：The daily deformation monitoring for super high-rise building,which provides scientific basis for construction point correction and point time choosing,is the core of the construction control network vertical transmission.In view of the shortfalls of the existing methods in automatic surveying and real-time expressing,this paper researches and develops the CCD on-line dynamic monitoring system based on the adaptive threshold laser spot center positioning method.Besides,it also adopts the inclinometer method to do synchronization comparative study.The two methods are checked and verified each other by the third-sect1y in the construction of Guangzhou East Tower.

Key words：high-rise building;daily deformation monitoring;CCD method;inclinometer method