巖土工程高邊坡外觀變形智能監(jiān)測(cè)探究
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摘要:介紹了貴州省邊坡地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)狀，闡述了高邊坡變形特征分析及外觀變形監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，將視覺(jué)技術(shù)與人工觀測(cè)法、GPS監(jiān)測(cè)法等方法進(jìn)行比較，進(jìn)而探討了視覺(jué)技術(shù)在邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，最后簡(jiǎn)要探討了當(dāng)前智能檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，可為相關(guān)研究提供參考。
關(guān)鍵詞:高邊坡;地質(zhì)災(zāi)害;外觀變形;視覺(jué)技術(shù);智能化監(jiān)測(cè)
0前言
在多山的貴州，由于喀斯特地貌的特殊性，工程建設(shè)無(wú)疑會(huì)帶來(lái)更為復(fù)雜的巖土工程問(wèn)題，高填深挖的路塹結(jié)構(gòu)、坡頂有水池或輸電塔的構(gòu)筑物的建筑邊界、緊鄰市政道路和已建建筑的深挖基坑等都是工程領(lǐng)域的重大巖土工程問(wèn)題，它們都涉及一個(gè)共同的焦點(diǎn)，即邊坡工程的安全問(wèn)題。運(yùn)行中的高邊坡，其穩(wěn)定性的預(yù)判和分析事關(guān)重大，嚴(yán)重者直接威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，合理科學(xué)精準(zhǔn)的高邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)是幫助解決高邊坡失穩(wěn)的有效手段，因此，該技術(shù)的研究對(duì)于邊坡工程安全運(yùn)行有重要的意義。
1研究背景
眾所周知，邊坡失穩(wěn)的前提是坡體發(fā)生變形，尤其是外觀上會(huì)有明顯的變形和位移，當(dāng)坡體的變形量達(dá)到一定的量級(jí)，邊坡即發(fā)生失穩(wěn)。近年來(lái)，隨著數(shù)字化技術(shù)和信息化產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)由人工向自動(dòng)化發(fā)展，由破損類檢測(cè)向無(wú)破損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展，各種電子和機(jī)械自動(dòng)化的測(cè)量方式逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工方式，測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、記錄和統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析等功能均已實(shí)現(xiàn)。邊坡變形是邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的一個(gè)重要表征，對(duì)邊坡變形的監(jiān)測(cè)是判斷邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的重要手段［1］。計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器視覺(jué)都屬于人工智能的下一級(jí)學(xué)科，其目的是讓機(jī)器擁有類似或超越人類的視覺(jué)能力［2］，可以根據(jù)目標(biāo)個(gè)體的表面特征來(lái)進(jìn)行分析和識(shí)別，目前，已有成功的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)。
2貴州省邊坡地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀
貴州省屬于典型的內(nèi)陸巖溶山區(qū)，地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜脆弱，巖溶地貌發(fā)育，沉積巖廣泛分布，傾斜坡和順層斜坡較多，大面積出露地層為碳酸鹽類和玄武巖風(fēng)化帶，巖體破碎，坡面松散土層較厚，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)多面廣，按照國(guó)家地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃劃分，全省突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害涉及縣達(dá)到89個(gè)縣(市、區(qū))，全省均為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，其中高達(dá)81個(gè)縣(市、區(qū))為重點(diǎn)防治縣，地質(zhì)災(zāi)害高中易發(fā)區(qū)面積約13．60×104km2，占全省面積的77%，是全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)之一，具有“全、重、多”的特點(diǎn)。根據(jù)貴州省國(guó)土資源公報(bào)資料顯示，全省2019年共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害29起，直接經(jīng)濟(jì)損失2．06億元，人員受傷13人、死亡44人、失蹤9人;避免地質(zhì)災(zāi)害20起，避免人員傷亡2042人，避免直接經(jīng)濟(jì)損失3768萬(wàn)元。
3高邊坡變形特征分析及外觀變形監(jiān)測(cè)
3．1高邊坡變形特征
從邊坡變形的角度來(lái)劃分，邊坡變形的狀態(tài)可分為初始蠕變、穩(wěn)定蠕變和加速蠕變?nèi)齻€(gè)階段。初始變形階段變形速率小，變形趨勢(shì)不明顯，一般在該階段不一定發(fā)生破壞的征兆，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求精度較高，側(cè)重于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè);穩(wěn)定蠕變階段邊坡變形發(fā)展加快，有時(shí)變形宏觀可見(jiàn)，坡面或坡頂可能出現(xiàn)張拉裂縫，坡腳也有可能出現(xiàn)剪切裂縫。此階段位移量開(kāi)始增大，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求測(cè)試敏感部位，量程和精度均要考慮［1］。邊坡的變形特征和邊坡組成成分有直接關(guān)系，土質(zhì)邊坡多以圓弧形的滑動(dòng)破壞為主，巖質(zhì)邊坡則受更多因素的影響，巖體本身的產(chǎn)狀(巖層傾向和傾角)、坡面傾向和傾角，巖質(zhì)邊坡多沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移，破壞面可分為直線形、折線形、楔形，除此之外，還有土巖組合型滑動(dòng)、巖石崩塌等。
3．2邊坡外觀變形監(jiān)測(cè)
由《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)中表19．1．3可知，邊坡工程對(duì)表面變形監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要有:坡頂水平位移和垂直位移、地表裂縫、坡頂建(構(gòu))筑物變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。其中，監(jiān)測(cè)精度對(duì)于巖質(zhì)邊坡分辨率不應(yīng)低于0．50mm，對(duì)于圖紙邊坡不應(yīng)低于1．00mm。
4視覺(jué)技術(shù)在邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
4．1邊坡監(jiān)測(cè)方法對(duì)比
現(xiàn)階段應(yīng)用于邊坡的變形監(jiān)測(cè)的方法很多，主要有人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)法、GPS監(jiān)測(cè)法、激光三維成像法和圖像法等［2］，這幾種方法的監(jiān)測(cè)原理和優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。
4．2視覺(jué)技術(shù)
計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器視覺(jué)雖然都是屬于人工智能的視覺(jué)技術(shù)，其中機(jī)器視覺(jué)主要分為圖像獲取、圖像分析與處理、輸出顯示或控制三個(gè)部分，根據(jù)邊坡工程對(duì)表面變形的監(jiān)測(cè)內(nèi)容大致是位移變形和裂縫裂紋，因此，利用機(jī)器視覺(jué)來(lái)對(duì)邊坡不同角度的變形量識(shí)別以及利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)對(duì)裂縫裂紋的生長(zhǎng)分析可能會(huì)更為合適。在利用人工智能視覺(jué)技術(shù)對(duì)邊坡表面變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，需要不時(shí)對(duì)比變形前后的一些特征點(diǎn)來(lái)計(jì)算相應(yīng)的變形量，而形狀匹配算法的研究正是判定邊坡表面變形的關(guān)鍵。在計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式識(shí)別中，形狀是對(duì)目標(biāo)范圍的二值圖像表示的，可以看成是目標(biāo)的輪廓，它是用于目標(biāo)識(shí)別的重要特征［3］。
4．3形狀匹配的關(guān)鍵技術(shù)
為節(jié)省存儲(chǔ)空間和易于特征計(jì)算，通過(guò)編碼方式和簡(jiǎn)化方式來(lái)對(duì)形狀作進(jìn)一步的表示。本文介紹幾種應(yīng)用較多的形狀表示方法。1)鏈碼:是用曲線起始點(diǎn)的坐標(biāo)和邊界點(diǎn)方向代碼來(lái)描述曲線或邊界的方法。常用的鏈碼為4聯(lián)通鏈碼和8聯(lián)通鏈碼。4聯(lián)通鏈碼的鄰接點(diǎn)有4個(gè)，分別在中心點(diǎn)的上、下、左、右。8聯(lián)通鏈碼比4聯(lián)通鏈碼增加了4個(gè)斜方向，因?yàn)槿我庖粋€(gè)像素周圍均有8個(gè)鄰接點(diǎn)，而8聯(lián)通鏈碼正好與像素點(diǎn)的實(shí)際情況相符，能夠準(zhǔn)確地描述中心像素點(diǎn)與其鄰接點(diǎn)的信息［4］，如圖1所示，通過(guò)鏈碼抽取關(guān)鍵點(diǎn)形成一種相對(duì)于平移、旋轉(zhuǎn)、尺度不變得旋轉(zhuǎn)表示方法和一系列算法，使得在計(jì)算各種不同形狀特征時(shí)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。2)樣條:是指通過(guò)一組給定點(diǎn)集來(lái)生成平滑曲線的柔性帶。樣條常用于函數(shù)插值和曲線近似。插值既可以簡(jiǎn)化形狀，也可以增加形狀的邊緣點(diǎn)數(shù)，從而達(dá)到調(diào)整數(shù)據(jù)的目的。樣條有最小化曲率的優(yōu)點(diǎn)，可以利用最小平均曲率的曲線近似給定的函數(shù)曲線。3)多邊形逼近:是用多邊形線段來(lái)近似形狀邊緣，即:以最小誤差、最小多邊形周長(zhǎng)、最小多邊形內(nèi)部面積或最小多邊形外部面積作為近似準(zhǔn)則。目前在視覺(jué)識(shí)別領(lǐng)域運(yùn)用最廣的計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)OpenCV在處理目標(biāo)外形輪廓時(shí)也主要用多邊形逼近的方法。4)基于尺度空間特征點(diǎn)提取技術(shù):基于尺度空間的特征點(diǎn)提取方法是一種流行的形狀簡(jiǎn)化方法。該方法基于尺度不變特征變換(SIFT)特征，這種特征還具有較高的辨別能力，有利于后續(xù)的匹配［5］。
5智能監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
近年來(lái)應(yīng)運(yùn)而生的變形監(jiān)測(cè)發(fā)展很快，尤其儀器的發(fā)展。發(fā)展特點(diǎn)可概括為:遙測(cè)、遙控、動(dòng)態(tài)、連續(xù)、實(shí)時(shí)、智能化、高可靠性、高精度及網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、自動(dòng)化等［6］。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)和儀器設(shè)備的發(fā)展，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于高邊坡、深基坑監(jiān)測(cè)，取得了豐富的研究成果，并逐步建立深基坑動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工的模式。目前，貴州省邊坡工程監(jiān)測(cè)技術(shù)已發(fā)展到較高水平，由過(guò)去人工地表量測(cè)等簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)，發(fā)展到用儀器量測(cè)，正逐步實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、高精度的監(jiān)測(cè)。
6結(jié)束語(yǔ)
視覺(jué)技術(shù)除了在邊坡位移方面有應(yīng)用和研究以外，在其他的土木建筑領(lǐng)域(如基坑變形監(jiān)測(cè)、煤礦巷道變形監(jiān)測(cè)和古建筑物表層損傷檢測(cè)等)都有應(yīng)用。其他領(lǐng)域的發(fā)展同樣為促進(jìn)巖土工程高邊坡外觀變形智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了很大的幫助。
作者:常娟娟 吳凱 盧亞杰 武寧波 黃彥森 單位:貴州聯(lián)建土木工程質(zhì)量檢測(cè)監(jiān)控中心有限公司 貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 貴陽(yáng)建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司
