（非接触式）变焦机器视觉技术在基坑支护结构位移监测的应用

一、基坑监测的背景

随着城市建设的发展，基坑深度和规模也在不断扩大。基坑工程易受到土体性质、邻近建筑物、地下水位、周边交通等环境，以及设计合理性和施工工序的影响；可能引发不可预测的安全事故。

然而，传统的基坑监测方法往往依赖于人工测量和定期巡查的低效手段，普通的自动化监测设备存在精度不够、施工布线成本高等问题，已经不能满足现代化高精度、实时性、高效率、低成本的监测需求；因此，变焦视觉位移监测仪应运而生。

2.       优势对比分析

2.1 与人工监测的对比

2.2 与普通自动化设备的对比

三、设计依据

Ø《建筑深基坑工程施工安全技术规范》JGJ 311-2013

Ø 《建筑基坑支护技术规程[附条文说明]》JGJ 120-2012

Ø《建筑基坑工程监测技术标准》GB 50497-2019

Ø《湿陷性黄土地区建筑基坑工程安全技术规程[附条文说明] 》JGJ 167-2009

Ø《复合土钉墙基坑支护技术规范[附条文说明]》GB 50739-2011

四、系统组成与工作原理

变焦视觉位移计监测系统集光学、机械、电子、边缘计算、AI识别、云平台软件等技术为一体的自动化系统。系统由编码靶标、变焦视觉位移监测仪、安锐云及多终端组成。基于变焦机器视觉原理，采用特殊波段成像识别技术和无源靶标，将监测数据实时传输至安锐测控云平台，实现非接触式大空间、多断面、多测点的高精度水平、竖向位移的自动化监测。

五、系统特点和优势

①非接触式二维位移监测：无需在每个测点上都安装仪器设备，只需安装或贴装一个靶标即可实现二维位移监测。

②多断面，多靶标自动扫描测量：基于变焦自动控制镜头，远近的靶标均可清晰成像，实现多个断面，多个靶标测点的自动化监测。

③无需额外照明补光：新一代夜视技术，采用特殊波段成像，无需外加补光灯及照明设备，简化了系统的组成。

④最高微米级高精度测量：采用高分辨率图像传感器及亚像素技术，精度最高可达微米级。

⑤无源靶标，无需供电排线：采用无源靶标，可以是定制的靶标、一块金属片、打印的纸张甚至是喷涂的靶标均可清晰成像识别，无需排线供电。

六、监测解决方案

6.1 监测内容

本解决方案围绕变焦视觉位移监测仪在基坑项目的应用进行设计，主要对基坑结构的表面位移进行监测，包括水平位移监测、竖向位移监测和裂缝监测等。同时，系统还可以间接进行地下水位、降雨量、温湿度等，全面反映基坑表面的变形状态，为工程安全决策提供科学依据。

6.2 监测点位布置

测点布设需按照设计院的基坑设计文件、地质勘察文件、抗震防护等级、支护桩直径以及结构受力计算来得到结构性能指标，进而将测点布设在基坑的关键位置，同时在基坑高差较大等薄弱部位增加测点数量，以保证结构的安全。

①监测点的布置应满足监控要求：监测点应布置在内力及变形关键特征点上，确保能够最大程度地反映该区域的实际状态及其变化趋势。

②监测点数量与间距的确定：开挖深度不同的基坑，其监测点间距也有所不同。例如，开挖深度不超过7m的三级基坑，监测点间距不大于20m；而开挖深度超过7m的一、二级基坑，监测点间距不大于10m。此外，每一典型坡段应至少设置3个监测点。

③特殊位置的监测点布置：对于支撑内力较大或在整个支撑系统中起控制作用的杆件上，应设置监测点。同时，基坑每边中部、阳角处和地质条件复杂的区段也应布置监测点。

④便于监测与减少干扰：监测点的位置应避开障碍物，便于监测。同时，监测点的布置应不妨碍监测对象的正常工作，并应减少对施工作业的不利影响。

⑤考虑现场具体情况：监测点的位置，包括间距，以及距基坑边坡边缘的距离，应根据现场具体情况而定，可减少支护桩的监测距离，来获取更完整的基坑形变趋势。

综上，正常10米左右就要一个监测点，若使用静力水准仪或激光传感器，在两百米的监测距离下，单个测点就需要安装一个传感器，将近安装20多个传感器，大大增加了整套设备的成本，变焦视觉位移监测系统每增加1个靶标测点的成本并不高，在视野范围内靶标测点想装就装，无需考虑高额成本。

6.3 监测设备安装

首先需要对监测仪安装点进行科学合理的选址和布局，务必确保仪器和所有测点靶标之间能够通视，全面覆盖基坑的重要区域和关键设施。变焦视觉位移监测仪一般在基坑的四角稳固的位置（安装位置如图）各安装一台，（若无硬化的路面，需浇筑边长为600mm立方体混凝土基础，预埋钢支架，保证监测仪的墩台的稳固，因为变焦视觉为高精密仪器，墩台稍微的热胀冷缩都将会影响监测精度）。

同时需调整变焦视觉位移监测仪位置，使靶标最好在视野的正中间，但靶标不能与主机完全处于同一直线，避免视野中的靶标相互有所遮挡。

①围护结构水平位移、沉降、倾角监测

（1）       根据项目特点，基坑安装好一定数量的靶标后，接上电源，无需现场进行复杂的靶标框选和调试，即可实现基坑水平位移、沉降、桩身倾斜（倾斜监测方向与监测仪法线方向垂直）的二维位移自动化监测，机器自动识别视野范围内的靶标，非接触式测量，无需拉线布线安装传感器，节省劳动力、成本，方便快捷，巡回扫描监测。通过编码靶标对围护结构变形情况的监测，可以实时了解基坑施工的整体稳定性和安全性。

（2）若基坑的边宽度较小的长条形深基坑，则只需在一侧安装一台即可实现两端围护结构水平位移、沉降、桩身倾斜的自动化监测，实测测点可达1000个，理论还可增加测点数量，且靶标大小一致，监测长度可达400米，测点只需要安装靶标即可，无需拉线布线安装传感器，方便快捷，巡回扫描监测，测点数量越多，相对的监测频率会降低。

②基坑地表沉降监测

在可能发生地表沉降的地方安装测点靶标，将监测仪安装在远离沉降区域的稳定地域，且能看见所有地表沉降区域靶标的地方，然后再插上电源，手动框选靶标或监测仪智能识别视野范围内的靶标，即可实现基坑地表沉降监测，还可实现沉降区域测点的振动频率高频采集。通过编码靶标对基坑地表沉降情况的监测，可以实时了解基坑的整体稳定性和安全性。

③基坑环境辅助监测

变焦视觉位移监测仪可间接完成其他影响基坑的稳定性因素（降雨量、温湿度、土壤含水率、土体内部测斜、土压力等），仅需在仪器接口接入环境监测传感器（或其他监测项的传感器）即可，无需外加网关采集器、重新拉线，实现环境监测和位移监测数据综合分析，以不同的角度剖析基坑稳定性，更准确地评估基坑的稳定性，从而采取有效的措施来预防地质灾害的发生。

6.4 后期维护

整体安装完成后，因为变焦视觉位移监测仪属于微米级高精度测量设备，建议在主机上安装保护罩，以保护主机不被雨水直接冲刷、强风及粉尘造成的振动及视线遮挡。同时轻微的热胀冷缩都将会影响监测精度，建议在立柱上继续浇筑300mm的混凝土加固层，以保证立柱的稳定，同时建议在墩台、立柱以及保护罩均覆盖保温棉，以减少温度引起的热胀冷缩对监测精度产生的影响。

后续需要定期的巡检和维护，包括但不限于镜头擦拭、视野阻挡、杂草遮挡靶标灰尘及雨迹擦拭等直接影响监测的问题，及时发现并处理潜在问题。

变焦视觉位移监测仪可将监测数据存储在安锐云平台或本地储存（无网络也可储存）中，方便后续查询和分析。通过基坑实时监测数据，可以实时了解基坑围护结构的安全状况，实时显示基坑位移变化情况。当位移量超过预设阈值时，系统自动触发预警机制，现场声光预警、平台弹窗以及短信预警，及时通知相关人员进行处理，为基坑的安全施工提供保障。

6.       实际应用案例分析

湖北某建筑项目是市、区重点建设项目，项目建成发展高新技术、实施低碳循环经济的示范工程，带动湖北资源整合、技术研发、技术集成三个平台建设。为保证基坑开挖过程中的稳定安全、评价基坑的稳定性能并为后续工程措施提供设计依据，对基坑本体的支护结构顶部位移开展变形监测。

项目共沿基坑的两条长边布设两条地表位移监测轴线，测线上间隔10米布设一个支护结构位移测点，共设置36个靶标测点，每条监测轴线采用1台变焦视觉位移监测仪对靶标测点的沉降和水平位移进行监测，变焦视觉位移监测仪设置在开挖影响区以外的短边边缘，另在每台变焦视觉位移监测仪需要安装稳固的混凝土支墩，以保证主机的稳定性。