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1、在Ma t l a b 软件平台上实现大型沉井的可视化监测 黄醒春寇 新建 上海交通大学建筑工程与力学学院) 【 握要】通过建认 基于A u t o C A D 及m a t 1 软 件环境的可视化数 仇化 摄影测星系 统，首次 将近景摄 影测量方法实用于大型沉井施 工 过程的位移监测实现 W i a d n w s 9 5界面的沉井位移动态过程的测量, 动O f 状态图形显示及测量信息的多部门、多终端共享该方法信怠 U 人、测公过程 自动化程度高，可 大大提II d 沉井监测的内外业处理的效率，对今后实施沉少 施下过程自动化实时监测有较好的借鉴作用 一、前言 人型沉井施- t _ 过程的位移
2、、偏斜及沉降h 等的动态监i !N 与有效控制是确保沉井稳定 F 沉，防偏纠偏，实现预期沉降效果的不可缺少的技术环 了 迄今，沉井施 ! _ 过程的测 量采用基于水准仪、经纬仪或前站仪叮设备的常规方法、这些方法存在外业 _ 作4 1人、 信息耸少、白动化程度低、多部门信L l 共早困难等缺点因此难以适应现行的上管部门、 施 卜 部门、监理部门三力 一 共同协作相红监督的施 卜 机制的要求 本研究在大型沉井 _ 程甲首次引进数码摄影测!4 ? .解析系统通过基于近景摄影解析 系统、A u t o C A D及 M a t l a b 动态图形显示系统的可视化摄影测最系统实现窗口界面上的沉 井位移
3、动态过程的监测及图形显示利用 M a t I a b软件系统的解析编程功能、图形制作 与 实时 显示功能、三维动画回放功能实 现外业信u 、 采集、 问放、 摄影解析、图形制作及 信息局域网网上传递的全过释的微机处理 二、 t测系统及 测. 方法 概要 量测系统如图 1 所示 图 I 数值化摄影测量解析系统示意图 . 本文属 卜 海 1和 市政丁程管理 局 科技发展资 金 资助项 I f 21 8 ， weweesJ 硬件配置及软件环境如下: 硬件配置:O L Y M P I S 一1 4 0 0 L 数码式摄像机( 1 4 1 0 0 0 0画索，1 M B内存，土距 5 0 m 。 一 1
4、 5 0 m m ) , P e n t i u m 丁 1 2 3 3 计 算机( 内存:3 2 M B , H D : 4 . 3 G B , 1 5 寸彩色显示器) :E P S O iti 彩色喷墨打印机 软件环境及配置:W i n d o w s 9 5系统; 中文之星 2 . 5及以上版本;A u t o C A D 1 3 ( F o r W i n d o w s ) : M a t l a b 5 . 0 软件系统; P H O T O S H O P图形画面处理系统:P H O T O摄影测量 解析 系统 。 由于大型沉井具有:体积人:周边地农移动狱人、影响范M 7 1:周
5、边构筑物及堆积 物多，测量选点困难:沉井位移、偏斜是随施 L 过程变化的动态过程等特点其位移数 值化摄影测量相应地具 有与通常意义 卜 的摄影测量所不同的 技术特点及要求 首先，由 于 沉井外形几何尺寸大，满足摄影测量平差解析处理所需的 相片数缎较人;其次，由于 施工扰动影 响， 沉井周 边地表移动使摄影测量定向 点的 确定比 较困 难:问时，施 _ 过程 中的堆放物及沉井周边的临时或永久性 构筑物对摄象点的布置 有较强的制约作用 据 此，笔者采用基于摄影相片象素比例的简便易行且有足够精度的测量方法实施人1 Iq 沉井 的动态可 视化快速监测。 略去 沉井结 构变形， 将问题处理为沉)1随开
6、挖过程的刚 体位移， 从而采用摄象点 相对固定的 摄影监测力法。测量前先根据现场情况在沉井外 周控制线卜 设置醒目的监测标志点。同时在井筒附近设置定向点 ( 定向点随施 过程的位移可根据 井筒周边地表位移观测结果视实际情况不定时进行修止)。川数码相机在摄象点进行定 向拍摄即可得到任意施 L 时刻相对应的相片组。) f .将其存入计算机以各处理 三、内业处理及信息可视化的实现 摄影测量内业处理流程如图2听示 即把数码摄象机与i 算机 f 按联 机将上述摄影所得任意时间 t所对I CJ 的相片组输入微机， 4 1 以 B M P文件形 式存入 P H O T O子目录内。在 P H O T O_
7、! 录 卜 打开该相片组文件即可在对话式 窗 a 界面上通过 M o u s e进行摄影解析 参数输入 ( 包括:摄影解相精度、相 机上距、控制边已知长度等)、丰 目 片 平面坐标 设定及观测点标 号。运行 P H O T O . E X F 即可得到 各观测 点坐 标 值，并以数字文件形式被保存在 P H O T O 子目录 F .调用位移计算分析程序 C I 动读入上述观测点坐标的数据文件即 可计算出任意时距 A t 所对应的控 制点 的位移 、偏斜 、扭转及沉 井中心 的 卜 沉 景 内训 夕 卜 I ll! ; r? f “, 因 21 9 . 位移、 偏斜、 沉井卜 沉举等的计算及相
8、应的图文 输出 均由 笔者N 行编制的基于M a t l a b 软件 环境的位移解源析程序包 由r 篇幅所限本文 从略)自 动实 现。该 位移解析程序具 有以 卜 功能:其一，计算上述位移等沉井动态参 x并建立相应的数据序列;其 _ ，按实 测时间建立累计时间数据序列;其止， 动态输出 位移一时 间、 偏斜一时间、卜 沉量一时 间 等的 关系曲线:其四，任意时刻沉井的二 维 ( 平面) 状态图 及沉井下 沉全过程的动态 回放并在超偏和有突沉危险时及时自 动地发出 相应图文和声音 警告信息。 考虑到现场不同施仁 _ 阶段对测紧时间间隔要求不同， 位移计算程序中设置了 1 ) - ; 时距累计时
9、间;2 )按实测时间输入并累计时间等两种时间累计模式以适应不同测量时 距的要求从而实现测量时间数据序列的白动建立:同时，利用 M a t l a b自动扩展数组维 数的功能通过设置控制变星实现第 I + 1次计算结果的追加存储。调用 P l o t子程序实现 位移一时间、偏斜一时间、卜 沉一时间等关系曲 线的动态输出;调 用F i l l x , Y , c) 及 S u r f 子程序实现过井筒中心的监测面平 面状态图 及井 筒止 维动画 状态的 输出: 根据 施 ， 设计所允许的临界位移速度及最人偏斜举通过条件控制变举所指定的程序执行路径 调 用T e x t 及S o u n d 子块，
10、 对测晕结果超限者发 出相应的颜色及音响警告信息; 利用M o v i e 子 块实现施 _ 全过程的位移、偏斜及卜 沉信息的图像回 放以便分析沉井施1 过程的 动态 特性。通过局域网可将所得图文信窟 . 及时输送到主苦部门、施 部门及监理部门 四、实 例应用与考察 以上海市浦东污水治理 一 期一以fSR泵房沉井施 为例。该泵房沉井为人型圆形钢 筋混凝十结构沉井。井体外径 5 2 . 4。 ，井壁内侧为阶梯状，壁厚 房井结构总高度 1 5 . 9。 沉井有两根十字A墙和四根井字底梁 1 . 0 一 _ 1 . 9 2。 不等。泵 沉井采用分次制作，一 次性沉井，水力化挖泥 卜 沉的施_ 方式
11、根据 1 程管理部门及施 1 单位的要求，采用前述象素比例法实施沉井施 1 _ 全过程的 可视化位移监测。测点布置如图3所示 图 3中实线为观测控制线。由摄 影测量解析系统 P H O T O可获得到各观 测控制线的水平及铅垂位移量。尔后 按沉井刚体位移假设调用位移计算程 序即可计算出过沉井中心的铅垂平面 的偏斜、 水平位移、井筒中心 卜 沉量 及其相应的 位移一时间关系曲 线、三 维动画状态图。 现以沉井中心卜 沉量、0度监控 面的水平位移及其偏斜、沉井三维状 态为例， 其位移及偏斜输出结果如图 4中的( a ) , ( b ) , ( c ) 所示。 图中( a ) 为沉井中心位移与累计
12、施工时间的关系。从曲线图可以看出 .2 2 0 . 图3 现场实测控制点布置在水平面内投影 时 卜 ( a ) 喇狱分卜六璐 : T 019 1 0i l4 : 5 1 1 1 41 1 4 13 1 起钾 ( 卜 ) it “ 1R 2111 一翎w znn 二 b .il h iilb1 111. 1s O 1 00 h o u r s 。.、?夕气洲一伟很坎汽 游侧叫G d :引 1 4 1 1 4 11 士 起钟 一 万 全 毓 . 漏、 、(C)P 4C L%A 丫 、 倒蕊 丫“ O!Suna “ 苍 SOn :fSUb ;11 hi, 11 wi, hours 日淤呀刹关级牛。
13、图4沉1 下b L 星、偏刹、水，P 位移随施工过程令化 施 初期 h 沉曲 线斜率较人， 沉井 卜 沉 速度相对较人;中 期( : 2 0 0 - 5 0 0 h ) 卜 沉曲线 斜率近似相等，沉井以等速度稳定 卜 沉:后期( :4 0 0 h )卜 沉曲线渐趋平缓，卜沉速 度逐渐减小井趋于终沉稳定。( b ) 为 0度监测而沉井偏斜随时问的变化。曲线呈近似周 期性变化， 很好地反映 了 现场实施纠偏所采取的施 i s 方式及开挖地点: 最大偏斜量为0 . 3 度， 绝大多数点 位于。 一 。 . 2 度范围内，小i . 设 计允许的最大偏斜量0 . :3 2 度。( c ) 为0 度 监
14、测面内 沉井水平位移随时间 变化。 水平位 移以初始状态为基准随时间呈 近似周期性变 化:最人值为 1 4 7二，小于没计允许的最人水平位移值 1 5 0二。沉井三维动画状态如 图5所示从图而 L 百观把握沉井沿控制面 :0z平而，Y。z平面的偏斜状态、空间 位置及超沉超偏信息 . 2 21 . .，! 由局 域 网将 这 些实测信息及时输 送到主管部门 、施 _ 部门及监理部门 实现图文信息的共 享，促进了施_ L 管 理 各 部 门 相 互 沟 通、协调，确保 了 该 _ 程的高效优质 完成。 此外 ，施 _ C过 程中沉井沿任意方 向的水平位移及沉 井中心轴线在任意 铅垂面上的偏斜及 其
15、相应的平面状态 图等均可用同样的 曲线图及一维状态 图形式给 出。这些 一一 一 户1、“脚 LE I 5 lj i 井二维动11 D 1 状态图 信息可为 沉井施 _ 提供井筒 沉速度、卜 沉特征及趋势等工 _ 况， 达到防偏纠偏、 及时 改 善后续 _ 程的施 1 _ 方法、保证沉井稳定 F 沉的日的 五、结论 利用 M a t l a b软件平台编制适合于数码摄影测嗽的解析计算及图形处理程序可以实 现大型沉井施上过程监测的决 速、高效的现场信息采集、 处理，实 现位移、偏斜及沉井 三维_ : 况等信息的图文动态显示与输出。通过局域网可简便地实现多部门、多终端实时 信息共享。从而大大 提高
16、人型 沉井监测的内外业处理效率。井有望实现沉井施工过程的 自动化实时监测。 ee!一.，wewees月.J. : .考文献 1 李德仁.nV9 e 解析4fi rml学# 1 绘出 版 M.1 9 9 2 L 2 寇新建，何瑶民 。 曾卓乔 ， 等摄影测魔与金属Q地 表 移动监测矿冶丁程.1 9 9 5 . 1 5 1 2 - 1 6 f 8 1 欧必永软土地荃沉井施工浙江建筑，1 9 9 6 ,4 8 们张元良。体淑胜大型沉井施 _ 纤验黑龙幻水利科技，1 9 9 7 : 9 4 - 9 5 F 5 1 李胡锡。姜红.M x t l u b 桥 序渐 进上 海交 通大学出 版 宇 t . 1 4 9 7 2 2 2
