CN103234462B - 一种结构位移逆向摄像测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种结构位移逆向摄像测量方法，包括以下步骤：（1）将数字摄像机架设在待测结构的测点上，在地面上选取基准点安装标志物；（2）通过运动的数字摄像机监测不动的标志物；（3确定标志物相对于待测点的位移；（4）将标志物相对于待测点的位移换算成待测点相对于固定标志物的位移，即待测点位移；（5）确定位移的主方向和次方向；（6）设计自适应滤波器；（7）将主方向实测位移经自适应滤波器处理后的结果作为测点的真实位移。本发明将数字摄像机与标志物的位置互换，从而实现无人值守的长期连续监测；同时本发明把自适应滤波运用到实测位移的精度提高上，减小因数字摄像机运动等因素引起的测量误差，使得测量结果更加精确。

Description

一种结构位移逆向摄像测量方法
技术领域
本发明属于结构位移摄像测量领域，具体涉及一种结构位移逆向摄像测量方法。
背景技术
近几年来，摄影测量因具有非接触、远距离等突出优点，已成为结构健康监测领域的研究热点之一，有望成为一种精确实用的大型结构位移监测方法。一般的结构位移摄像测量的方法是在观测前，先将标志物固定于待测结构特定的位置上，选择一视野开阔、至测量点的距离适中、方便架设摄像机的平地面，作为测量的工作区域，并用数字摄像机观测运动的标志物。在全天候摄像测量中，由于需要长期连续监测，架在地面上的摄像机在无人值守的情况下得不到相应的保护，会受到人为的破坏。因此，需要一种既具有非接触、远距离等优点，又能保护摄像机实现无人值守的长期连续监测的新型摄像测量方法。
同时，在进行结构位移摄像测量时，测量结果会受到环境等各类因素的影响而产生一定的测量误差，需要运用一种新型的精度补偿方法来减小因环境等各类因素引起的测量误差，使得测量结果更加精确。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种结构位移逆向摄像测量方法；该结构位移逆向摄像测量方法能够使得数字摄像机不会受到人为的破坏，从而实现无人值守的长期连续监测。同时，把自适应滤波运用到实测位移上来，减小因数字摄像机运动等因素引起的测量误差，使得测量结果更加精确。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种结构位移逆向摄像测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将数字摄像机架设在待测结构的测点上，在地面上选取固定不动的基准点安装标志物；
（2）数字摄像机随着待测点的位移而运动，通过运动的数字摄像机监测不动的标志物；
（3）计算所摄图像中标志物中心的像素平面坐标，根据标定系统归化出标志物的真实坐标，确定标志物相对于待测点的位移；
（4）利用镜像法，将标志物相对于待测点的位移换算成待测点相对于固定标志物的位移，即待测点位移。
（5）根据结构的变形特点，确定位移的主方向和次方向；
（6）以次方向的实测位移为参考信号，以主方向的实测位移为基本信号，设计自适应滤波器；
（7）将主方向实测位移经自适应滤波器处理后的结果作为测点的真实位移。
本发明所述的结构位移逆向摄像测量方法是将数字摄像机与标志物的位置互换，将数字摄像机架设在待测结构的测点上，在地面上选取固定不动的基准点安装标志物。数字摄像机随着待测点的位移而运动，通过运动的数字摄像机监测不动的标志物。计算所摄图像中标志物中心的像素平面坐标，根据标定系统归化出标志物的真实坐标，确定标志物相对于待测点的位移。利用镜像法，将标志物相对于待测点的位移换算成待测点相对于固定标志物的位移，即待测点位移。逆向摄像测量法中的数字摄像机是架在大型土木结构上，使得数字摄像机不会受到人为的破坏，从而实现无人值守的长期连续监测。
由于摄像测量的结果会受到环境等各类因素的影响，为了减小测量误差，使得测量结果更加精确，本发明提出了基于噪声相关性的精度补偿方法。因为大型结构往往在某一方向（次方向）的实测位移极小，如超高层建筑在风荷载作用下，位移主要发生在水平向（主方向），而竖向位移极小（次方向）；大跨度桥梁在风或车载荷载作用下，位移主要发生在横桥向的竖直铅垂面内，而纵桥向位移非常小。在结构位移摄像测量中，数字摄像机至少可测得平面内两个垂直方向的位移（使用两部数字摄像机可测得三维位移），由于其中一个方向（次方向）的动态位移非常小，其测量结果可近似视为噪声，它与主方向实测位移结果所包含的噪声相关，但与主方向实测位移结果所包含的真实位移不相关，满足自适应滤波器的应用条件。本发明就是将自适应滤波方法运用到结构位移摄像测量精度的优化上来。具体使用时，自适应滤波器以次方向的实测位移为参考信号、以主方向的实测位移为基本信号，跟踪它们的统计特性，并自动地调节参数以适应它们未知或随机变化的统计特性，从而实现最优滤波而得到更加精确的位移。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
一种结构位移逆向摄像测量方法，包括以下步骤：
（1）将数字摄像机架设在待测结构的测点上，在地面上选取固定不动的基准点安装标志物；
（2）数字摄像机随着待测点的位移而运动，通过运动的数字摄像机监测不动的标志物；
（3）计算所摄图像中标志物中心的像素平面坐标，根据标定系统归化出标志物的真实坐标，确定标志物相对于待测点的位移；
在结构位移逆向摄像测量前，数字摄像机安装于处于静止的待测结构上，在地面上的基准点安置标定板。用数字摄像机对准标定板进行摄像测量，处理所摄标定板图像并确定各标定点的像平面坐标，把图像上的像平面坐标和标定板上物平面坐标一一对应，形成系统标定，从而得到两坐标间的映射关系。在实际的逆向摄像中测量中，计算所摄图像中标志物中心的像素平面坐标，根据标定系统中已得到的映射关系映射出标志物的真实坐标，确定标志物相对于待测点的物平面位移。
（4）利用镜像法，将标志物相对于待测点的位移换算成待测点相对于固定标志物的位移，即待测点位移。
（5）根据结构的变形特点，确定位移的主方向和次方向；
所述主方向是结构在荷载作用下发生较大位移的方向，而次方向是结构在力的作用下发生较小位移的方向。主方向和次方向是根据结构变形特点所决定的，如大跨度桥梁在风或车载荷载作用下，位移主要发生在横桥向的竖直铅垂面内，而纵桥向位移非常小，那么竖直铅垂面方向为主方向，纵桥向为次方向；超高层建筑在风荷载作用下，位移主要发生在水平向，竖向位移极小，则水平向为主方向，竖向位移为次方向。
（6）以次方向的实测位移为参考信号，以主方向的实测位移为基本信号，设计自适应滤波器；
我们研究发现，次方向实测位移与主方向实测位移结果所包含的噪声相关，且与主方向实测位移结果所包含的真实位移不相关，满足了使用自适应滤波法的前提条件，因此将自适应滤波方法运用到结构位移摄像测量精度的优化上来。具体使用时，自适应滤波器以次方向的动态位移为参考信号、以主方向的动态位移为基本信号，跟踪它们的统计特性，并自动地调节参数以适应它们未知或随机变化的统计特性，从而实现最优滤波而得到更加精确的位移。具体如何设计自适应滤波器完全可以采用现有技术来实现，本发明中不再赘述。
（7）将主方向实测位移经自适应滤波器处理后的结果作为测点的真实位移。

Claims (1)

1.一种结构位移逆向摄像测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将数字摄像机架设在待测结构的测点上，在地面上选取固定不动的基准点安装标志物；
(2)数字摄像机随着待测点的位移而运动，通过运动的数字摄像机监测不动的标志物；
(3)计算所摄图像中标志物中心的像素平面坐标，根据标定系统归化出标志物的真实坐标，确定标志物相对于待测点的位移；具体方法为：用数字摄像机对准标定板进行摄像测量，处理所摄标定板图像并确定各标定点的像平面坐标，把图像上的像平面坐标和标定板上物平面坐标一一对应，形成系统标定，从而得到两坐标间的映射关系；在实际的逆向摄像中测量中，计算所摄图像中标志物中心的像素平面坐标，根据标定系统中已得到的映射关系映射出标志物的真实坐标，确定标志物相对于待测点的物平面位移；
(4)利用镜像法，将标志物相对于待测点的位移换算成待测点相对于固定标志物的位移，即待测点位移；
(5)根据结构的变形特点，确定位移的主方向和次方向；
(6)以次方向的实测位移为参考信号，以主方向的实测位移为基本信号，设计自适应滤波器；
(7)将主方向实测位移经自适应滤波器处理后的结果作为测点的真实位移。
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