CN103344396B - 基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统及方法，旨在克服特殊环境下接触式位移测量仪器无法安装的问题。测量系统包括全站仪、2台单镜头反光摄影机、工业控制计算机、4～5个置于桥墩上的控制点、6～8个置于立杆上的控制点和3个目标点。全站仪测距距离为5～50米，2台单镜头反光摄影机的拍摄距离为3～15米；3个目标点置于每一跨桥梁的支点和中间处，置于桥墩上的控制点布置在两个桥墩上，置于立杆上的控制点布置在3个目标点的下方与前方，置于桥墩上的控制点与置于立杆上的控制点中相邻两个控制点间的横坐标与纵坐标距离为3～10米，工业控制计算机和2台单镜头反光摄影机间为信号线连接。本发明还提供一种测量方法。

Description

基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种测量系统及测量方法，更确切地说，本发明涉及一种基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统及方法。

背景技术

桥梁挠度检测是在桥梁静载试验中针对其结构特点和承载能力对其运营状况进行评估的一项重要工作，公路管理养护部门通过实时掌握既有桥梁的健康状况能够有效地防止桥梁瞬间局部破坏、坍塌等重大事故现象。我国桥梁检测传统的检测方法通常需要利用百分表、位移计等仪器进行接触式测量工作，具有简便以及低成本等优点；但不可否认的是其人工操作量过大，对交通干扰严重，且当桥梁跨越江、河、山涧、铁路等障碍物时，由于不能布设固定支架，接触式位移测量仪器存在无法安装的困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术在特殊环境下接触式位移测量仪器无法安装的问题，提供了一种基于近景摄影测量技术的桥梁挠度测量系统，同时也提供了一种采用基于近景摄影测量技术的桥梁挠度测量系统的测量方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统包括全站仪、1号单镜头反光摄影机、2号单镜头反光摄影机、工业控制计算机、4～5个置于桥墩上的控制点、6～8个置于立杆上的控制点和3个目标点。

全站仪安装在距桥梁为5～50m处，1号单镜头反光摄影机与2号单镜头反光摄影机基线距为1000mm～3000mm，水平交向角为40°～90°，距桥梁的拍摄距离为3～15m，拍摄仰角为0°～10°；3个目标点置于每一跨桥梁的2个支点位置和每一跨桥梁的跨中位置所对应的桥侧面处，4～5个置于桥墩上的控制点分布在每一跨桥梁下面的两个桥墩上，6～8个置于立杆上的控制点分布在3个目标点的下方与前方，6～8个置于立杆上的控制点处于4～5个置于桥墩上的控制点之间，且不在同一竖直的平面上，置于桥墩上的控制点与置于立杆上的控制点中的两个相邻的控制点之间的横坐标与纵坐标距离皆为50mm～1000mm，1号单镜头反光摄影机与2号单镜头反光摄影机分别和工业控制计算机采用USB信号线连接。

技术方案中所述的全站仪采用型号为NTS-340的全站仪，1号单镜头反光摄影机与2号单镜头反光摄影机结构相同，1号单镜头反光摄影机与2号单镜头反光摄影机皆采用型号为Canon60d的单镜头反光摄影机,1号单镜头反光摄影机与2号单镜头反光摄影机皆采用USB接口，安装有基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统的工业控制计算机采用型号为ThinkPadT400的计算机，4～5个置于桥墩上的控制点、6～8个置于立杆上的控制点与3个目标点结构相同，皆采用黑白相间的回光反射标志，为平板式正方形结构件，边长为200mm。

一种采用基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统测量桥梁挠度的方法，其步骤如下：

1）测量人员选择控制点布设最佳位置：

控制点布设最佳位置选择为每一跨桥梁的2个支点位置所对应的桥侧面处、每一跨桥梁的跨中位置所对应的桥侧面处、桥墩与每一跨桥梁前方的地面上,所述的控制点即全部的置于桥墩上的控制点、置于立杆上的控制点与目标点，以下相同；

2）测量人员在控制点布设最佳位置布设控制点：

测量人将3个目标点置于每一跨桥梁的2个支点位置与每一跨桥梁的跨中位置所对应的桥侧面处，4～5个置于桥墩上的控制点分布在每一跨桥梁下面的两个桥墩上，6～8个置于立杆上的控制点分布在3个目标点的下方与前方，6～8个置于立杆上的控制点处于4～5个置于桥墩上的控制点之间，且不在同一竖直的平面上，置于桥墩上的控制点与置于立杆上的控制点中的两个相邻的控制点之间横、纵坐标距离皆为50mm～1000mm；

3）测量人员将全站仪置于距桥梁5～50m处，测量人员利用全站仪附带的免棱镜功能测量控制点在空间中的物点坐标（X₁,Y₁,Z₁），...,（X₁₃,Y₁₃,Z₁₃）,单位为m，测2～4侧回后将测量结果取平均值,并将平均值结果输入配置有基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统的工业控制计算机中；

4）测量人员采用1号单镜头反光摄影机与2号单镜头反光摄影机从3个目标点的两端以60°～70°的水平交向角分别在施加荷载前后共拍摄40～60幅收录全部目标点、置于桥墩上的控制点与置于立杆上的控制点的像片；

5）测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统反复提取像点坐标后取平均值，以像片左上角为坐标原点，以图像尺寸大小为横、纵坐标最大值，精确确定置于桥墩上的控制点、置于立杆上的控制点与目标点像点坐标，单位为pixel；

6）测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统利用直接线性变换解法求l系数近似值、内方位元素x₀初值、内方位元素y₀初值与f初值；

7）测量人员将求解出l系数近似值作为此时刻的迭代初值，通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统利用直接线性变换解法辅以迭代算法求l系数精确值与畸变系数k₁，k₁单位为1/pixel²；

8）测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统进行目标点像点坐标畸变改正；

9）测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统求解目标点在空间中的物点坐标似值；

10）测量人员将目标点在空间中的物点坐标近似值作为此时刻的迭代初值，通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统求解目标点在空间中的物点坐标精确值（X、Y、Z）；

11）测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统运用加载前后解算出的两次目标点在空间中的物点坐标精确值进行挠度计算：

f=Z₁-Z₂单位为mm（16）

12）测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统进行精度分析：

相对误差计算

$\mathrm{\δ}=\frac{f-f_1}{f_1}\×100\%$ 量纲为1（17）

中误差计算

${\mathrm{\Δ}}_i=L_i-\tilde{L}$

$m=\±\sqrt{\frac{\left[\mathrm{\Δ\Δ}\right]}{n}}$ 以mm为单位（18）

其中：f为实测值,f₁为理论值，单位为mm；L_i为实测值，L为理论值，单位为mm，n为观测次数，量纲为1，m为中误差，单位为mm。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统及方法可实时拍摄桥梁轮廓从而精确得到桥梁在外力作用下的瞬间变形，最大程度地获取桥梁健康状况和安全性能的信息。

2.本发明所述的基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统及方法的图像显示信息全面客观，适用于完成常规环境、特殊环境（如跨江跨河桥梁、跨铁路桥梁等）的挠度测量，克服当桥梁跨越江、河、山涧、铁路等障碍物时，由于不能布设固定支架，接触式位移测量仪器无法安装的难题。

3.本发明所述的基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统及方法在具有相同条件下可对多目标进行同时测量，与传统的大地测量、百分表测量相比可大量减少外业工作，只需少量操作人员短时间内即可完成，节约人力成本。

4.本发明所述的基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统及方法获取图像可长期留存，有利于今后的分析、比对与校核。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统结构组成的示意框图；

图2为采用本发明所述的基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统测量桥梁挠度的总流程框图；

图3为采用本发明所述的基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统测量桥梁挠度现场作业的流程框图；

图4为采用本发明所述的基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统测量桥梁挠度室内作业的流程框图；

图5为本发明实施例中1号控制点，2号控制点，...，10号控制点具体布置示意图；

图中：1.桥面，2.桥墩，3.桥台，4.边坡，5.全站仪，6.1号单镜头反光摄影机，7.2号单镜头反光摄影机，8.测量标准三脚架，9.2号单镜头反光摄影机专用机架，10.工业控制计算机，11.目标点，12.置于桥墩上的控制点，13.置于立杆上的控制点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明所述的基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统基于近景摄影测量理论，集成图像获取、图像处理、数据解析等技术以无接触方式高效精确地完成常规环境、特殊环境（如跨江跨河桥梁、跨铁路桥梁等）的桥梁挠度测量，实现了以往接触式测量方法无法实现的功能；同时填补了近景摄影测量技术在桥梁挠度检测领域的空白，为评估桥梁承载能力等工作提供宝贵的参考资料，从而间接避免桥梁垮塌等事故发生，对确保桥梁健康检测和人民生命财产安全具有重大的经济效益和社会效益。

本发明所述的基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统包括全站仪5、两台相同型号的1号单镜头反光摄影机6、2号单镜头反光摄影机7、测量标准三脚架8、1号单镜头反光摄影机专用机架、2号单镜头反光摄影机专用机架9、工业控制计算机10、4～5个置于桥墩上的控制点12、6～8个置于立杆上的控制点13、6～8个立杆和3个目标点11。

所述的全站仪5采用型号为NTS-340的全站仪，测角精度为2″,测距精度为2+2PPM；所述的1号单镜头反光摄影机6与2号单镜头反光摄影机7皆采用型号为Canon60d的单镜头反光摄影机,型号为Canon60d的单镜头反光摄影机的传感器CMOS尺寸为22.3×14.9mm，焦距为18～135mm，所摄图像尺寸5184×3456pixel,型号为Canon60d的单镜头反光摄影机采用USB接口，配以可变焦镜头；安装有基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统的工业控制计算机10的型号为ThinkPadT400;所述的置于桥墩上的控制点12、置于立杆上的控制点13和目标点11的结构相同，皆采用黑白相间的回光反射标志，为平板式正方形结构件，边长为200mm。

全站仪5测距距离5～50m；1号单镜头反光摄影机6与2号单镜头反光摄影机7基线距为1000～3000mm，水平交向角为40°～90°，拍摄距离3～15m，拍摄仰角为0°～10°；3个目标点11依次置于每一跨桥梁的2个支点位置和每一跨桥梁的跨中位置所对应的桥侧面处。4～5个置于桥墩上的控制点12分布在每一跨桥梁下面的两个桥墩上，6～8个置于立杆上的控制点13分布在3个目标点11的下方与前方，6～8个置于立杆上的控制点13处于4～5个置于桥墩上的控制点12之间，且不在同一竖直的平面上，置于桥墩上的控制点12与置于立杆上的控制点13中的两个相邻的控制点之间的横、纵坐标距离皆为50mm～1000mm，1号单镜头反光摄影机6与2号单镜头反光摄影机7分别和工业控制计算机10采用USB信号线连接。

一种采用本发明所述的基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统测量桥梁挠度的方法

在桥梁进行常规静载测试前，测量人员在桥梁附近和桥墩处选择控制点布设最佳位置，并将置于桥墩上的控制点12安装在桥墩上、将置于立杆上的控制点13安装在桥梁附近立杆上，置于立杆上的控制点13和置于桥墩上的控制点12均匀分布在目标点11的下方与目标点11的前方，且不在同一竖直的平面上。测量人员利用全站仪5精确测量全部置于桥墩上的控制点12与置于立杆上的控制点13的空间坐标，测量人员控制1号单镜头反光摄影机6与2号单镜头反光摄影机7从桥梁两端拍摄20～30张图像，图像必须包含所有的置于桥墩上的控制点12、置于立杆上的控制点13与目标点11。当载重车辆对桥梁施加荷载后，专业人员再次控制1号单镜头反光摄影机6与2号单镜头反光摄影机7从桥梁两端拍摄20～30张像片，图像必须同时包含所有置于桥墩上的控制点12、置于立杆上的控制点13与目标点11。工业控制计算机10中的基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统根据1号单镜头反光摄影机6或2号单镜头反光摄影机7采集的图像，首先提取所有置于桥墩上的控制点12、置于立杆上的控制点13与目标点11的像点坐标，然后利用基于共线条件方程式的直接线性变换解法根据控制点在空间中的物点坐标、控制点像点坐标、待测目标点像点坐标反求出待测目标点在空间中的物点坐标，二次所得的竖向坐标差值即为所需挠度值。步骤如下：

1.测量人员选择控制点布设最佳位置：

控制点布设最佳位置选择为每一跨桥梁的2个支点位置所对应的桥侧面处、每一跨桥梁的跨中位置所对应的桥侧面处、桥墩与每一跨桥梁前方的地面上。所述的控制点即全部的置于桥墩上的控制点12、置于立杆上的控制点13与目标点11，以下相同。

2.测量人员在控制点布设最佳位置布设控制点：

测量人将3个目标点11置于每一跨桥梁的2个支点位置与每一跨桥梁的跨中位置所对应的桥侧面处，4～5个置于桥墩上的控制点12分布在每一跨桥梁下面的两个桥墩上，6～8个置于立杆上的控制点13分布在3个目标点11的下方与前方，6～8个置于立杆上的控制点13处于4～5个置于桥墩上的控制点12之间，且不在同一竖直的平面上，置于桥墩上的控制点12与置于立杆上的控制点13中的两个相邻的控制点之间横、纵坐标距离皆为50mm～1000mm。

3.测量人员将全站仪5安装在测量标准三脚架8上，全站仪5安装在距桥梁5～50m处，测量人员利用全站仪5附带的免棱镜功能测量控制点在空间中的物点坐标（X₁,Y₁,Z₁）,...,（X₁₃,Y₁₃,Z₁₃）,单位为m，测2～4侧回后将测量结果取平均值,并将平均值结果输入配置有基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统的工业控制计算机10中。

4.将1号单镜头反光摄影机6与2号单镜头反光摄影机7安装在1号单镜头反光摄影机专用机架与2号单镜头反光摄影机专用机架9上，测量人员从3个目标点11的两端以60°～70°的水平交向角分别在施加荷载前后共拍摄40～60幅像片,像片中收录全部目标点11、置于桥墩上的控制点12与置于立杆上的控制点13。

5.测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统反复提取像点坐标后取平均值，以像片左上角为坐标原点，以图像尺寸大小为横、纵坐标最大值，精确确定置于桥墩上的控制点12、置于立杆上的控制点13与目标点11像点坐标，以像素(pixel)为单位。

6.测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统利用直接线性变换解法(DirectLinearTransformation)求l系数近似值、内方位元素x₀初值、内方位元素y₀初值与f初值：

为求解其中11个l系数，需事先选择至少6个稳定控制点（已知它们的空间坐标(X₁,Y₁,Z₁),...,(X₆,Y₆,Z₆)和像点坐标(x₁,y₁),...(x₆,y₆)），列出至少12个方程用最小二乘法求解出各l系数的近似值

$\left[\begin{array}{ccccccccccc}{X}_1& Y_1& Z_1& 1& 0& 0& 0& 0& x_1{X}_1& x_1{Y}_1& x_1{Z}_1\\ 0& 0& 0& 0& X_1& Y_1& Z_1& 1& y_1{X}_1& y_1{Y}_1& y_1{Z}_1\\ X_2& Y_2& Z_2& 1& 0& 0& 0& 0& x_2{X}_2& y_2{Y}_2& x_2{Z}_2\\ 0& 0& 0& 0& X_2& Y_2& Z_2& 1& y_2{X}_2& y_2{Y}_2& y_2{Z}_2\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ X_6& Y_6& Z_6& 1& 0& 0& 0& 0& x_6{X}_6& x_6{X}_6& x_6{X}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{l}_1\\ l_2\\ l_3\\ l_4\\ l_5\\ l_6\\ l_7\\ l_8\\ l_9\\ l_{10}\\ l_{11}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ x_2\\ y_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_6\end{array}\right]---\left(1\right)$

x₀和y₀的求解

$x_0=-(l_1{l}_9+l_2{l}_{10}+l_3{l}_{11})/(l_9^2+l_{10}^2+l_{11}^2)$

（2）

$y_0=-(l_5{l}_9+l_6{l}_{10}+l_7{l}_{11})/(l_9^2+l_{10}^2+l_{11}^2)$

f_x与f_y的求解

${\mathrm{\γ}}_3^2(l_1^2+l_2^2+l_3^2)-x_0^2=\frac{f_x^2}{{\cos }^2\mathrm{d\β}}=A---\left(3\right)$

${\mathrm{\γ}}_3^2(l_5^2+l_6^2+l_7^2)-y_0^2=\frac{f_x^2}{(1+\mathrm{ds}){\cos }^2\mathrm{d\β}}=B---\left(4\right)$

${\mathrm{\γ}}_3^2(l_1{l}_5+l_2{l}_6+l_3{l}_7)-x_0{y}_0=\frac{f_x^2\sin \mathrm{d\β}}{(1+\mathrm{ds}){\cos }^2\mathrm{d\β}}=C---\left(5\right)$

$f_x=\sqrt{A}*\cos \mathrm{d\β}=\sqrt{A}\sqrt{1-\frac{C^2}{\mathrm{AB}}}=\sqrt{\frac{\mathrm{AB}-C^2}{B}}---\left(6\right)$

其中：x_o、y_o、f_x、f_y单位均为pixel；11个l系数均为中间参数，无实际物理意义，l₁、l₂、l₃、l₅、l₆、l₇单位均为pixel/m；l₄、l₈单位均为pixel；l₉、l₁₀、l₁₁单位均为1/m。

7.测量人员将求解出l系数近似值作为此时刻的迭代初值，通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统利用直接线性变换解法(DirectLinearTransformation)辅以迭代算法求l系数精确值与畸变系数k₁(以1/pixel²为单位)：

A=l₉X+l₁₀Y+l₁₁Z+1(量纲为1)（7）

像点坐标观测值的误差方程式为：

${\mathrm{\υ}}_x=-\frac{1}{A}[l_{1}X+l_{2}Y+l_{3}Z+l_4+x{\mathrm{Xl}}_9+x{\mathrm{Yl}}_{10}+x{\mathrm{Zl}}_{11}+A(x-x_0)r^2{k}_1+x]$

（8）

${\mathrm{\υ}}_y=-\frac{1}{A}[l_{5}X+l_{6}Y+l_{7}Z+l_8+x{\mathrm{Xl}}_9+x{\mathrm{Yl}}_{10}+x{\mathrm{Zl}}_{11}+A(x-x_0)r^2{k}_1+y]$

其中：式中v_x、v_y为控制点的像点坐标观测值误差，其单位为pixel；

此误差方程式与相应法方程式的矩阵取作：

V=ML+W（9）

M^TML+M^TW=0

其中：

$V=\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\end{array}\right]$

$M=-\frac{1}{A}\left[\begin{array}{c}\mathrm{XYZ}10000\mathrm{xXxYxZA}(x-x_0)r^2\\ 0000\mathrm{XYZ}1\mathrm{xXxYxZA}(y-y_0)r^2\end{array}\right]$

L=[l₁l₂l₃l₄l₅l₆l₇l₈l₉l₁₀l₁₁k₁]

$W=-\frac{1}{A}\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]$

观察求解得出l系数是否收敛：如若收敛，则输出l系数精确值、畸变系数k₁及其他计算结果；如不收敛，返回继续迭代。

8.测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统进行目标点像点坐标畸变改正

Δx=k₁(x-x₀)r²,Δy=k₁(y-y₀)r²（10）

其中：像点向径式中Δx、Δy为像点坐标畸变改正值，其单位为pixel；

畸变改正后的目标点像点坐标：

x+Δx=x+k₁(x-x₀)r²（11）

y+Δy=y+k₁(y-y₀)r²

9.测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统求解目标点在空间中的物点坐标近似值

在解出各l系数的近似值后，依上式可列出目标点在空间中的物点坐标(X,Y,Z)近似值的解算关系式：

(l₁+xl₉)X+(l₂+xl₁₀)Y+(l₃+xl₁₁)Z+(l₄+x)=0（12）

(l₅+yl₉)X+(l₆+yl₁₀)Y+(l₇+yl₁₁)Z+(l₈+y)=0

以适宜的交向角从不同角度各拍摄多组像片，从中解出每张像片相应的l系数值，以最小二乘解法最终求解目标点在空间中的物点坐标(X,Y,Z)的近似值：

$\left[\begin{array}{ccc}{l}_1+{\mathrm{xl}}_9& l_2+{\mathrm{xl}}_{10}& l_3+{\mathrm{xl}}_{11}\\ l_5+{\mathrm{yl}}_9& l_6+{\mathrm{yl}}_{10}& l_7+{\mathrm{yl}}_{11}\\ l_1^{\′}+x^{\′}{l}_9^{\′}& l_2^{\′}+x^{\′}{l}_{10}^{\′}& l_3^{\′}+x^{\′}{l}_{11}^{\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{l}_4+x\\ l_8+y\\ l_4^{\′}+x^{\′}\end{array}\right]=0---\left(13\right)$

10.测量人员将目标点在空间中的物点坐标近似值作为此时刻的迭代初值，通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统求解目标点在空间中的物点坐标精确值（X、Y、Z）

$v_x^{\′}=-\frac{1}{A}\{(l_1+l_{9}x)X+(l_2+l_{10}x)Y+(l_3+l_{11}x)Z+(l_4+x)\}---\left(14\right)$

$v_y^{\′}=-\frac{1}{A}\{(l_5+l_{9}x)X+(l_6+l_{10}x)Y+(l_7+l_{11}x)Z+(l_8+x)\}$

其中：v_x'、v_y'为目标点的像点坐标观测值误差，其单位为pixel；A=l₉X+l₁₀Y+l₁₁Z+1，A为中间参数，无实际物理意义，量纲为1；

误差方程式与法方程式形式为：

V=NS+Q(15)

N^TNS+N^TQ=0

在摄有3张像片时，上式中各符号的意义为：

$V={\left[\begin{array}{cccccc}{v}_x& x_y& v_x^{\′}& v_y^{\′}& v_x^{\′\′}& v_y^{\′\′}\end{array}\right]}^T$

$N=\left[\begin{array}{ccc}-\frac{1}{A}(l_1+l_{9}x)& -\frac{1}{A}(l_2+l_{10}x)& -\frac{1}{A}(l_3+l_{11}x)\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ -\frac{1}{A^{\′\′}}(l_5^{\′\′}+l_9^{\′\′}{y}^{\′\′})& -\frac{1}{A^{\′\′}}(l_6^{\′\′}+l_{10}^{\′\′}{y}^{\′\′})& -\frac{1}{A^{\′\′}}(l_7^{\′\′}+l_{11}^{\′\′}{y}^{\′\′})\end{array}\right]$

S=[XYZ]^T

$Q={\left[\begin{array}{ccc}-\frac{1}{A}(l_4+x)& \·\·\·& -\frac{1}{A^{\′\′}}(l_8^{\′\′}+y^{\′\′})\end{array}\right]}^T$

其中：V、Q矩阵内元素均以pixel为单位，N矩阵内元素均以pixel/m为单位，S矩阵内元素均以m为单位。观察求解得出目标点空间中的物点坐标精确值是否收敛：如若收敛，则输出目标点在空间中的物点坐标精确值X、Y、Z及其他计算结果；如不收敛，返回继续迭代。

11.测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统运用加载前后解算出的两次目标点在空间中的物点坐标精确值进行挠度计算

f=Z₁-Z₂单位为mm(16)

12.测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统进行精度分析

相对误差计算

$\mathrm{\δ}=\frac{f-f_1}{f_1}\×100\%$ 量纲为1(17)

中误差计算

$m=\±\sqrt{\frac{\left[\mathrm{\Δ\Δ}\right]}{n}}$ 以mm为单位(18)

实施例

测量时采用前面本发明所述的基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统。本次测量对象为刚度较小、易弯曲变形的木质材料模拟混凝土梁，以圆柱形钢筒模拟桥墩，并在测量过程中对木板施加荷载使其达到一定变形，使其整体挠度曲线与常规混凝土梁变形后挠度曲线几乎相同；结合摄影机位置将目标点11、置于桥墩上的控制点12与置于立杆上的控制点13安装在较高位置，使1号单镜头反光摄影机6与2号单镜头反光摄影机7进行仰拍成像，与实际桥梁桥位相近；模拟实际情况将3个目标点11固定在梁跨中间位置与临近支点位置；用传统的百分表法进行相同位置的测量，将实际的挠度值与近景摄影测量得到的挠度值加以比对，验证其可行性与精确度。

1.测量人员选择控制点布设最佳位置

控制点布设最佳位置选择为每一跨桥梁的2个支点位置所对应的桥侧面处、每一跨桥梁的跨中位置所对应的桥侧面处、桥墩与每一跨桥梁前方的地面上。

2.测量人员在控制点布设最佳位置布设控制点：

测量人员将3个目标点11固定在梁跨中间位置与临近支点位置；将4个结构相同的置于桥墩上的控制点12均匀地粘贴在模拟梁下面的模拟桥墩上，6个置于立杆上的控制点13均匀地粘贴在3个目标点11的下方与前方的模拟立杆上，6个置于立杆上的控制点13处于4个置于桥墩上的控制点12之间，且不在同一竖直的平面上，置于桥墩上的控制点12与置于立杆上的控制点13中的两个相邻的控制点之间横、纵坐标距离皆为50mm～1000mm，即4个置于桥墩上的控制点12与6个置于立杆上的控制点13分别标注为1号控制点，2号控制点，...，10号控制点。其中，控制点布置如图5所示：1号控制点、2号控制点粘贴于左侧模拟桥墩上，横坐标距离为50mm,纵坐标距离为50mm;3号控制点、4号控制点粘贴于右侧模拟桥墩上，横坐标距离为50mm,纵坐标距离为50mm;5号控制点、6号控制点，...,10号控制点粘贴于模拟立杆上，6号控制点与7号控制点间横坐标为60mm,纵坐标为80mm;5号控制点与10号控制点间横坐标为80mm,纵坐标为100mm;8号控制点与9号控制点间横坐标为50mm,纵坐标为150mm。

3.全站仪5测距距离15m，测量人员利用全站仪5附带的免棱镜功能测量控制点在空间中的物点坐标，测2～4侧回后将测量结果取平均值,并将平均值结果输入配置有基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统的工业控制计算机10中，测量结果见表一。

第2步骤已说：本实施例中共有4个置于桥墩上的控制点12与6个置于立杆上的控制点13分别标注为1号控制点，2号控制点，...，10号控制点；利用全站仪5附带的免棱镜功能测量控制点在空间中的物点坐标分别为（X₁,Y₁,Z₁）,...,（X₄,Y₄,Z₄）,...,（X₁₀,Y₁₀,Z₁₀）。由于数据量庞大，故选取部分控制点在空间中的物点坐标为例列于表一，其余数据形式与其类似。

4.测量人员采用的1号单镜头反光摄影机6与2号单镜头反光摄影机7基线距为2200mm，水平交向角为70°，拍摄距离8m，拍摄仰角为5°，从3个目标点11的两端分别在加载前后各自拍摄40幅收录全部目标点11、置于桥墩上的控制点12与置于立杆上的控制点13像片。通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统反复提取像点坐标后取平均值，以像片左上角为坐标原点，以图像尺寸大小为横、纵坐标最大值，确定精确置于桥墩上的控制点12、置于立杆上的控制点13与目标点11像点坐标，以像素(pixel)为单位。测量结果见表一。

表一部分控制点物方空间坐标、像点坐标

本实施例从3个目标点11的两端拍摄40幅收录全部目标点11、置于桥墩上的控制点12与置于立杆上的控制点13像片；并能针对每幅像片分别提取点号为1，2，...，10的控制点的像点坐标分别为x₁，y₁，...，x₁₁，y₁₁，...，x₂₁，y₂₁，...，x₄₀，y₄₀，由于数据量庞大，故选取部分控制点的像点坐标为例列于表一，其余数据形式与其类似。

5.测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统利用直接线性变换解法建立DirectLinearTransformation（DLT）理论模型，辅以迭代算法求解l精确值、内方位元素x₀、y₀与f初值，结果见表二、表三。

表二部分像片求解出的l近似值

	l1	l2	l3	l4	l5	l6	l7	l8	l9	l10	l11
												第1幅像片	341.0182	-2853.15	63.96033	-4553.3	-521.944	-338.284	2493.859	-1259.39	0.422342	0.311997	-0.00907
第11幅像片	823.4652	-3053.92	6.270005	-5848.87	-501.403	-440.334	2694.015	-1345.96	0.395228	0.391334	0.013344
												第21幅像片	-1521.05	-4163.15	222.2898	1496.343	-1153.3	-56.186	3913.013	-1457.54	0.850779	0.125347	-0.03405
第31幅像片	-1420.92	-2860.8	189.0261	967.5878	-803.393	33.833	2816.61	-1328.93	0.624285	0.032301	-0.0381

表三部分像片求解出的内方位元素x₀、y₀与f初值

	xo	yo	f
				第1幅像片	2707.528	1263.935	4756.262
第11幅像片	2809.336	1080.809	4942.651
				第21幅像片	2461.858	1514.068	4530.787
第31幅像片	2515.55	1549.506	4447

本实施例针对每幅像片通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统利用直接线性变换解法可求解出相应的l近似值、内方位元素x₀、y₀与f初值。由于数据量庞大，故选取求解出的部分像片的l近似值、内方位元素x₀、y₀与f初值为例列于表二、表三，其余数据形式与其类似。

6.测量人员将求解出l系数近似值作为此时刻的迭代初值，通过通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统利用直接线性变换解法(DirectLinearTransformation)辅以迭代算法求l系数精确值与畸变系数k₁(以1/pixel²为单位)，结果见表四。

表四部分像片求解出的l系数精确值与畸变系数k₁

	l1	l2	l3	l4	l5	l6	l7	l8	l9	l10	l11	k1
													第1幅像片	327.6846	-3289.32	107.8861	-4819.85	-663.512	-428	2867.195	-1116.46	0.50338	0.37285	-0.0225	1.03E-08
第11幅像片	871.9338	-3687.05	51.66846	-6383.44	-687	-580.194	3223.141	-1186.35	0.500759	0.48979	0.004183	9.54E-09
													第21幅像片	-1782.65	-5041.82	218.4869	1994.062	-1460.16	-164.472	4683.116	-1238.09	1.028398	0.199421	-0.0423	1.04E-08
第31幅像片	-1525.05	-3166	186.7253	1159.577	-908.237	-7.45438	3087.932	-1226.51	0.684397	0.059733	-0.04497	1.04E-08

本实施例针对每幅像片通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统利用直接线性变换解法辅以迭代算法求l系数精确值与畸变系数k₁。由于数据量庞大，故选取求解出的部分像片的l系数精确值与畸变系数k₁为例列于表四，其余数据形式与其类似。

7.测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统进行目标点像点坐标畸变改正，部分像点畸变改正值见表五；

表五目标点像点坐标畸变改正（以第一幅像片为例）

本实施例针对每幅像片通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统分别对三个目标点进行目标点像点坐标畸变改正。由于数据量庞大，故选取第一幅像片的目标点像点坐标畸变改正结果为例列于表五，其余数据形式与其类似。

8.测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统求解目标点在空间中的物点坐标近似值，结果见表六。

表六目标点在空间中的物点坐标近似值

9.测量人员将目标点在空间中的物点坐标近似值作为此时刻的迭代初值，通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统求解目标点在空间中的物点坐标精确值（X、Y、Z），结果见表七。

表七目标点在空间中的物点坐标精确值

10.测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统进行挠度计算和精度分析，结果见表三，得到中误差m_z=0.14mm。其解算精度达到0.1mm,符合桥梁挠度检测的实际工程需求。

表八模拟试验结果

结论：本发明通过近景摄影测量手段集成图像获取、图像处理、数据解析等技术以无接触测量方式高效精确地完成桥梁挠度变形检测工作，为桥梁的快速检测和承载能力评估提供可靠的理论和技术支持；并进行模拟试验，试验结果其观测精度满足桥梁挠度变形的精度要求。

Claims (3)

1.一种基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统，其特征在于，所述的基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统包括全站仪(5)、1号单镜头反光摄影机(6)、2号单镜头反光摄影机(7)、工业控制计算机(10)、4～5个置于桥墩上的控制点(12)、6～8个置于立杆上的控制点(13)和3个目标点(11)；

全站仪(5)安装在距桥梁为5～50m处，1号单镜头反光摄影机(6)与2号单镜头反光摄影机(7)基线距为1000mm～3000mm，水平交向角为40°～90°，距桥梁的拍摄距离为3～15m，拍摄仰角为0°～10°；3个目标点(11)置于每一跨桥梁的2个支点位置和每一跨桥梁的跨中位置所对应的桥侧面处，4～5个置于桥墩上的控制点(12)分布在每一跨桥梁下面的两个桥墩上，6～8个置于立杆上的控制点(13)分布在3个目标点(11)的下方与前方，6～8个置于立杆上的控制点(13)处于4～5个置于桥墩上的控制点(12)之间，且不在同一竖直的平面上，置于桥墩上的控制点(12)与置于立杆上的控制点(13)中的两个相邻的控制点之间的横坐标与纵坐标距离皆为50mm～1000mm，1号单镜头反光摄影机(6)与2号单镜头反光摄影机(7)分别和工业控制计算机(10)采用USB信号线连接。

2.按照权利要求1所述的基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统，其特征在于，所述的全站仪(5)采用型号为NTS-340的全站仪，1号单镜头反光摄影机(6)与2号单镜头反光摄影机(7)结构相同，1号单镜头反光摄影机(6)与2号单镜头反光摄影机(7)皆采用型号为Canon60d的单镜头反光摄影机,1号单镜头反光摄影机(6)与2号单镜头反光摄影机(7)皆采用USB接口，安装有基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统的工业控制计算机(10)采用型号为ThinkPadT400的计算机，4～5个置于桥墩上的控制点(12)、6～8个置于立杆上的控制点(13)与3个目标点(11)结构相同，皆采用黑白相间的回光反射标志，为平板式正方形结构件，边长为200mm。

3.一种采用基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统测量桥梁挠度的方法，其特征在于，所述的采用基于近景摄影测量的桥梁挠度测量系统测量桥梁挠度方法的步骤如下：

1)测量人员选择控制点布设最佳位置：

控制点布设最佳位置选择为每一跨桥梁的2个支点位置所对应的桥侧面处、每一跨桥梁的跨中位置所对应的桥侧面处、桥墩与每一跨桥梁前方的地面上,所述的控制点即全部的置于桥墩上的控制点(12)、置于立杆上的控制点(13)与目标点(11)，以下相同；

2)测量人员在控制点布设最佳位置布设控制点：

测量人将3个目标点(11)置于每一跨桥梁的2个支点位置与每一跨桥梁的跨中位置所对应的桥侧面处，4～5个置于桥墩上的控制点(12)分布在每一跨桥梁下面的两个桥墩上，6～8个置于立杆上的控制点(13)分布在3个目标点(11)的下方与前方，6～8个置于立杆上的控制点(13)处于4～5个置于桥墩上的控制点(12)之间，且不在同一竖直的平面上，置于桥墩上的控制点(12)与置于立杆上的控制点(13)中的两个相邻的控制点之间横、纵坐标距离皆为50mm～1000mm；

3)测量人员将全站仪(5)置于距桥梁5～50m处，测量人员利用全站仪(5)附带的免棱镜功能测量控制点在空间中的物点坐标(X₁,Y₁,Z₁)，...,(X₁₃,Y₁₃,Z₁₃)，单位为m，测2～4侧回后将测量结果取平均值,并将平均值结果输入配置有基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统的工业控制计算机(10)中；

4)测量人员采用1号单镜头反光摄影机(6)与2号单镜头反光摄影机(7)分别在施加荷载前后从3个目标点(11)的两端以60°～70°的水平交向角拍摄40～60幅收录全部目标点(11)、置于桥墩上的控制点(12)与置于立杆上的控制点(13)的像片；

5)测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统反复提取像点坐标后取平均值，以像片左上角为坐标原点，以图像尺寸大小为横、纵坐标最大值，精确确定置于桥墩上的控制点(12)、置于立杆上的控制点(13)与目标点(11)像点坐标，单位为pixel；

6)测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统利用直接线性变换解法求l系数近似值、内方位元素x₀初值、内方位元素y₀初值与f初值；

7)测量人员将求解出l系数近似值作为此时刻的迭代初值，通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统利用直接线性变换解法辅以迭代算法求l系数精确值与畸变系数k₁，k₁单位为1/pixel²；

8)测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统进行目标点像点坐标畸变改正；

9)测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统求解目标点在空间中的物点坐标似值；

10)测量人员将目标点在空间中的物点坐标近似值作为此时刻的迭代初值，通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统求解目标点在空间中的物点坐标精确值(X、Y、Z)；

11)测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统运用加载前后解算出的两次目标点在空间中的物点坐标精确值进行挠度计算：

f＝Z₁-Z₂单位为mm(16)

12)测量人员通过基于matlab平台开发的摄影测量桥梁挠度软件系统进行精度分析：

相对误差计算

$\mathrm{\δ}=\frac{f-f_1}{f_1}\×100\%$ 量纲为1(17)

中误差计算

${\mathrm{\Δ}}_i=L_i-\tilde{L}$

$m=\±\sqrt{\frac{\left[\mathrm{\Δ\Δ}\right]}{n}}$ 以mm为单位(18)

其中：f为实测值,f₁为理论值，单位为mm；L_i为实测值，L为理论值，单位为mm，n为观测次数，量纲为1，m为中误差，单位为mm。