CN106123797A - 基于图像处理的桥面挠度测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于图像处理的桥面挠度测量系统和方法，所述系统包括：激光发射器、激光接收器、微距调整平台、计算机；所述激光接收器设置在待测桥跨的桥面指定位置处；所述激光发射器设置在所述微距调整平台上，所述微距调整平台设置在待测桥跨外的路桥过渡段或者桥梁伸缩缝外的除所述待测桥跨的其他桥跨的墩顶位置；所述计算机分别和所述激光接收器和所述微距调整平台电信号连接；所述计算机用于，接收所述图像激光接收器采集的来自所述激光发射器的第一光斑信号，根据所述第一光斑信号对所述微距调整平台进行控制，以调整激光发射器的位置，使所述激光发射器的第一光斑信号的图像打在所述激光接收器的参考点上。

Description

基于图像处理的桥面挠度测量系统和方法

技术领域

本发明涉及桥梁的检测领域，尤其涉及一种基于图像处理的桥面挠度测量系统和方法。

背景技术

挠度是判断桥梁承载力的重要因素之一，可以通过测量位移的方法来获得桥梁的动挠度和静挠度信息,目前测量桥梁挠度最好的方法为光学测量法。

我国现有的技术是通过激光发射器和激光接收处理装置检测桥梁的挠度信息，该技术的实施方法为：

将激光发射装置固定于待测桥梁的桥面上，由投影面板及摄像设备组成的接收装置放置于桥墩或一固定位置处，激光发射器对准接收处理装置的投影面板。当待测桥梁承重时，会发生变形，此时激光接收装置的位置将会随着桥体移动，因此投影面板上的激光光斑也将同时发生位移，摄像设备通过摄取光斑信号并将信号输入计算机进行处理从而得到桥梁挠度的信息。该测量方案优点在于激光器保护简单，且若激光发射器受损，损失成本相比激光检测装置成本较低。

但是此种测量方法中，由于激光发射器和接收装置距离较远，所以通过这种方法测量挠度时，由于受梁体转动的影响大，导致测得偏移位移产生较大误差；且梁体变形时产生的倾斜或偏转角度对于激光接收器来说难以检测，此时接收装置收到的为激光位移改变的信息，给测量结果带来较大误差；另一方面该测量方法中没有对所获取的激光位置信息进行图像处理的明确算法，不能获得较为精确的光斑坐标，会导致挠度计算误差；除此之外该测量装置中激光发射器上无调整装置，开始测量时，对激光器的校准只能人工校准，调整困难，存在较大误差。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于图像处理的桥面挠度测量系统和方法，调校精准比较方便。

一种基于图像处理的桥面挠度测量系统，包括：

激光发射器、激光接收器、微距调整平台、计算机；

所述激光接收器设置在待测桥跨的桥面指定位置处；

所述激光发射器设置在所述微距调整平台上，所述微距调整平台设置在待测桥跨外的路桥过渡段或者桥梁伸缩缝外的除所述待测桥跨的其他桥跨的墩顶位置；

所述计算机分别和所述激光接收器和所述微距调整平台电信号连接；

所述计算机用于，接收所述图像激光接收器采集的来自所述激光发射器的第一光斑信号，根据所述第一光斑信号对所述将微距调整平台进行控制，以调整所述激光发射器的位置，使所述激光发射器的第一光斑信号的图像打在所述激光接收器的参考点上。

所述计算机还用于，接收所述图像激光接收器采集的来自所述激光发射器的第二光斑信号，根据所述第二光斑信号确定第二激光光斑的图像所在的位置；根据所述第二激光光斑的图像所在的位置，计算所述第二光斑信号的图像偏移参考点的角度和位移，从而得出桥面的挠度信息。

所述激光接收器还用于，当车辆在桥上静置预定时长时，在所述预定时长内采集来自所述激光发射器的预定数量的第三光斑信号，并发送给所述计算机；

所述计算机还用于，根据所述第三光斑信号，获取每一幅所述第三光斑信号的图像的光斑位移，得到预定数量的图像点；根据所述预定数量的图像点，求得静挠度值。

所述根据所述预定数量的图像点，求得静挠度值的步骤包括：

采用对所述预定数量的图像点求平均的均值算法，求得静挠度值；或者

采用将所述预定数量的图像点按大小顺序依次排列，取中间位置处的点作为静挠度值的中值法，来求得静挠度值。

所述激光接收器还用于，采集第四光斑信号，并发送给所述计算机；

所述计算机还用于，对所述第四光斑信号进行二值处理；依次对二值处理后的所述第四光斑信号进行处理，计算得到所述第四光斑信号的图像的中心位置；根据所述中心位置计算动挠度参量。

所述计算得到所述第四光斑信号的图像的中心位置根据以下公式计算：

$X=\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{x}_i\right)/N;$

$Y=\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{y}_i\right)/N;$

其中，(X,Y)为所述第四光斑信号的图像的中心位置；N为所述第四光斑信号的图像的所有像素总点数，(x_i，y_i)为所述第四光斑信号的图像的所有像素点的坐标；

所述根据所述中心位置计算动挠度参量根据以下公式计算：

d＝Y-y₀；

其中：d为动挠度参量，Y为所述第四光斑信号的图像的中心点的垂直方向的坐标，y₀为参考点的垂直方向的坐标。

一种基于图像处理的桥面挠度测量方法，包括：

步骤1，将激光接收器设置在待测桥跨的桥面指定位置处；将激光发射器设置在微距调整平台上，将所述微距调整平台设置在待测桥跨外的路桥过渡段或者桥梁伸缩缝外的除所述待测桥跨的其他桥跨的墩顶位置；

步骤2，将所述计算机分别和所述激光接收器和所述微距调整平台电信号连接；

步骤3，接收所述图像激光接收器采集的来自所述激光发射器的第一光斑信号，根据所述第一光斑信号对所述将微距调整平台进行控制，以调整所述激光发射器的位置，使所述激光发射器的第一光斑信号的图像打在所述激光接收器的参考点上。

所述的方法，还包括：

步骤4，接收所述图像激光发射器采集的来自所述激光发射器的第二光斑信号，根据所述第二光斑信号确定第二激光光斑的图像所在的位置；根据所述第二激光光斑的图像所在的位置，计算所述第二激光光斑的图像偏移参考点的角度和位移，从而得出桥面的挠度信息。

所述步骤4包括：

将车辆在桥上静置预定时长时，在所述预定时长内采集来自所述激光发射器的预定数量的第三光斑信号；

根据所述第三光斑信号，获取每一幅所述第三光斑信号的图像的光斑位移，得到预定数量的图像点；根据所述预定数量的图像点，求得静挠度值。

所述步骤4包括：

采集第四光斑信号；

对所述第四光斑信号进行二值处理；依次对二值处理后的所述第四光斑信号进行处理，得到所述第四光斑信号的图像的中心位置；根据所述中心位置计算动挠度参量。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例中，由于电控调节位于桥墩或固定位置处，通过计算机进行调制，调校精准比较方便。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于图像处理的桥面挠度测量系统的连接示意图；

图2为本发明实施例提供的基于图像处理的桥面挠度测量方法的流程示意图。

图3为本发明实施例中基于图像处理的桥面挠度测量系统的安装示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为本发明所述的一种基于图像处理的桥面挠度测量系统，所述系统包括：

激光发射器11、激光接收器12、微距调整平台13、计算机14；

所述激光接收器设置在待测桥跨的桥面指定位置处；

所述激光发射器设置在所述微距调整平台上，所述微距调整平台设置在待测桥跨外的路桥过渡段或者桥梁伸缩缝外的除所述待测桥跨的其他桥跨的墩顶位置；

所述计算机分别和所述激光接收器和所述微距调整平台电信号连接；

所述计算机用于，接收所述图像激光接收器采集的来自所述激光发射器的第一光斑信号，根据所述第一光斑信号对所述将微距调整平台进行控制，以调整所述激光发射器的位置，使所述激光发射器的第一光斑信号的图像打在所述激光接收器的参考点上。

所述计算机还用于，接收所述图像激光接收器采集的来自所述激光发射器的第二光斑信号，根据所述第二光斑信号确定第二激光光斑的图像所在的位置；根据所述第二激光光斑的图像所在的位置，计算所述第二光斑信号的图像偏移参考点的角度和位移，从而得出桥面的挠度信息。

所述激光接收器还用于，当车辆在桥上静置预定时长时，在所述预定时长内采集来自所述激光发射器的预定数量的第三光斑信号，并发送给所述计算机；

所述计算机还用于，根据所述第三光斑信号，获取每一幅所述第三光斑信号的图像的光斑位移，得到预定数量的图像点；根据所述预定数量的图像点，求得静挠度值。

所述根据所述预定数量的图像点，求得静挠度值的步骤包括：

采用对所述预定数量的图像点求平均的均值算法，求得静挠度值；或者

采用将所述预定数量的图像点按大小顺序依次排列，取中间位置处的点作为静挠度值的中值法，来求得静挠度值。

所述激光接收器还用于，采集第四光斑信号，并发送给所述计算机；

所述计算机还用于，对所述第四光斑信号进行二值处理；依次对二值处理后的所述第四光斑信号进行处理，得到所述第四光斑信号的图像的中心位置；根据所述中心位置计算动挠度参量。

所述根据所述中心位置计算动挠度参量的步骤具体为：

$X=\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{x}_i\right)/N;$

$Y=\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{y}_i\right)/N;$

其中，(X,Y)为所述第四光斑信号的图像的中心位置；N为所述第四光斑信号的图像的所有像素总点数，(x_i，y_i)为所述第四光斑信号的图像的所有像素点的坐标。

所述根据所述中心位置计算动挠度参量根据以下公式计算：

d＝Y-y₀；

其中：d为动挠度参量，Y为所述第四光斑信号的图像的中心点的垂直方向的坐标，y₀为参考点的垂直方向的坐标。

如图2所示，为本发明所述的一种基于图像处理的桥面挠度测量方法，包括：

步骤210，将激光接收器设置在待测桥跨的桥面指定位置处；将激光发射器设置在微距调整平台上，将所述微距调整平台设置在待测桥跨外的路桥过渡段或者桥梁伸缩缝外的除所述待测桥跨的其他桥跨的墩顶位置；

步骤220，将所述计算机分别和所述激光接收器和所述微距调整平台电信号连接；

步骤230，接收所述图像激光接收器采集的来自所述激光发射器的第一光斑信号，根据所述第一光斑信号对所述将微距调整平台进行控制，以调整所述激光发射器的位置，使所述激光发射器的第一光斑信号的图像打在所述激光接收器的参考点上。

所述的方法，还包括：

步骤240，接收所述图像激光发射器采集的来自所述激光发射器的第二光斑信号，根据所述第二光斑信号确定第二激光光斑的图像所在的位置；根据所述第二激光光斑的图像所在的位置，计算所述第二激光光斑的图像偏移参考点的角度和位移，从而得出桥面的挠度信息。

在一个实施例中，所述步骤240包括：

将车辆在桥上静置预定时长时，在所述预定时长内采集来自所述激光发射器的预定数量的第三光斑信号；

根据所述第三光斑信号，获取每一幅所述第三光斑信号的图像的光斑位移，得到预定数量的图像点；根据所述预定数量的图像点，求得静挠度值。

在一个实施例中，所述步骤240包括：

采集第四光斑信号；

对所述第四光斑信号进行二值处理；依次对二值处理后的所述第四光斑信号进行处理，得到所述第四光斑信号的图像的中心位置；根据所述中心位置计算动挠度参量。

如图3所示，以下描述本发明的另一实施例。

一种基于图像处理的挠度测量装置，包括：

激光发射器11、微距调整平台13、激光接收器12、计算机14、电源。

计算机14和激光接收器12之间通过无线访问接入点15连接。

激光接收器12为图像传感器121，例如为摄像机，图像处理由计算机14完成；

微距调整平台13包括：控制器131以及垂直调整台132、水平调整台133、角度调整台134。

所述激光接收器12布设于待测桥跨的桥面指定位置处；激光发射器11、计算机14及微距调整平台13置于待测桥面外的路桥过渡段或者桥梁伸缩缝外受车辆振动影响较小的其他桥跨的墩顶位置,结构示意图如图3所示。

该监测方法的实现包括以下步骤：

首先，激光发射器与激光接收器进行通视，不影响行车的位置；再通过AP结点将激光接收器的图像传感器采集的光斑信息发送至计算机；计算机处理后再通过AP结点将控制信息发送到控制器，以调整激光发射器的位置，使激光光斑打在图像传感器的参考点上，参考点可自由选定。

当被测桥梁作用有荷载时，桥梁会发生竖向位移，因此激光接收器的位置也会随着被测量物发生位移；通过摄像机采集射线光斑信号，摄像机采集频率为30帧/秒，并将采集得到的影像信号送到计算机内进行图像处理，确定光斑所在的具体位置，计算偏移参考点的角度和位移，从而得出挠度信息。此技术可对桥梁状态进行持续的记录，通过将采集数据进行整合处理，可以得到桥梁的静挠度和动挠度参量，以及绘制桥梁挠度变化的曲线。

电脑的工作方式是：将摄像机位置信息发送到计算机，计算机先对采集激光图像进行二值处理，其后再用算法对图像进行处理，处理算法为：

$X=\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{x}_i\right)/N;$

$Y=\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{y}_i\right)/N;$

其中，N为光斑的所有像素点数，(X,Y)为光斑的中心位置，即为所求。(x_i，y_i)为光斑所涉及的所有像素点坐标。依次处理采集到的光斑信号，得到光斑的精确位置后即可计算动挠度参量以及绘制挠度变化曲线。

测量静挠度时，使车辆在桥上静置15分钟以上，为克服偶然误差的影响，在此段时间内采取M幅光斑图像，获取每一幅图像的光斑位移，可得到一系列的图像点。然后可以采用将所获得的M个点求平均的均值算法求得静挠度值，也可采用将M个点按大小顺序依次排列，取中间位置处的点作为静挠度值的中值法求得静挠度值。

本发明具有以下有益效果：

(1)位移传感器获得的图像传感器的位移即为被测物的实际位移，不存在位移误差，测量畸变小，结果精准，可信度极高。

(2)由于电控调节位于桥墩或固定位置处，通过PC进行调制，调校精准方便。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于图像处理的桥面挠度测量系统，其特征在于，所述系统包括：

激光发射器、激光接收器、微距调整平台、计算机；

所述激光接收器设置在待测桥跨的桥面指定位置处；

所述激光发射器设置在所述微距调整平台上，所述微距调整平台设置在所述待测桥跨外的路桥过渡段或者桥梁伸缩缝外的除所述待测桥跨的其他桥跨的墩顶位置；

所述计算机分别和所述激光接收器和所述微距调整平台电信号连接；

所述计算机用于，接收所述图像激光接收器采集的来自所述激光发射器的第一光斑信号，根据所述第一光斑信号对所述将微距调整平台进行控制，以调整所述激光发射器的位置，使所述激光发射器的第一光斑信号的图像打在所述激光接收器的参考点上。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述计算机还用于，接收所述图像激光接收器采集的来自所述激光发射器的第二光斑信号，根据所述第二光斑信号确定第二激光光斑的图像所在的位置；根据所述第二激光光斑的图像所在的位置，计算所述第二光斑信号的图像偏移参考点的角度和位移，从而得出桥面的挠度信息。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，

所述激光接收器还用于，当车辆在桥上静置预定时长时，在所述预定时长内采集来自所述激光发射器的预定数量的第三光斑信号，并发送给所述计算机；

所述计算机还用于，根据所述第三光斑信号，获取每一幅所述第三光斑信号的图像的光斑位移，得到预定数量的图像点；根据所述预定数量的图像点，求得静挠度值。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述根据所述预定数量的图像点，求得静挠度值的步骤包括：

采用对所述预定数量的图像点求平均的均值算法，求得静挠度值；或者

采用将所述预定数量的图像点按大小顺序依次排列，取中间位置处的点作为静挠度值的中值法，来求得静挠度值。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，

所述激光接收器还用于，采集第四光斑信号，并发送给所述计算机；

所述计算机还用于，对所述第四光斑信号进行二值处理；依次对二值处理后的所述第四光斑信号进行处理，计算得到所述第四光斑信号的图像的中心位置；根据所述中心位置计算动挠度参量。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述计算得到所述第四光斑信号的图像的中心位置根据以下公式计算：

$X=\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{x}_i\right)/N;$

$Y=\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{y}_i\right)/N;$

其中，(X,Y)为所述第四光斑信号的图像的中心位置；N为所述第四光斑信号的图像的所有像素总点数，(x_i，y_i)为所述第四光斑信号的图像的所有像素点的坐标；

所述根据所述中心位置计算动挠度参量根据以下公式计算：

d＝Y-y₀；

其中：d为动挠度参量，Y为所述第四光斑信号的图像的中心点的垂直方向的坐标，y₀为参考点的垂直方向的坐标。

7.一种基于图像处理的桥面挠度测量方法，其特征在于，包括：

步骤1，将激光接收器设置在待测桥跨的桥面指定位置处；将激光发射器设置在微距调整平台上，将所述微距调整平台设置在待测桥跨外的路桥过渡段或者桥梁伸缩缝外的除所述待测桥跨的其他桥跨的墩顶位置；

步骤2，将所述计算机分别和所述激光接收器和所述微距调整平台电信号连接；

步骤3，接收所述图像激光接收器采集的来自所述激光发射器的第一光斑信号，根据所述第一光斑信号对所述将微距调整平台进行控制，以调整所述激光发射器的位置，使所述激光发射器的第一光斑信号的图像打在所述激光接收器的参考点上。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

步骤4，接收所述图像激光发射器采集的来自所述激光发射器的第二光斑信号，根据所述第二光斑信号确定第二激光光斑的图像所在的位置；根据所述第二激光光斑的图像所在的位置，计算所述第二激光光斑的图像偏移参考点的角度和位移，从而得出桥面的挠度信息。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤4包括：

将车辆在桥上静置预定时长时，在所述预定时长内采集来自所述激光发射器的预定数量的第三光斑信号；

根据所述第三光斑信号，获取每一幅所述第三光斑信号的图像的光斑位移，得到预定数量的图像点；根据所述预定数量的图像点，求得静挠度值。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤4包括：

采集第四光斑信号；

对所述第四光斑信号进行二值处理；依次对二值处理后的所述第四光斑信号进行处理，得到所述第四光斑信号的图像的中心位置；根据所述中心位置计算动挠度参量。