CN109084698A - 一种用于工程建筑物形变监测的方法及系统 - Google Patents

一种用于工程建筑物形变监测的方法及系统 Download PDF

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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge

Abstract

本发明公开了一种用于工程建筑物形变监测的方法及系统，该方法包括：首先在待监测的建筑物上选取监测点位，在所述监测点位上安置纹理靶标；在离所述靶标一定距离不受待监测的建筑物形变影响的地面上设置固定墩，在所述固定墩上固定设置用于监测的视频摄像装置；通过所述视频摄像装置采集所述靶标图像，将采集到的图像信息经通信网络传输到终端图像处理单元中；由所述终端图像处理单元根据获取的图像信息进行视频影像的匹配检测，监测所述靶标处的形变位移量，实现对工程建筑物的形变监测。上述方法及系统实现过程更简便、效果更好，可有效提高监测精度以及监测效率。

Description

一种用于工程建筑物形变监测的方法及系统
技术领域
本发明涉及工程测量技术领域，尤其涉及一种用于工程建筑物形变监测的方法及系统。
背景技术
目前，形变监测是大型工程建筑物质量检定和安全管理的一项重要技术手段，是已经普遍运行的常规业务，现有技术中经常应用的手段主要有以下几种：
1、在建筑物体内埋设高灵敏度传感器
这种方法监测精度高、灵敏度高，而且能够深入到建筑物体内的关键部位；但是设备器件及施工的成本昂贵，出故障难以维修。
2、GNSS(卫星导航定位)观测
在建筑物体表面能接收到卫星信号的位置安装卫星信号接收天线，利用固定点长时间观测可得到高精度定位的优点，可得到厘米级的三维定位精度，从而监测建筑物体的形变，但这种方法难以实现高于厘米级精度和每秒数次的高灵敏度监测。
3、立体摄影测量
在离开建筑物一定距离设置两个以上固定墩，分别安装高精度相机，拍摄建筑物表面的立体影像，通过立体量测方法获取被监测点位的形变移动量值。但该技术手段仪器设备笨重、成本高，而且最重要的是没有达到视频速率，灵敏度不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于工程建筑物形变监测的方法及系统，该方法及系统实现过程更简便、效果更好，可有效提高监测精度以及监测效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于工程建筑物形变监测的方法，所述方法包括：
步骤1、在待监测的建筑物上选取监测点位，在所述监测点位上安置纹理靶标；
步骤2、在离所述靶标一定距离不受待监测的建筑物形变影响的地面上设置固定墩，在所述固定墩上固定设置用于监测的视频摄像装置；
步骤3、通过所述视频摄像装置采集所述靶标图像，将采集到的图像信息经通信网络传输到终端图像处理单元中；
步骤4、由所述终端图像处理单元根据获取的图像信息进行视频影像的匹配检测，监测所述靶标处的形变位移量，实现对工程建筑物的形变监测。
本发明还提供了一种用于工程建筑物形变监测的系统，所述系统包括靶标、固定墩、视频摄像装置、通信网络和终端图像处理单元，其中：
所述靶标设置在待监测建筑物上预先选取的监测点位上；
所述固定墩位于所述靶标一定距离不受待监测建筑物形变影响的地面上；
在所述固定墩上固定设置有用于监测的视频摄像装置，通过所述视频摄像装置采集所述靶标图像；
并通过所述通信网络将采集到的图像信息传输到所述终端图像处理单元中，由所述终端图像处理单元根据获取的图像信息进行视频影像的匹配检测，监测所述靶标处的形变位移量，实现对工程建筑物的形变监测。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法及系统实现过程更简便、效果更好，可有效提高监测精度以及监测效率。
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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例提供的用于工程建筑物形变监测的方法流程示意图；
图2为本发明实施例所提供靶标的示意图；
图3为本发明实施例3维靶标的影像示意图；
图4为本发明实施例所举实例中低频形变累积曲线示意图；
图5为本发明实施例所举实例中高频形变曲线示意图；
图6为本发明实施例所提供系统的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的用于工程建筑物形变监测的方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、在待监测的建筑物上选取监测点位，在所述监测点位上安置纹理靶标；
在该步骤中，所述靶标的图案可采用油漆涂料喷绘在待监测建筑物监测点位的表面。具体实现中，当待监测的建筑物表面纹理很丰富，形状又很复杂时，可以不必设置纹理靶标，而直接对建筑物表面摄像，亦能完成监测任务。
如图2所示为本发明实施例所提供靶标的示意图，当所述监测点位上存在3维位移时，所述监测点位上的靶标设置成3维形式。
如图3所示为本发明实施例3维靶标的影像示意图，该3维形式的靶标的2个平面通过所述视频摄像装置采集后形成2个2维影像图斑。
步骤2、在离所述靶标一定距离不受待监测的建筑物形变影响的地面上设置固定墩，在所述固定墩上固定设置用于监测的视频摄像装置；
这里，如果待监测建筑物待监测点位上的条件许可，在所述监测点位上也可不设置纹理靶标，改为设置用于监测的视频摄像装置，并在步骤2的固定墩上设置靶标，再通过视频摄像装置对靶标成像，照样可以检测出建筑物上的点位相对于地面固定墩的位移量，具体实现中，所述固定墩上设置的靶标能由待监测的建筑物特定距离内的稳定地面建筑物替代。
步骤3、通过所述视频摄像装置采集所述靶标图像，将采集到的图像信息经通信网络传输到终端图像处理单元中；
步骤4、由所述终端图像处理单元根据获取的图像信息进行视频影像的匹配检测，监测所述靶标处的形变位移量，实现对工程建筑物的形变监测。
该步骤中，监测所述靶标处的形变位移量的过程具体为：
如果所述监测点位相对于所述固定墩没有任何移动，那么所述视频摄像装置所采集到的靶标的第t帧和第t+1帧影像将没有任何差别，则有：
Gt(x,y)＝Gt+1(x,y)
其中，Gt(x，y)为采集到的靶标的第t帧影像；Gt+1(x，y)为采集到的靶标的第t+1帧影像；
如果所述监测点位相对于所述固定墩存在微小相对运动，则此相对运动有6个自由度，用6个元素表示，分别为Sx，Sy，Sz，αx，αy，αz，则Gt和Gt+1两帧影像中的对应像点产生相对位移(Δx，Δy)，则有：
Gt(x，y)＝Gr+l(x+Δx，y+Δy)
按摄影测量原理存在如下关系：
同时依图像信号特性，存在关系：
其中，H为固定墩与监测点位间的距离，f为摄像机主距，和分别为在(x，y)点处图像Gt的灰度梯度x，y方向值；
对于m×n像元的靶标影像，可得到m×n组方程，再采用最小二乘法解全部方程式，即可求得(ΔSx，ΔSy，ΔSz)三个线微动量和(Δαx，Δαy，Δαz)三个角微动量；
上述三个线微动量和三个角微动量表明了在t和t+1时间间隔内所述监测点位相对于所述固定墩的6个自由度微小形变值。
具体实现中，上述实施例所提供的方法存在两种应用，举例来说：
第一种是频率相对较低的监测方式，例如数分钟一帧，这种情况下，手机信道的传输率够用，站点上计算机速率也够。因此可以摄一帧影像计算一次，每次解算出6个自由度矢量增量，并与历史值累加，绘制出形变累计曲线，还可以根据设定的阈值进行报警，如图4所示为本发明实施例所举实例中低频形变累积曲线示意图。
第二种是频率相对较高的监测方式，用于有运动载荷短期通过的形变监测，例如持续数分钟，以每秒30帧摄像，这时手机信道的实时传输率是不够的，只能先将视频影像记卡，待数分钟运动载荷通过后，利用空歇时间进行影像数据传输，站点计算机也只能进行批处理，将6个自由度矢量序列值绘制成曲线，提供给用户进行下一步的运动频率和振幅的分析，如图5所示为本发明实施例所举实例中高频形变曲线示意图。
基于上述的方法，本发明实施例还提供了一种用于工程建筑物形变监测的系统，如图6所示为本发明实施例所提供系统的整体结构示意图，所述系统主要包括靶标、固定墩、视频摄像装置、通信网络和终端图像处理单元，其中：
所述靶标设置在待监测建筑物上预先选取的监测点位上；
所述固定墩位于所述靶标一定距离不受待监测建筑物形变影响的地面上；
在所述固定墩上固定设置有用于监测的视频摄像装置，通过所述视频摄像装置采集所述靶标图像；
并通过所述通信网络将采集到的图像信息传输到所述终端图像处理单元中，由所述终端图像处理单元根据获取的图像信息进行视频影像的匹配检测，监测所述靶标处的形变位移量，实现对工程建筑物的形变监测。
具体实现中，上述监测点位上的靶标设置成3维形式，该3维形式的靶标的2个平面通过所述视频摄像装置采集后形成2个2维影像图斑。
另外，如图6所示，还可在所述视频摄像装置上设置长焦望远镜，使用长焦镜头的目的是能在稍远的距离外不受形变体波及的地方设置固定墩，而达到较高的像元分辨率。这样的装置可以实现在10m之内±0.1mm；100m之内±1.0mm；1000m之内±10mm的观测精度。
上述通信网络可以为手机端的移动通讯网络，从而保证该系统可实现无人值守的日夜持续观测，并且把沿途各观测点数据集中传输到一个稳定的办公地点，进行室内的数据处理和应用分析。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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披露的技术范围内，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书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于工程建筑物形变监测的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、在待监测的建筑物上选取监测点位，在所述监测点位上安置纹理靶标；
步骤2、在离所述靶标一定距离不受待监测的建筑物形变影响的地面上设置固定墩，在所述固定墩上固定设置用于监测的视频摄像装置；
步骤3、通过所述视频摄像装置采集所述靶标图像，将采集到的图像信息经通信网络传输到终端图像处理单元中；
步骤4、由所述终端图像处理单元根据获取的图像信息进行视频影像的匹配检测，监测所述靶标处的形变位移量，实现对工程建筑物的形变监测。
2.如权利要求1所述用于工程建筑物形变监测的方法，其特征在于，在步骤1中，
所述靶标的图案采用油漆涂料喷绘在待监测建筑物监测点位的表面。
3.如权利要求1所述用于工程建筑物形变监测的方法，其特征在于，
当所述监测点位上存在3维位移时，所述监测点位上的靶标设置成3维形式；
该3维形式的靶标的2个平面通过所述视频摄像装置采集后形成2个2维影像图斑。
4.如权利要求1所述用于工程建筑物形变监测的方法，其特征在于，在步骤1中，在所述监测点位上不设置纹理靶标，改为设置用于监测的视频摄像装置，并在步骤2的固定墩上设置靶标。
5.如权利要求4所述用于工程建筑物形变监测的方法，其特征在于，
所述固定墩上设置的靶标能由待监测的建筑物特定距离内的稳定地面建筑物替代。
6.如权利要求1所述用于工程建筑物形变监测的方法，其特征在于，在步骤4中，由所述终端图像处理单元根据获取的图像信息进行视频影像的匹配检测，监测所述靶标处的形变位移量的过程具体为：
如果所述监测点位相对于所述固定墩没有任何移动，那么所述视频摄像装置所采集到的靶标的第t帧和第t+1帧影像将没有任何差别，则有：
Gt(x，y)＝Gt+1(x，y)
其中，Gt(x，y)为采集到的靶标的第t帧影像；Gt+1(x，y)为采集到的靶标的第t+1帧影像；
如果所述监测点位相对于所述固定墩存在微小相对运动，则此相对运动有6个自由度，用6个元素表示，分别为Sx，Sy，Sz，αx，αy，αz，则Gt和Gt+1两帧影像中的对应像点产生相对位移(Δx，Δy)，则有：
Gt(x，y)＝Gt+1(x+Δx，y+Δy)
按摄影测量原理存在如下关系：
同时依图像信号特性，存在关系：
其中，H为固定墩与监测点位间的距离，f为摄像机主距，和分别为在(x，y)点处图像Gt的灰度梯度x，y方向值；
对于m×n像元的靶标影像，可得到m×n组方程，再采用最小二乘法解全部方程式，即可求得(ΔSx，ΔSy，ΔSz)三个线微动量和(Δαx，Δαy，Δαz)三个角微动量；
上述三个线微动量和三个角微动量表明了在t和t+1时间间隔内所述监测点位相对于所述固定墩的6个自由度微小形变值。
7.一种用于工程建筑物形变监测的系统，其特征在于，所述系统包括靶标、固定墩、视频摄像装置、通信网络和终端图像处理单元，其中：
所述靶标设置在待监测建筑物上预先选取的监测点位上；
所述固定墩位于所述靶标一定距离不受待监测建筑物形变影响的地面上；
在所述固定墩上固定设置有用于监测的视频摄像装置，通过所述视频摄像装置采集所述靶标图像；
并通过所述通信网络将采集到的图像信息传输到所述终端图像处理单元中，由所述终端图像处理单元根据获取的图像信息进行视频影像的匹配检测，监测所述靶标处的形变位移量，实现对工程建筑物的形变监测。
8.如权利要求7所述用于工程建筑物形变监测的系统，其特征在于，
所述监测点位上的靶标设置成3维形式。
9.如权利要求7所述用于工程建筑物形变监测的系统，其特征在于，在所述视频摄像装置上还设置有长焦望远镜。
10.如权利要求7所述用于工程建筑物形变监测的系统，其特征在于，所述通信网络为手机端的移动通讯网络。
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