CN109596053B - 一种测量高铁桥梁竖向动扰度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量高铁桥梁竖向动扰度的方法，首先在待测高铁桥梁上布置中间测量点和左、右侧参考点。在无人机上搭建测量装置，测量装置包括相机以及设置在相机镜头前方的多个光学镜片组件。各光学镜片组件均包括光学镜片以及旋转机构。调整各光学镜片，使得待测高铁桥梁上标记的左侧参考点、右侧参考点、中间测量点能够在相机镜头中成像且分别成像于拍摄图像中的R、G、B三个通道。根据相机拍摄得到的图像，分别计算得到世界坐标系下中间测量点、左侧参考点、右侧参考点在竖直方向上的相对位移，进而得到高铁桥梁竖向动扰度。本发明能够不受环境振动影响，可实现灵活易操作的高铁桥梁动扰度高精度测量，且测量过程简单高效。

Description

一种测量高铁桥梁竖向动扰度的方法

技术领域

本发明涉及的是桥梁动位移视觉测量技术领域，具体涉及一种测量高铁桥梁竖向动扰度的方法。

背景技术

基于视觉测量技术的高铁桥梁动位移测量需要在待测桥梁的附近架设配备长焦镜头的相机，通过相机对桥梁待测部位成像，记录待测部位不同时刻在图像上的位置，再根据桥梁待测部位在图像上的位置变化计算桥梁待测部位的实际位置变化，从而得到桥梁该部位的动位移。待测部位可以是桥梁上的自然表面，也可以粘贴或固定特殊制作的光学标志。

现有的机器视觉测量方式，需要对架设的相机进行严格的标定，以确定相机视场与待测目标的相对位姿关系，保证得到待测点在竖直方向的位置变化。这样的标定通常是在地面上选择若干绝对坐标已知的控制点，通过控制点对相机的绝对位姿进行标定。

此外，相机成像时对环境要求很高，因为测量过程容易受到环境影响，致使最终测量精度不能满足要求。例如，当相机架设在公路近旁时，过往车辆引起的路面振动会直接影响到相机的姿态稳定，难以达到亚毫米量级的测量精度要求。

因此，研究一种对测量环境条件要求低，甚至能够不受环境振动影响，可实现高铁桥梁动扰度高精度测量的方法是非常必要的。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种测量高铁桥梁竖向动扰度的方法，该方法不受环境振动影响，可实现灵活易操作的高铁桥梁动扰度高精度测量，且测量过程简单高效。

为实现本发明的技术目的，采用以下技术方案：

一种测量高铁桥梁竖向动扰度的方法，包括：

S1确定待测高铁桥梁，在待测高铁桥梁上布设左侧参考点、中间测量点以及右侧参考点。

S2在无人机上搭建测量装置，利用无人机进行飞行测量。

测量装置包括相机以及设置在相机镜头前方的多个光学镜片组件，相机以及光学镜片组件均通过支撑装置安装在无人机上。各光学镜片组件均包括光学镜片以及旋转机构，光学镜片连接旋转机构，能够在旋转机构的带动下调整其角度。

将拍摄位置设置在两个参考点间的中垂线上，控制无人机飞行到两个参考点间的中垂线上的拍摄位置，无人机上的相机镜头正向对准待测高铁桥梁上标记的中间测量点。调整各光学镜片组件中的光学镜片，使得待测高铁桥梁上标记的左侧参考点、右侧参考点、中间测量点能够在相机镜头中成像且分别成像于拍摄图像中的R、G、B三个通道；无人机上的相机按照设定时间间隔对待测高铁桥梁进行拍摄成像，得到各拍摄时刻对应的拍摄图像。

S3计算待测高铁桥梁竖向动扰度；

根据相机拍摄得到的图像，分别计算得到世界坐标系下中间测量点、左侧参考点、右侧参考点在竖直方向上的相对位移，进而得到高铁桥梁竖向动扰度。

本发明S1中，在待测高铁桥梁的左右两端分别布置一个参考点作为左侧参考点和右侧参考点，在待测高铁桥梁的跨中位置布置一个测量点作为中间测量点，中间测量点、左侧参考点和右侧参考点位于同一水平线上，中间测量点位于左侧参考点和右侧参考点的中心，左侧参考点与中间测量点之间的距离以及右侧参考点与中间测量点之间的距离已知，左侧参考点的海拔高度以及右侧参考点的海拔高度已知。在待测高铁桥梁上通过喷漆或者涂写的方式进行中间测量点、两个参考点的标记。

本发明S2中所述测量装置包括四个光学镜片组件，四个光学镜片组件中的光学镜片分为1#光学镜片、2#光学镜片、3#光学镜片和4#光学镜片。其中1#光学镜片和2号光学镜片均为反射蓝色光但透射红色光及绿色光的带阻镜片；3#光学镜片为透射绿色光但反射红色光及蓝色光的带通镜片；4#光学镜片为只反射红色光但透射绿色光及蓝色光的带阻镜片。1#光学镜片设置在相机镜头前方左侧，在相机镜头的正前方依次设置有2#光学镜片和3#光学镜片，4#光学镜片设置在相机镜头前方右侧。

本发明S3中将拍摄位置设置在两个参考点间的中垂线上，控制无人机飞行到两个参考点间的中垂线上的拍摄位置，无人机上的相机镜头对准待测高铁桥梁上标记的中间测量点，使无人机上的相机能够拍摄到中间测量点。

一般情况下，采用相机对待测高且桥梁进行远距离拍摄时，相机的视场角无法使待测高铁桥梁上的左侧参考点、中间测量点、右侧参考点成像于同一相片。因此本发明借助于四个光学镜片组件。通过旋转1#光学镜片、2#光学镜片、3#光学镜片和4#光学镜片，使得待测高铁桥梁上标记的左侧参考点、右侧参考点、中间测量点能够在相机镜头中成像且分别成像于拍摄图像中的R、G、B三个通道。具体地，待测高铁桥梁上标记的左侧参考点的光路中的蓝光部分依次经1#光学镜片以及2#光学镜片的反射，最终到达相机镜头，成像于拍摄图像中的B通道，而待测高铁桥梁上标记的左侧参考点的光路中的红光以及绿光部分则经1#光学镜片透射出去而没有在相机镜头中成像；使待测高铁桥梁上标记的中间测量点的光路中的绿光部分依次经3#光学镜片以及2#光学镜片透射到相机镜头，成像于拍摄图像中的G通道，而待测高铁桥梁上标记的中间测量点的光路中的红光以及蓝光部分则经3#光学镜片反射出去而没有在相机镜头中成像。待测高铁桥梁上标记的右侧参考点的光路中的红光部分依次经4#光学镜片以及3#光学镜片反射到2#光学镜片后经2#光学镜片透射到相机镜头，成像于拍摄图像中的R通道，而待测高铁桥梁上标记的中间测量点的光路中的绿光以及蓝光部分则经4#光学镜片透射出去而没有在相机镜头中成像。

本发明S3的实现方法如下：

S3.1对于初始拍摄时刻对应的首张拍摄图像，通过模板匹配找到首张拍摄图像中的待测高铁桥梁上标记的中间测量点和左、右侧两个参考点，得到中间测量点、左侧参考点和右侧参考点在首张拍摄图像中的图像坐标；对于后续各拍摄时刻对应的拍摄图像，采用最小二乘图像匹配跟踪法对中间测量点、左侧参考点和右侧参考点进行跟踪，得到后续各拍摄时刻对应的拍摄图像上的中间测量点、左侧参考点和右侧参考点的图像坐标。

S3.2根据中间测量点的图像坐标，计算世界坐标系下中间测量点在竖直方向上的相对位移d₁：

d₁＝x_A-x_B

其中，A点为待测高铁桥梁上中间测量点原来位置，x_A为A点对应的世界坐标系下的坐标，B点为待测高铁桥梁上中间测量点移动后的位置，x_B为B点对应的世界坐标系下的坐标，为x_A在i时刻对应的拍摄图像中的坐标，为x_B在i时刻对应的拍摄图像中的坐标，D为相机镜头到包含中间测量点移动所在直线并且垂直于相机光轴的平面的垂直距离，f为相机的焦距，θ为相机光轴与相机镜头到中间测量点移动所在平面的垂直线的夹角。

S3.3采用S3.2中相同的方法，根据左侧参考点的图像坐标，计算世界坐标系下左侧参考点在竖直方向上的相对位移d₂；根据右侧参考点的图像坐标，计算世界坐标系下右侧参考点在竖直方向上的相对位移d₃。

S4.4高铁桥梁竖向动扰度为：

与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：

采用本发明提供的测量方法，通过调整光学镜片，使得待测高铁桥梁上标记的左侧参考点、右侧参考点、中间测量点能够在相机镜头中成像且分别成像于拍摄图像中的R、G、B三个通道。原本一台小视场相机无法同时拍摄到两个参考点以及测量点。通过本发明这种方法能够只用一台相机同时拍摄到三个点，减少了硬件成本，降低了同步的难度。本发明能够不受环境振动影响，可实现灵活易操作的高铁桥梁动扰度高精度测量，且测量过程简单高效。

附图说明

图1为基于机器视觉的桥梁扰度相对测量示图；

图2为相机位置姿态变化引起图像变化示图；

图3为根据参考点对测量点位置进行修正并求图像上的扰度的示意图；

图4为无人机上测量装置(相机以及分光镜组件)与待测高铁桥梁的示意图；

图5为无人机(相机)的正下视理想观测位置；

图6为无人机与地面固定物以安全绳连接示意图；

图7是桥梁待测点竖向动位移与其在图像上的位置变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式进行进一步的详细说明。

如图1所示，扰度是指梁在弯曲变形后，梁中横截面的位置将发生改变，横截面的形心在垂直于梁轴向的位移。所以扰度是梁中横截面相对于梁的固定端点的位置变化。

对于高铁桥梁(简支梁类型)来讲，可以认为高铁桥梁的左右两端的两个桥墩支撑点所在的桥梁两端点是静止不变的，高铁桥梁的跨中位置相对于两端点在竖向的位置变化就是高铁桥梁竖向动扰度。

当在无人机等不稳定平台上采用相机对高铁桥梁进行成像时，如图2所示中间测量点、左侧参考点和右侧参考点都会在图像上因为相机的晃动而产生位置变化。根据成像原理，当中中间测量点、左侧参考点和右侧参考点位于同一直线时，在没有变形发生时，其图像中的像点也会始终位于同一直线，且三点的距离比例保持不变。因此，本发明在待测高铁桥梁上通过喷漆或者涂写的方式进行中间测量点、左侧参考点和右侧参考点的标记，在待测高铁桥梁的两个桥墩上方分别布置一个参考点即左侧参考点和右侧参考点，在待测高铁桥梁的跨中位置布置一个中间测量点，中间测量点、左侧参考点和右侧参考点位于同一水平线上，中间测量点位于左侧参考点和右侧参考点的中心。左侧参考点与中间测量点之间的距离以及右侧参考点与中间测量点之间的距离通过测量仪器测量后已知，左侧参考点的海拔高度以及右侧参考点的海拔高度通过测量仪器测量后已知。

参照图3，只需要根据左、右侧两个参考点的图像位置，就可以对图像进行校正并确定中间测量点的初始位置，再根据中间测量点初始位置和中间测量点变化后的位置求得中间测量点在图像上的移动距离。进一步，当相机光心和左侧参考点和右侧参考点都位于同一水平面时，垂直于左侧参考点和右侧参考点连线的方向即是竖直方向，中间测量点在该方向上的位移即直接对应于高铁桥梁竖向动扰度，于是可以根据中间测量点的图像位移直接计算得到其在竖直方向的真实位移，即高铁桥梁竖向动扰度。

具体地，本发明采用的技术方案如下：

S1确定待测高铁桥梁，在待测高铁桥梁上布设左侧参考点、中间测量点以及右侧参考点。

在待测高铁桥梁上通过喷漆或者涂写的方式进行中间测量点、左侧参考点和右侧参考点的标记，在待测高铁桥梁的两个桥墩上方分别布置一个参考点，作为左侧参考点和右侧参考点。在待测高铁桥梁的跨中位置布置一个测量点，作为中间测量点。中间测量点和两个参考点位于同一水平线上，中间测量点位于两个参考点的中心。两个参考点与中间测量点之间的距离以及参考点的海拔高度通过测量仪器测量后已知。

S2在无人机上搭建测量装置，利用无人机进行飞行测量。

参照图4，测量装置包括相机5以及设置在相机镜头前方的四个光学镜片组件，相机5以及光学镜片组件均通过支撑装置安装在无人机上。各光学镜片组件均包括光学镜片以及旋转机构，光学镜片连接旋转机构，能够在旋转机构的带动下调整其角度。四个光学镜片组件中的光学镜片分为1#光学镜片1、2#光学镜片2、3#光学镜片3和4#光学镜片4；其中1#光学镜片1和2号光学镜片2均为反射蓝色光但透射红色光及绿色光的带阻镜片；3#光学镜片3为透射绿色光但反射红色光及蓝色光的带通镜片；4#光学镜片4为只反射红色光但透射绿色光及蓝色光的带阻镜片。1#光学镜片1设置在相机镜头前方左侧，在相机镜头的正前方依次设置有2#光学镜片2和3#光学镜片3，4#光学镜片4设置在相机镜头前方右侧。

参照图5，无人机的理想观测位置是在水平面内两个参考点间的中垂线上。控制无人机飞行到左侧参考点和右侧参考点间的中垂线上，且无人机距离测量点的距离在设定测量距离范围之内。

控制无人机飞行到左侧参考点和右侧参考点间的中垂线上的拍摄位置，人机上的相机镜头正向对准待测高铁桥梁上标记的中间测量点。调整各光学镜片组件中的光学镜片，使得待测高铁桥梁上标记的左侧参考点、右侧参考点、中间测量点能够在相机镜头中成像且分别成像于拍摄图像中的R、G、B三个通道。具体地，待测高铁桥梁上标记的左侧参考点的光路中的蓝光部分依次经1#光学镜片以及2#光学镜片的反射，最终到达相机镜头，成像于拍摄图像中的B通道，而待测高铁桥梁上标记的左侧参考点的光路中的红光以及绿光部分则经1#光学镜片透射出去而没有在相机镜头中成像；使待测高铁桥梁上标记的中间测量点的光路中的绿光部分依次经3#光学镜片以及2#光学镜片透射到相机镜头，成像于拍摄图像中的G通道，而待测高铁桥梁上标记的中间测量点的光路中的红光以及蓝光部分则经3#光学镜片反射出去而没有在相机镜头中成像。待测高铁桥梁上标记的右侧参考点的光路中的红光部分依次经4#光学镜片以及3#光学镜片反射到2#光学镜片后经2#光学镜片透射到相机镜头，成像于拍摄图像中的R通道，而待测高铁桥梁上标记的中间测量点的光路中的绿光以及蓝光部分则经4#光学镜片透射出去而没有在相机镜头中成像。

无人机上的相机通过软件触发或者硬件触发的方式按照设定时间间隔对待测高铁桥梁进行拍摄成像，得到各拍摄时刻对应的拍摄图像。

参照图6，为了保证拍摄时的安全，无人机通过安全绳与地面固定物体连接，这样就可以限定无人机的运动范围，能够保证无人机远离高铁桥梁上的高铁线路，在保障测量任务的同时，不影响高铁桥梁上铁路和列车的安全。

S3计算待测高铁桥梁竖向动扰度。

S3.1对于初始拍摄时刻对应的首张拍摄图像，通过模板匹配找到首张拍摄图像中的待测高铁桥梁上标记的中间测量点和左、右侧两个参考点，得到中间测量点、左侧参考点和右侧参考点在首张拍摄图像中的图像坐标；对于后续各拍摄时刻对应的拍摄图像，采用最小二乘图像匹配跟踪法对中间测量点、左侧参考点和右侧参考点进行跟踪，得到后续各拍摄时刻对应的拍摄图像上的中间测量点、左侧参考点和右侧参考点的图像坐标(详见《显著性加权最小二乘图像匹配跟踪算法》，张恒，李立春，李由，于起峰)。

S3.2参照图7，根据中间测量点的图像坐标，计算世界坐标系下中间测量点在竖直方向上的相对位移d₁(即线段AB)。

当无人机与左侧参考点、右侧参考点在同一水平面时，图像内与两个参考点图像位置连线相垂直的方向即可认为是实际空间的竖向，中间测量点的竖向移动距离可以直接通过图像上中间测量点位置的变化进行计算，桥梁上的中间测量点实际位置变化与其在图像上中间测量点的位置变化关系如图7所示。

d₁＝x_A-x_B，

其中，A点为待测高铁桥梁上中间测量点原来位置，x_A为A点对应的世界坐标系下的坐标，B点为待测高铁桥梁上中间测量点移动后的位置，x_B为B点对应的世界坐标系下的坐标，为x_A在i时刻对应的拍摄图像中的坐标，为x_B在i时刻对应的拍摄图像中的坐标，D为相机镜头到包含中间测量点移动所在直线并且垂直于相机光轴的平面的垂直距离，f为相机的焦距，θ为相机光轴与相机镜头到中间测量点移动所在平面的垂直线的夹角。

S3.3采用S3.2相同的方法，根据左侧参考点的图像坐标，计算世界坐标系下左侧参考点在竖直方向上的相对位移d₂；根据右侧参考点的图像坐标，计算世界坐标系下右侧参考点在竖直方向上的相对位移d₃。

S3.4高铁桥梁竖向动扰度为：

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测量高铁桥梁竖向动扰度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1确定待测高铁桥梁，在待测高铁桥梁上布设左侧参考点、中间测量点以及右侧参考点；

S2在无人机上搭建测量装置，利用无人机进行飞行测量；

测量装置包括相机以及设置在相机镜头前方的多个光学镜片组件，相机以及光学镜片组件均通过支撑装置安装在无人机上；各光学镜片组件均包括光学镜片以及旋转机构，光学镜片连接旋转机构，能够在旋转机构的带动下调整其角度；

将拍摄位置设置在两个参考点间的中垂线上，控制无人机飞行到两个参考点间的中垂线上的拍摄位置，无人机上的相机镜头正向对准待测高铁桥梁上标记的中间测量点；调整各光学镜片组件中的光学镜片，使得待测高铁桥梁上标记的左侧参考点、右侧参考点、中间测量点能够在相机镜头中成像且分别成像于拍摄图像中的R、G、B三个通道；无人机上的相机按照设定时间间隔对待测高铁桥梁进行拍摄成像，得到各拍摄时刻对应的拍摄图像；

S3计算待测高铁桥梁竖向动扰度；

根据相机拍摄得到的图像，分别计算得到世界坐标系下中间测量点、左侧参考点、右侧参考点在竖直方向上的相对位移，进而得到高铁桥梁竖向动扰度，方法如下：

S3.1对于初始拍摄时刻对应的首张拍摄图像，通过模板匹配找到首张拍摄图像中的待测高铁桥梁上标记的中间测量点和左、右侧两个参考点，得到中间测量点、左侧参考点和右侧参考点在首张拍摄图像中的图像坐标；对于后续各拍摄时刻对应的拍摄图像，采用最小二乘图像匹配跟踪法对中间测量点、左侧参考点和右侧参考点进行跟踪，得到后续各拍摄时刻对应的拍摄图像上的中间测量点、左侧参考点和右侧参考点的图像坐标；

S3.2根据中间测量点的图像坐标，计算世界坐标系下中间测量点在竖直方向上的相对位移d₁：

d₁＝x_A-x_B

其中，A点为待测高铁桥梁上中间测量点原来位置，x_A为A点对应的世界坐标系下的坐标，B点为待测高铁桥梁上中间测量点移动后的位置，x_B为B点对应的世界坐标系下的坐标，为x_A在i时刻对应的拍摄图像中的坐标，为x_B在i时刻对应的拍摄图像中的坐标，D为相机镜头到包含中间测量点移动所在直线并且垂直于相机光轴的平面的垂直距离，f为相机的焦距，θ为相机光轴与相机镜头到中间测量点移动所在平面的垂直线的夹角；

S3.3采用S3.2中相同的方法，根据左侧参考点的图像坐标，计算世界坐标系下左侧参考点在竖直方向上的相对位移d₂；根据右侧参考点的图像坐标，计算世界坐标系下右侧参考点在竖直方向上的相对位移d₃；

S4.4高铁桥梁竖向动扰度为：

2.根据权利要求1所述的测量高铁桥梁竖向动扰度的方法，其特征在于：S1中，在待测高铁桥梁的左右两端分别布置一个参考点作为左侧参考点和右侧参考点，在待测高铁桥梁的跨中位置布置一个测量点作为中间测量点，中间测量点、左侧参考点和右侧参考点位于同一水平线上，中间测量点位于左侧参考点和右侧参考点的中心，左侧参考点与中间测量点之间的距离以及右侧参考点与中间测量点之间的距离已知，左侧参考点的海拔高度以及右侧参考点的海拔高度已知。

3.根据权利要求2所述的测量高铁桥梁竖向动扰度的方法，其特征在于：S1中在待测高铁桥梁上通过喷漆或者涂写的方式进行中间测量点、两个参考点的标记。

4.根据权利要求2所述的测量高铁桥梁竖向动扰度的方法，其特征在于：S2中，所述测量装置包括四个光学镜片组件，四个光学镜片组件中的光学镜片分为1#光学镜片、2#光学镜片、3#光学镜片和4#光学镜片；其中1#光学镜片和2号光学镜片均为反射蓝色光但透射红色光及绿色光的带阻镜片；3#光学镜片为透射绿色光但反射红色光及蓝色光的带通镜片；4#光学镜片为只反射红色光但透射绿色光及蓝色光的带阻镜片。

5.根据权利要求4所述的测量高铁桥梁竖向动扰度的方法，其特征在于：S2中，1#光学镜片设置在相机镜头前方左侧，在相机镜头的正前方依次设置有2#光学镜片和3#光学镜片，4#光学镜片设置在相机镜头前方右侧。

6.根据权利要求5所述的测量高铁桥梁竖向动扰度的方法，其特征在于：S2中，待测高铁桥梁上标记的左侧参考点的光路中的蓝光部分依次经1#光学镜片以及2#光学镜片的反射，最终到达相机镜头，成像于拍摄图像中的B通道，而待测高铁桥梁上标记的左侧参考点的光路中的红光以及绿光部分则经1#光学镜片透射出去而没有在相机镜头中成像；

待测高铁桥梁上标记的中间测量点的光路中的绿光部分依次经3#光学镜片以及2#光学镜片透射到相机镜头，成像于拍摄图像中的G通道，而待测高铁桥梁上标记的中间测量点的光路中的红光以及蓝光部分则经3#光学镜片反射出去而没有在相机镜头中成像；

待测高铁桥梁上标记的右侧参考点的光路中的红光部分依次经4#光学镜片以及3#光学镜片反射到2#光学镜片后经2#光学镜片透射到相机镜头，成像于拍摄图像中的R通道，而待测高铁桥梁上标记的中间测量点的光路中的绿光以及蓝光部分则经4#光学镜片透射出去而没有在相机镜头中成像。