CN109798874B - 一种高铁桥梁竖向动扰度测量方法 - Google Patents

Abstract

一种高铁桥梁竖向动扰度测量方法，首先确定待测高铁桥梁，在待测高铁桥梁上布置测量点和两个参考点。将在无人机上安装一台相机。控制无人机飞行到靠近待测高铁桥梁左侧或右侧的一处设定位置，在设定位置处利用无人机上的相机对待测高铁桥梁拍摄成像，要求在设定位置能够同时拍摄到待测高铁桥梁上的左侧参考点、中间测量点以及右侧参考点。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。采用本发明提供的测量方法，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

一种高铁桥梁竖向动扰度测量方法

技术领域

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

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，本发明提供一种高铁桥梁竖向动扰度测量方法，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：

一种高铁桥梁竖向动扰度测量方法，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在无人机上设置一台相机；

S3利用无人机进行飞行测量；

控制无人机飞行到靠近待测高铁桥梁左侧或右侧的一处设定位置，在设定位置处利用无人机上的相机按照设定时间间隔对待测高铁桥梁拍摄成像，要求在设定位置能够同时拍摄到待测高铁桥梁上的左侧参考点、中间测量点以及右侧参考点；

S4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，两个参考点与测量点之间的距离以及参考点的海拔高度已知。

本发明中，在待测高铁桥梁上通过喷漆或者涂写的方式进行测量点、参考点的标记。

本发明S3中，设定位置还需要满足以下要求：

D₁≥L₁

D₂≤L₂

其中无人机上相机的近景深为L₁，远景深为L₂；相机与靠近一侧的参考点的距离为D₁，相机与远离一侧参考点的距离为D₂。

有如下关系式：

其中：D₀为相机到待测高铁桥梁的距离。

本发明S4的实现方法如下：

S4.1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测量点和两个参考点，得到测量点和两个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测量点和两个参考点进行跟踪，得到后续各拍摄时刻对应的拍摄图像上的测量点和两个参考点的图像坐标。

S4.2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。

S4.3采用S4.2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，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为无人机上相机与待测高铁桥梁的示意图；

图5为无人机相机视场测量桥梁跨中竖向动位移的示意图；

图6为无人机(相机)的正下视理想观测位置；

图7为无人机与地面固定物以安全绳连接示意图；

图8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设置相机。

参照图4，将相机安装在无人机上。相机用于拍摄待测高铁桥梁以及待测高铁桥梁上布设的左侧参考点、中间测量点以及右侧参考点。

S3参照图5，利用无人机进行飞行测量。

参照图6，无人机的理想观测位置是在中间测量点和两个参考点所处的水平面内且靠近待测高铁桥梁左侧或右侧的位置区域。

控制无人机飞行到靠近待测高铁桥梁左侧或右侧的一处设定位置，在设定位置处利用无人机上的相机对待测高铁桥梁拍摄成像，要求在设定位置能够同时拍摄到待测高铁桥梁上的左侧参考点、中间测量点以及右侧参考点。另外，设定位置还需要满足以下要求：

D₁≥L₁

D₂≤L₂

其中无人机上相机的近景深为L₁，远景深为L₂；相机与靠近一侧的参考点的距离为D₁，相机与远离一侧参考点的距离为D₂。

有如下关系式：

其中：D₀为相机到待测高铁桥梁的距离。

无人机距离参考点的距离在近景深和远景深之内，以保证两个参考点和测量点能完整而清晰的成像于一幅图片中。

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拍摄成像。

参照图7，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。

S4计算待测高铁桥梁竖向动扰度。

S4.1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)。

S4.2参照图8，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8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。

S4.3采用S4.2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。

S4.4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 (4)

1.一种高铁桥梁竖向动扰度测量方法，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在无人机上设置一台相机；

S3利用无人机进行飞行测量；

控制无人机飞行到靠近待测高铁桥梁左侧或右侧的一处设定位置，在设定位置处利用无人机上的相机按照设定时间间隔对待测高铁桥梁拍摄成像，要求在设定位置能够同时拍摄到待测高铁桥梁上的左侧参考点、中间测量点以及右侧参考点；

S4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：

S4.1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测量点和两个参考点，得到测量点和两个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测量点和两个参考点进行跟踪，得到后续各拍摄时刻对应的拍摄图像上的测量点和两个参考点的图像坐标；

S4.2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；

S4.3采用S4.2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所述的高铁桥梁竖向动扰度测量方法，其特征在于：在待测高铁桥梁的左右两端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，两个参考点与测量点之间的距离以及参考点的海拔高度已知。

3.根据权利要求2所述的高铁桥梁竖向动扰度测量方法，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测量点、参考点的标记。

4.根据权利要求2所述的高铁桥梁竖向动扰度测量方法，其特征在于：S3中，设定位置还需要满足以下要求：

D₁≥L₁

D₂≤L₂

其中无人机上相机的近景深为L₁，远景深为L₂；相机与靠近一侧的参考点的距离为D₁，相机与远离一侧参考点的距离为D₂；

有如下关系式：

其中：D₀为相机到待测高铁桥梁的距离。

Images