CN109855822B - 一种基于无人机的高铁桥梁竖向动扰度测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于无人机的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。将具有相同的成像中心和成像分辨率的三台相机安装在无人机上，三台相机分别能拍摄到测量点和两个参考点，利用无人机上的三台相机按照设定时间间隔同步对待测高铁桥梁进行拍摄成像，根据三台相机拍摄得到的图像计算待测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
技术领域
本发明涉及的是桥梁动位移视觉测量技术领域，具体涉及一种基于无人机的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，本发明提供一种基于无人机的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：
一种基于无人机的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在无人机上设置三台相机，三台相机分别对应拍摄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；
S3利用无人机进行飞行测量；
控制无人机飞行到两个参考点间的中垂线上，无人机上的三台相机分别对准待测高铁桥梁上标记的左侧参考点、中间测量点、右侧参考点；三台相机同步对待测高铁桥梁拍摄成像；
S4计算待测高铁桥梁竖向动扰度；
根据三台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S2中，将具有相同的成像中心和成像分辨率的三台相机安装在无人机上且三台相机安装后处于同一水平面上，其中一台相机位于中间，用于对应拍摄中间测量点；另外两台相机左右对称分布于中间相机的左右两侧，分别用于对应拍摄待测高铁桥梁上的左侧参考点以及右侧参考点。
三个相机到待测高铁桥梁的距离相等，均为D。两侧相机与中间相机之间的角度近似计算如下：
其中θ为两侧相机与中间相机的夹角，d为桥墩到跨中的距离，D0为相机到待测高铁桥梁的距离。
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。因此本发明S3中控制无人机飞行到两个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。
无人机上的左侧相机、中间相机、右侧相机分别对应拍摄待测高铁桥梁上标记的左侧参考点、中间测量点、右侧参考点；三台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同步对待测高铁桥梁进行拍摄成像。
本发明S4的实现方法如下：
S4.1根据三台相机拍摄得到的图像，首先根据相机的参数及相机的相对位姿关系将三台相机各时刻同步拍摄到的图像分别合成到一张图像。
S4.2对于初始拍摄时刻对应的首张合成图像，通过模板匹配找到首张合成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合成图像中的图像坐标；对于后续各拍摄时刻对应的合成图像，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合成图像上的测量点和两个参考点的图像坐标。
S4.3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＝xA-xB，
其中，A点为待测高铁桥梁上中间测量点原来位置，xA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，xB为B点对应的世界坐标系下的坐标，为xA在i时刻对应的合成图像中的坐标，为xB在i时刻对应的合成图像中的坐标，D1为中间相机镜头到包含中间测量点移动所在直线并且垂直于中间相机光轴的平面的垂直距离，f为中间相机的焦距，θ1为中间相机光轴与中间相机镜头到中间测量点移动所在平面的垂直线的夹角。
S4.4采用S4.3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。
S4.5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为无人机上三相机以及相机与待测高铁桥梁的示意图；
图5为无人机三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是三相机图像通过单应变换合成到一张图像；
图9是无穷单应示意图；
图10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，将具有相同的成像中心和成像分辨率的三台相机安装在无人机上且三台相机安装后处于同一水平面上。其中一台相机位于中间，用于对应拍摄中间测量点。另外两台相机左右对称分布于中间相机的左右两侧，分别用于对应拍摄待测高铁桥梁上的左侧参考点以及右侧参考点。三个相机到待测高铁桥梁的距离相等，均为D。两侧相机与中间相机之间的角度近似计算如下：
其中θ为两侧相机与中间相机的夹角，d为桥墩到跨中的距离，D0为相机到待测高铁桥梁的距离。
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水平面内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，且无人机距离测量点的距离在设定测量距离范围之内。
无人机上的三台相机分别对应拍摄待测高铁桥梁上标记的中间测量点以及两个参考点。三台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同步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。
参照图8，根据三台相机拍摄得到的图像，首先根据相机的内、外参数及相机的相对位姿关系将3台相机各时刻同步拍摄到的图像分别合成到一张图像。
对于初始拍摄时刻对应的首张合成图像，通通过模板匹配找到首张合成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合成图像中的图像坐标；对于后续各拍摄时刻对应的合成图像，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合成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)。
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。
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下图10所示。
d1＝xA-xB，
其中，A点为待测高铁桥梁上中间测量点原来位置，xA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，xB为B点对应的世界坐标系下的坐标，为xA在i时刻对应的合成图像中的坐标，为xB在i时刻对应的合成图像中的坐标，D1为中间相机镜头到包含中间测量点移动所在直线并且垂直于中间相机光轴的平面的垂直距离，f为中间相机的焦距，θ1为中间相机光轴与中间相机镜头到中间测量点移动所在平面的垂直线的夹角。
采用上述相同的方法，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。
则高铁桥梁竖向动扰度为：
在本领域中图像拼接合成的方法很多，在本发明中均可以应用。本实施例的S4中采用单应变换将同一时刻3台相机拍摄到的图像合成到一张图像。
参照图8，在射影几何中，空间共面点与其像点之间由单应一一对应，当空间平面为无穷远平面π∞时，对应的单应称为无穷单应H∞。由π∞诱导的两视图之间的单应也称为无穷单应。
参照图9，π∞上的点在空间中表示为X∞＝[X∞ Y∞ Z∞ 0]T，在平面上表示为x∞＝[X∞Y∞ Z∞]T，它还说明空间直线与π∞的交点即是直线的方向。x∞与其对应的像点之间的成像关系为
x＝H∞x∞
将X∞代入投影模型公式中得
x＝PX∞＝[P1 P2 P3]x∞
式中Pi表示P的第i列。易知
H∞＝[P1 P2 P3]＝KR
说明H∞为投影矩阵的前三列，只与像机的内参数和旋转矩阵有关，而与平移向量无关，因此可以根据内参数以及外参数得到H∞。
通过单应变换，可以将三个相机的图像统一到一张图像中。
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)
1.一种基于无人机的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 在无人机上设置三台相机，三台相机分别对应拍摄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；
S3 利用无人机进行飞行测量；
控制无人机飞行到两个参考点间的中垂线上，无人机上的三台相机分别对应拍摄待测高铁桥梁上标记的左侧参考点、中间测量点、右侧参考点；三台相机同步对待测高铁桥梁拍摄成像；
S4 计算待测高铁桥梁竖向动扰度；
根据三台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，实现方法如下：
S4.1 根据三台相机拍摄得到的图像，首先根据相机的参数及相机的相对位姿关系将3台相机各时刻同步拍摄到的图像分别合成到一张图像；
S4.2 对于初始拍摄时刻对应的首张合成图像，通过模板匹配找到首张合成图像中的待测高铁桥梁上标记的中间测量点和两个参考点，得到中间测量点和两个参考点在首张合成图像中的图像坐标；对于后续各拍摄时刻对应的合成图像，采用最小二乘图像匹配跟踪法对中间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合成图像上的中间测量点和两个参考点的图像坐标；
S4.3 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＝xA-xB，
其中，A点为待测高铁桥梁上中间测量点原来位置，xA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，xB为B点对应的世界坐标系下的坐标，为xA在i时刻对应的合成图像中的坐标，为xB在i时刻对应的合成图像中的坐标，D1为中间相机镜头到包含中间测量点移动所在直线并且垂直于中间相机光轴的平面的垂直距离，f为中间相机的焦距，θ1为中间相机光轴与中间相机镜头到中间测量点移动所在平面的垂直线的夹角；
S4.4 采用S4.3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；
S4.5 高铁桥梁竖向动扰度为：
2.根据权利要求1所述的基于无人机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所述的基于无人机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中间测量点、两个参考点的标记。
4.根据权利要求2所述的基于无人机的高铁桥梁竖向动扰度测量方法，其特征在于：S2中，将具有相同的成像中心和成像分辨率的三台相机安装在无人机上且三台相机安装后处于同一水平面上，其中一台相机位于中间，用于对应拍摄中间测量点；另外两台相机左右对称分布于中间相机的左右两侧，分别用于对应拍摄待测高铁桥梁上的左侧参考点以及右侧参考点，两侧相机与中间相机之间的夹角均为θ，三个相机到待测高铁桥梁的距离相等。
5.根据权利要求4所述的基于无人机的高铁桥梁竖向动扰度测量方法，其特征在于：S2中两侧相机与中间相机之间的夹角θ的计算方式如下：
其中d为桥墩到跨中的距离，D0为相机到待测高铁桥梁的距离。
6.根据权利要求1所述的基于无人机的高铁桥梁竖向动扰度测量方法，其特征在于：S4中采用单应变换将同一时刻三台相机拍摄到的图像合成到一张图像。
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