CN110285770A - 一种桥梁挠度变化测量方法、装置及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种桥梁挠度变化测量方法、装置及设备，在桥梁的任意位置选定或设置一个竖向平面作为测量平面，将至少四个含有控制点图像的定位件安置在测量平面内，使所有的控制件中的控制点图像不同时共线，并测得各定位件中控制点图像中的控制点在水平坐标系下的标准坐标，将激光器安置在任意位置并使激光器发射出的激光斑点落在测量平面内，将相机安置在任意位置并使测量平面位于相机的拍摄视场内。采用激光指示结合相机近距离成像的方式，避免了远距离成像受大气环境影响和测量精度受相机自身姿态影响的问题；通过控制点成像处理，可以消除相机晃动对测量的影响，可以灵活的对水面、峡谷等位置的桥梁进行挠度测量。本发明应用于测量技术领域。

Description

一种桥梁挠度变化测量方法、装置及设备

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体是一种桥梁挠度变化测量方法、装置及设备。

背景技术

桥梁的挠度是衡量一座桥梁在受重力情况下的承载能力和安全程度的主要技术指标。根据其挠度曲线的变化情况可以判断出桥梁是否状态正‘常，是否需要修复或停用，以防事故的发生。因而桥梁的挠度测量是关系到桥梁安危、运输畅通的大问题，其有非常重要的意义。桥梁的挠度测量必须定期进行。桥梁挠度高精度测量方法主要有全站仪法、挠度仪法和成像测量法等。全站仪法和挠度仪法测量方式类似，都需要在地面用三脚架架设仪器设备，调平设备并对准待测点进行测量。此类方法对地面振动环境有较高要求，且由于设备必须架设在地面，所以无法对水面、峡谷等位置的桥梁进行测量。

桥梁挠度的成像测量，主要有激光靶法和图像法。激光靶法由单色激光管对光靶发射激光，当桥梁受载时，由光靶感应激光着靶位置的变化来测定桥梁的挠度。图像法则由成像设备对安装在待测点的发光标志进行成像，通过图像分析可以得到待测点的位置变化，进而计算出挠度。此类方法可对水面、峡谷等桥梁进行测量，但是一方面由于成像距离较远，成像分辨率和测量精度受到限制，且成像质量容易受大气环境的影响，另一方面由于成像靶面直接固定在桥梁上，成像设备自身的位姿变化会引起较大误差。

发明内容

本发明提供一种桥梁挠度变化测量方法、装置及设备，用于克服现有技术中桥梁挠度的成像测量时因远距离成像受大气环境影响和测量精度受相机自身姿态影响等缺陷，实现桥梁挠度的成像测量时的高精度成像。

为实现上述目的，本发明提供一种桥梁挠度变化测量方法，在桥梁的任意位置选定或设置一个竖向平面作为测量平面，将至少四个含有控制点图像的定位件安置在测量平面内，使所有的控制件中的控制点图像不同时共线，并测得各定位件中控制点图像中的控制点在水平坐标系下的标准坐标，将激光器安置在任意位置并使激光器发射出的激光斑点落在测量平面内，将相机安置在任意位置并使测量平面位于相机的拍摄视场内，具体包括以下步骤：

步骤101，获得包含有测量平面在内的实时测量图像；

步骤102，从实时测量图像中获取各控制点与光斑落点在水平坐标系下的的实时坐标；

步骤103，根据各控制点的标准坐标与实时坐标获得实时测量图像的校正矩阵，并根据校正矩阵与光斑落点的实时坐标获得光斑落点在水平坐标系下的标准坐标；

步骤104，在预设时间段后获得下一张包含有测量平面在内的实时测量图像，重复步骤102-103获得当前实时测量图像中光斑落点在水平坐标系下的标准坐标；

步骤105，将当前实时测量图像中光斑落点标准坐标的纵坐标减去上一张实时测量图像中光斑落点标准坐标的纵坐标，即得到在预设时间段内桥梁的挠度变化；

步骤106，重复步骤104-105即能获得桥梁挠度变化曲线。

进一步优选的，所述控制点图像为对顶角标志图像或十字丝标志图像或编码标志图像。

进一步优选的，步骤102中，获得各控制点的实时坐标具体包括：

步骤201，在实时测量图像中截取出与控制点图像大小、形状相同的图像作为比对图像；

步骤202，计算控制点图像与比对图像的相似度量；

步骤203，将比对图像的轮廓在实时测量图像上向上和/或向下和/或向左和/或和/向右平移一个或者多个像素，获得新的比对图像，并计算控制点图像与新的比对图像的相似度量；

步骤204，重复步骤203直至实时测量图像中所有能够被截取的比对图像均被截取；

步骤205，筛选出与控制点图像之间相似度量最大的比对图像，作为结果图像；

步骤206，结果图像的中心像素点在水平坐标系下的坐标即为对应控制点图像中控制点的实时坐标。

进一步优选的，所述相似度量的计算过程为：

式中，i表示第i个比对图像；S(i)表示控制点图像与第i个比对图像的相似度量；t_i与w_i表示控制点图像与第i个比对图像中各像素的灰度值；与表示控制点图像与第i个光斑比对图像比对图像的灰度均值。

进一步优选的，步骤103中，校正矩阵的求取过程为：

式中，(x_kj,y_kj)表示第j个控制点的标准坐标；(x′_kj,y′_kj)表示第j个控制点的实时坐标；A表示校正矩阵；N表示控制点的数量。

进一步优选的，所述相机安装在无人机上。

为实现上述目的，本发明还提供一种桥梁挠度变化测量装置，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有桥梁挠度变化测量程序，所述处理器在运行所述程序时执行上述方法所述的步骤。

为实现上述目的，本发明还提供一种桥梁挠度变化测量设备，包括：

定位件，数量至少为四个，设在桥梁上的测量平面上，所述定位件上设有控制点图像；

激光器，安置在任意位置，使激光器发射出的激光斑点落在测量平面内；

相机，设在任意位置，用于拍摄包含有桥梁上测量平面在内的图片；

控制模块，包括上述的桥梁挠度变化测量装置，与相机通信相连，用于计算桥梁挠度变化。

本发明提供的一种桥梁挠度变化测量方法、装置及设备，采用激光指示结合相机近距离成像的方式，避免了远距离成像受大气环境影响和测量精度受相机自身姿态影响的问题；通过控制点成像处理，可以消除相机晃动对测量的影响，可以灵活的对水面、峡谷等位置的桥梁进行挠度测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中桥梁挠度变化测量方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中对顶角标志图像的示意图；

图3为本发明实施例中十字丝标志图像的示意图；

图4为本发明实施例中编码标志图像的示意图；

图5为本发明实施例中控制点实时坐标的获取流程示意图；

图6为本发明实施例中t₀时刻到t₁时刻的桥梁挠度变化示意图；

图7为本发明实施例中桥梁挠度变化测量设备的结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示的一种桥梁挠度变化测量方法，首先在桥梁的任意位置选定或设置一个竖向平面作为测量平面，具体的，测量平面为漫反射平面，可以是桥梁本体的表面，也可以是固定安装在桥梁上的一个测量部件表面；将至少四个含有控制点图像的定位件安置在测量平面内，使所有的控制件中的控制点图像不同时共线，其中所有的控制件中的控制点图像不同时共线使得是所有的控制件中的控制点不在同一条直线上；测得各定位件中控制点图像中的控制点在水平坐标系下的标准坐标；将激光器安置在任意位置并使激光器发射出的激光斑点落在测量平面内，将相机安置在任意位置并使测量平面位于相机的拍摄视场内，优选的，相机可以安置在无人机上近距离拍摄测量平面，以避免远距离成像受大气环境影响。

其中，参考图2-4，控制点图像为对顶角标志图像或十字丝标志图像或编码标志图像，对顶角标志图像中的控制点位置位于两个正方形的交点位置，十字丝标志图像中的控制点位置位于两条线段的交点位置，编码标志图像中控制点的位置位于编码中心的位置；定位件可以是通过控制点图像打印生成的贴纸，通过粘胶或图钉安置在测量平面内。

本实施例中的定位件为四个，四个定位件上控制点图像的形状、大小可以随意选定；各定位件安置在测量平面后其对应控制点的标准坐标由全站仪或卡尺测得，所测得的四个定位件的标准坐标为(x_k1,y_k1)、(x_k2,y_k2)、(x_k3,y_k3)、(x_k4,y_k4)。

安置好定位件、激光器、相机后，桥梁挠度变化测量具体包括以下步骤：

步骤101，获得包含有测量平面在内的实时测量图像；

步骤102，从实时测量图像中获取各控制点与光斑落点在水平坐标系下的的实时坐标；

参考图5，获取各控制点实时坐标具体实现过程如下：

步骤201，在实时测量图像中截取出与控制点图像大小、形状相同的图像作为比对图像，本实施例中选用十字丝标志图像作为控制点图像，则该步骤即从实时测量图像中截取出一个与十字丝标志图像大小、形状相同的图像作为比对图像；

步骤202，计算控制点图像与比对图像的相似度量：

步骤203，将比对图像的轮廓在实时测量图像上向上和/或向下和/或向左和/或和/向右平移一个或者多个像素，获得新的比对图像，并计算控制点图像与新的比对图像的相似度量；

步骤204，重复步骤203直至实时测量图像中所有能够被截取的比对图像均被截取,其中，实时测量图像中所有能够被截取的比对图像指的是实时测量图像中所有形状、大小相同且唯一的图像；

例如，当实时测量图像为方形图像时，步骤204具体实现过程为：首先在实时测量图像的左下角截取第一张对比图像，此时实时测量图像中的左侧边缘与底部边缘中均具有像素点位于对比图像中；随后将比对图像的轮廓向右移动一个像素，获得第二张比对图像；每次将比对图像的轮廓向右移动一个像素直至实时测量图像中的右侧边缘中具有像素点位于对比图像中；随后将比对图像的轮廓向上移动一个像素，获得新的比对图像；再将比对图像的轮廓向左移动一个像素，再次获得新的比对图像；每次将比对图像的轮廓向左移动一个像素直至实时测量图像中的左侧边缘中具有像素点位于对比图像中；依次往复，直至比对图像的轮廓移动至实时测量图像的右上角，此时实时测量图像中的顶部边缘与右侧边缘中均具有像素点位于对比图像中，即完成实时测量图像中所有能够被截取的比对图像均被截取。以上过程为逐行截取比对图像的方式，同样也可以采用逐列截取或螺旋截取的方式。

步骤205，筛选出与控制点图像之间相似度量最大的比对图像，作为结果图像；

步骤206，结果图像的中心像素点在水平坐标系下的坐标即为对应控制点图像中控制点的实时坐标。

上述过程中没截取一个对比图像则与四个控制点图像进行比对，因此在步骤206中直接获得的是四个控制点图像中控制点的实时坐标。

获取光斑落点实时坐标具体实现过程如下：

步骤301，在实时测量图像中截取出与光斑标准图像大小、形状相同的图像作为光斑比对图像；

步骤302，计算光斑标准图像与光斑比对图像的相似度量：

步骤303，将光斑比对图像的轮廓在实时测量图像上向上和/或向下和/或向左和/或和/向右平移一个或者多个像素，获得新的光斑比对图像，并计算光斑标准图像与新的光斑比对图像的相似度量；

步骤304，重复步骤303直至实时测量图像中所有能够被截取的光斑比对图像均被截取，其具体过程与步骤204相同，因此不作赘述；

步骤305，筛选出与光斑标准图像之间相似度量最大的光斑比对图像，作为光斑结果图像；

步骤306，光斑结果图像的中心像素点在水平坐标系下的坐标即为光斑落点的实时坐标。

其中，步骤201-206中的控制点图像、步骤301-306中的光斑标准图像均指的是录入数据库的图像，以用于实现图片处理比对计算。

步骤202与步骤302中，相似度量的计算过程为：

式中，i表示第i个比对图像或第i个光斑比对图像；S(i)表示控制点图像与第i个比对图像的相似度量或光斑标准图像与第i个光斑比对图像的相似度量；t_i与w_i表示控制点图像与第i个比对图像中各像素的灰度值或光斑标准图像与第i个光斑比对图像中各像素的灰度值；与表示控制点图像与第i个光斑比对图像比对图像的灰度均值或光斑标准图像与第i个光斑比对图像的灰度均值。

经过上述步骤，测得四个控制点的实时坐标为(x′_k1,y′_k1)、(x′_k2,y′_k2)、(x′_k3,y′_k3)、(x′_k4,y′_k4)，测得光斑中心图像点的实时坐标为(x′,y′)。

步骤103，根据各控制点的标准坐标与实时坐标获得实时测量图像的校正矩阵，并根据校正矩阵与光斑落点的实时坐标获得光斑落点在水平坐标系下的标准坐标，具体为：

相机晃动引起的图像变形可以由3×3的校正矩阵A表示：

校正矩阵A可以根据4个及以上数目的控制点对应图像位置根据下面方程求出：

然后根据得到的校正矩阵A，可以把光斑中心图像点的实时坐标(x′,y′)校正到标准坐标：

式中，(x_kj,y_kj)表示第j个控制点的标准坐标；(x′_kj,y′_kj)表示第j个控制点的实时坐标，(x,y)表示光斑中心图像点的标准坐标；(x′,y′)表示光斑中心图像点的实时坐标。

步骤104，在预设时间段后获得下一张包含有测量平面在内的实时测量图像，重复步骤102-103获得当前实时测量图像中光斑落点在水平坐标系下的标准坐标；

步骤105，将当前实时测量图像中光斑落点标准坐标的纵坐标减去上一张实时测量图像中光斑落点标准坐标的纵坐标，即得到在预设时间段内桥梁的挠度变化，参考图6：

δ＝y₁-y₀

式中，y₁表示t₁时刻实时测量图像中光斑落点标准坐标的纵坐标；y₀表示t₀时刻实时测量图像中光斑落点标准坐标的纵坐标；δ表示t₀时刻到t₁时刻的桥梁挠度变化；

步骤106，重复步骤104-105即能获得桥梁挠度变化曲线。

如图7所示的本实施例还提供一种桥梁挠度变化测量装置，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有桥梁挠度变化测量程序，所述处理器在运行所述程序时执行上述方法所述的步骤。

为实现上述目的，本发明还提供一种桥梁挠度变化测量设备，包括：

定位件，数量至少为四个，设在桥梁上的测量平面1上，所述定位件上设有控制点图像，控制点图像为对顶角标志图像或十字丝标志图像或编码标志图像；

激光器2，安置在任意位置，例如桥墩或河堤上，使激光器发射出的激光斑点落在测量平面内；

相机3，设在任意位置，例如无人机上，用于拍摄包含有桥梁上测量平面在内的图片；

控制模块，包括上述的桥梁挠度变化测量装置，与相机通信相连，用于计算桥梁挠度变化，其中，控制模块并未图示，可以采用嵌入式系统设计。

本实施例采用激光指示结合相机近距离成像的方式，避免了远距离成像受大气环境影响和测量精度受相机自身姿态影响的问题；通过控制点成像处理，可以消除相机晃动对测量的影响，可以灵活的对水面、峡谷等位置的桥梁进行挠度测量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种桥梁挠度变化测量方法，其特征在于，在桥梁的任意位置选定或设置一个竖向平面作为测量平面，将至少四个含有控制点图像的定位件安置在测量平面内，使所有的控制件中的控制点图像不同时共线，并测得各定位件中控制点图像中的控制点在水平坐标系下的标准坐标，将激光器安置在任意位置并使激光器发射出的激光斑点落在测量平面内，将相机安置在任意位置并使测量平面位于相机的拍摄视场内，具体包括以下步骤：

步骤101，获得包含有测量平面在内的实时测量图像；

步骤102，从实时测量图像中获取各控制点与光斑落点在水平坐标系下的的实时坐标；

步骤103，根据各控制点的标准坐标与实时坐标获得实时测量图像的校正矩阵，并根据校正矩阵与光斑落点的实时坐标获得光斑落点在水平坐标系下的标准坐标；

步骤104，在预设时间段后获得下一张包含有测量平面在内的实时测量图像，重复步骤102-103获得当前实时测量图像中光斑落点在水平坐标系下的标准坐标；

步骤105，将当前实时测量图像中光斑落点标准坐标的纵坐标减去上一张实时测量图像中光斑落点标准坐标的纵坐标，即得到在预设时间段内桥梁的挠度变化；

步骤106，重复步骤104-105即能获得桥梁挠度变化曲线。

2.根据权利要求1所述桥梁挠度变化测量方法，其特征在于，所述控制点图像为对顶角标志图像或十字丝标志图像或编码标志图像。

3.根据权利要求1所述桥梁挠度变化测量方法，其特征在于，步骤102中，获得各控制点的实时坐标具体包括：

步骤201，在实时测量图像中截取出与控制点图像大小、形状相同的图像作为比对图像；

步骤202，计算控制点图像与比对图像的相似度量；

步骤203，将比对图像的轮廓在实时测量图像上向上和/或向下和/或向左和/或和/向右平移一个或者多个像素，获得新的比对图像，并计算控制点图像与新的比对图像的相似度量；

步骤204，重复步骤203直至实时测量图像中所有能够被截取的比对图像均被截取；

步骤205，筛选出与控制点图像之间相似度量最大的比对图像，作为结果图像；

步骤206，结果图像的中心像素点在水平坐标系下的坐标即为对应控制点图像中控制点的实时坐标。

4.根据权利要求3所述桥梁挠度变化测量方法，其特征在于，所述相似度量的计算过程为：

式中，i表示第i个比对图像；S(i)表示控制点图像与第i个比对图像的相似度量；t_i与w_i表示控制点图像与第i个比对图像中各像素的灰度值；与表示控制点图像与第i个光斑比对图像比对图像的灰度均值。

5.根据权利要求1所述桥梁挠度变化测量方法，其特征在于，步骤103中，校正矩阵的求取过程为：

式中，(x_kj,y_kj)表示第j个控制点的标准坐标；(x′_kj,y′_kj)表示第j个控制点的实时坐标；A表示校正矩阵；N表示控制点的数量。

6.根据权利要求1至5任一项所述桥梁挠度变化测量方法，其特征在于，所述相机安装在无人机上。

7.一种桥梁挠度变化测量装置，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有桥梁挠度变化测量程序，所述处理器在运行所述程序时执行所述权利要求1至6任一项方法所述的步骤。

8.一种桥梁挠度变化测量设备，其特征在于，包括：

定位件，数量至少为四个，设在桥梁上的测量平面上，所述定位件上设有控制点图像；

激光器，安置在任意位置，使激光器发射出的激光斑点落在测量平面内；

相机，安置在任意位置，用于拍摄包含有桥梁上测量平面在内的图片；

控制模块，包括权利要求7所述的桥梁挠度变化测量装置，与相机通信相连，用于计算桥梁挠度变化。