CN111583244A - 一种桥梁变形检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桥梁变形检测技术领域，公开了一种桥梁变形检测方法和系统，所述方法包括对桥梁进行预分析，布置变形监测点；布设图像采集装置，匹配布设参考点组成参考平面；在桥梁上未有行人车辆行驶时采集桥梁图像作为基础图像，并测量计算得到图像采集装置、变形监测点及参考点的空间坐标；在桥梁上有行人或车辆行驶时，按照预设频率对桥梁进行图像采集，得到变形图像；建立三维变形坐标系统O‑XYZ，得到变形监测点的三维变形值，汇总处理得到变形监测点在X、Y、Z方向动态变形曲线图；本发明不仅能够实时监测桥梁的动态变形而且能够测量静态变形，有效的预警潜在的危险，操作简单、成本较低，具有较广阔的应用前景。

Description

一种桥梁变形检测方法和系统

技术领域

本发明涉及桥梁变形检测技术领域，具体涉及一种桥梁变形检测方法和系统。

背景技术

随着现代经济技术不断的进步和发展，我国在桥梁的建设上也花费了大量的财力和物力，对于运营期的桥梁，随着时间的增加会出现破损、变形等各种病害问题，倘若不能及时发现并且处置很有可能会造成不可估量的后果，通常来说，服役期间的桥梁结构在外部环境、工作荷载和极端荷载等因素作用下不可避免地出现局部或整体损伤，为保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对服役桥梁结构采用有效手段进行损伤识别和安全评估显得尤为必要和迫切。

桥梁结构的变形监测对象虽然繁多，但总体而言不外乎水平方向和垂直方向的位移两种。为了满足监测对象的要求，目前桥梁变形监测主要沿用传统的监测方法，即大地测量方法和物理传感器方法。

其中以水准仪、经纬仪、全站仪为代表的常规大地测量方法仍然是桥梁变形监测的重要手段，测量精度较高，物理传感器方向上的自动跟踪全站仪和应变仪等也是常用的监测桥梁变形的仪器设备，但是这些监测手段工作量大，无法监测桥梁的动态变形，其他的现有监测手段有的只研究了静荷载作用下的桥梁变形监测，有的监测距离太短无法监测桥梁的整体变形，有的无法实现桥梁监测与数据处理的同步。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种桥梁变形检测方法，用解决背景技术中的问题。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明提供了一种桥梁变形检测方法，包括以下步骤：

对桥梁进行预分析，布置变形监测点；

布设图像采集装置，匹配布设参考点组成参考平面；

所述参考平面与图像采集方向垂直；

在桥梁上未有行人车辆行驶时采集桥梁图像作为基础图像，并测量计算得到图像采集装置、变形监测点及参考点的空间坐标；

在桥梁上有行人或车辆行驶时，按照预设频率对桥梁进行图像采集，得到变形图像；

建立三维变形坐标系统O-XYZ，其中：

O为变形监测点，X轴代表桥梁走向的变形，向南为正，Y轴代表垂直于桥梁走向的变形，向东为正，Z轴代表桥梁的挠度变形，向上为正；

将桥梁上变形检测点与像平面平行的虚拟平面作为物平面，其中OM为物平面的竖直方向，向上为正，ON为物平面的水平方向，向南为正；

基于基础图像和变形图像数据，采用图像匹配-时间基线视差法计算得到变形监测点在物平面上的变形坐标；

采集桥梁走向方向与图像采集方向的夹角，基于此夹角将物平面水平方向ON轴上的值分解到所述三维变形坐标系水平面的OX和OY上，得到变形监测点的三维变形值；

根据变形监测点的三维变形值汇总处理得到变形监测点在X、Y、Z方向动态变形曲线图。

优选地，所述对桥梁进行预分析，布置变形监测点具体包括：

根据桥梁主要承压构建，分析发生最大挠度变形的位置区域；

分析受力情况以及变形难易度；

将变形监测点设置在受力大、易发生形变处。

优选地，所述像采集装置、变形监测点及参考点的空间坐标采用全站仪测量得到。

优选地，所述图像采集装置为高清数码相机，所述高清数码相机上方设置有信号收发装置，下方设置有可调底座。

优选地，所述方法还包括对变形监测点的三维变形值进行处理，分别得到在X、Y方向上的最大变形值和平均变形值，同时得到向上最大挠度以及向下最大挠度和平均挠度。

优选地，所述方法还包括：

对各变形监测点在沿桥梁走向和垂直于桥梁走向两个方向的变形走向进分析，若走向一致性在预设范围内，则判断桥梁组成构建见连接性正常。

优选地，所述方法还包括：

基于不同时间采集桥梁的基础图像或者该桥梁变形监测点图像，处理得到该桥梁的或者该桥梁变形监测点的轮廓线影像；

将不同时期获得的轮廓线影像进行透视重叠，形成桥梁的或者该桥梁变形监测点的叠差影像；

根据所述叠差影像获取同一轮廓线在不同时期的差值，从而获得桥梁不同时期的相对变形数据。

优选地，所述方法还包括：将获得的桥梁变形监测点图像拼合形成桥梁表面的完整照片，利用完整照片获取桥梁表面数字化曲率面；按设定周期对同一桥梁表面获取数字化曲率面，获取不同时期桥梁表面结构数字化曲率面；将不同时期的数字化曲率面与首次获取的数字化曲率面进行比较。

优选地，所述将获得的桥梁变形监测点图像拼合形成桥梁表面的完整照片采用基于边缘灰度特征匹配的图像拼接方法拼合而成。

本发明还提供一种桥梁变形检测系统，包括图像数据采集模块、空间位置采集模块、通信模块、数据处理模块和显示模块，

所述数据采集模块用于采集桥梁基础图像和变形图像；

所述空间位置采集模块用于采集图像采集装置、变形监测点及参考点的空间坐标；

所述通信模块用于接收数据采集模块和空间位置采集模块采集的数据并送入数据处理模块进行处理；

所述数据处理模块接收数据采集模块和空间位置采集模块采集的数据，并执行建立三维变形坐标系统O-XYZ，其中：

O为变形监测点，X轴代表桥梁走向的变形，向南为正，Y轴代表垂直于桥梁走向的变形，向东为正，Z轴代表桥梁的挠度变形，向上为正；

将桥梁上变形检测点与像平面平行的虚拟平面作为物平面，其中OM为物平面的竖直方向，向上为正，ON为物平面的水平方向，向南为正；

基于基础图像和变形图像数据，采用图像匹配-时间基线视差法计算得到变形监测点在物平面上的变形坐标；

采集桥梁走向方向与图像采集方向的夹角，基于此夹角将物平面水平方向ON轴上的值分解到所述三维变形坐标系水平面的OX和OY上，得到变形监测点的三维变形值；

根据变形监测点的三维变形值汇总处理得到变形监测点在X、Y、Z方向动态变形曲线图；

所述显示模块用于显示数据处理模块处理后的图像或数据。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明利用图像匹配-时间基线视差法求得监测点在物平面上的二维变形，再利用三维变形监测原理将物平面上的水平变形分解到沿桥梁走向和垂直桥梁走向上，从而实现桥梁的三维变形动态监测；

其次为了防止在进行摄影测量监测时，仪器支架的移动、大气抖动以及数码相机的抖动导致变形点的像点坐标受误差的影响，因此在距离相机不远处布设稳定的参考点形成与摄影方向垂直的参考面，通过解算得到参考点的视差值，进而消除由误差引起的变形点的视差；

本发明的桥梁检测系统以图像匹配-时间基线视差法为基础，能够实现数据采集、存储、处理和绘制变形曲线图，能够直观的展示桥梁结构的局部以及整体的变形走向。

关于本发明相对于现有技术，其他突出的实质性特点和显著的进步在实施例部分进一步详细介绍。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的一种桥梁变形检测系统的结构示意图。

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，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在说明书及权利要求书当中使用了某些名称来指称特定组件。应当理解，本领域普通技术人员可能会用不同名称来指称同一个组件。本申请说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的实质性差异作为区分组件的准则。如在本申请说明书和权利要求书中所使用的“包含”或“包括”为一开放式用语，其应解释为“包含但不限定于”或“包括但不限定于”。具体实施方式部分所描述的实施例为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围。

此外，所属技术领域的技术人员知道，本发明的各个方面可以实现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为软硬件结合的形式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明的各个方面还可以实现为在一个或多个微控制器可读介质中的计算机程序产品的形式，该微控制器可读介质中包含微控制器可读的程序代码。

实施例1

本实施例的一种桥梁变形检测方法，包括以下步骤：

对桥梁进行预分析，布置变形监测点；

布设图像采集装置，匹配布设参考点组成参考平面；

所述参考平面与图像采集方向垂直；

在桥梁上未有行人车辆行驶时采集桥梁图像作为基础图像，并测量计算得到图像采集装置、变形监测点及参考点的空间坐标；

在桥梁上有行人或车辆行驶时，按照预设频率对桥梁进行图像采集，得到变形图像；

建立三维变形坐标系统O-XYZ，其中：

O为变形监测点，X轴代表桥梁走向的变形，向南为正，Y轴代表垂直于桥梁走向的变形，向东为正，Z轴代表桥梁的挠度变形，向上为正；

将桥梁上变形检测点与像平面平行的虚拟平面作为物平面，其中OM为物平面的竖直方向，向上为正，ON为物平面的水平方向，向南为正；

基于基础图像和变形图像数据，采用图像匹配-时间基线视差法计算得到变形监测点在物平面上的变形坐标；

采集桥梁走向方向与图像采集方向的夹角，基于此夹角将物平面水平方向ON轴上的值分解到所述三维变形坐标系水平面的OX和OY上，得到变形监测点的三维变形值；

根据变形监测点的三维变形值汇总处理得到变形监测点在X、Y、Z方向动态变形曲线图。

本实施例中对桥梁进行预分析，布置变形监测点具体包括：

根据桥梁主要承压构建，分析发生最大挠度变形的位置区域；

分析受力情况以及变形难易度；

将变形监测点设置在受力大、易发生形变处。

本实施例中像采集装置、变形监测点及参考点的空间坐标采用全站仪测量得到。

本实施例中图像采集装置为高清数码相机，所述高清数码相机上方设置有信号收发装置，下方设置有可调底座。

本实施例中方法还包括对变形监测点的三维变形值进行处理，分别得到在X、Y方向上的最大变形值和平均变形值，同时得到向上最大挠度以及向下最大挠度和平均挠度。

本实施例中方法还包括：

对各变形监测点在沿桥梁走向和垂直于桥梁走向两个方向的变形走向进分析，若走向一致性在预设范围内，则判断桥梁组成构建见连接性正常。

本实施例中方法还包括：

基于不同时间采集桥梁的基础图像或者该桥梁变形监测点图像，处理得到该桥梁的或者该桥梁变形监测点的轮廓线影像；

将不同时期获得的轮廓线影像进行透视重叠，形成桥梁的或者该桥梁变形监测点的叠差影像；

根据所述叠差影像获取同一轮廓线在不同时期的差值，从而获得桥梁不同时期的相对变形数据。

本实施例中方法还包括：将获得的桥梁变形监测点图像拼合形成桥梁表面的完整照片，利用完整照片获取桥梁表面数字化曲率面；按设定周期对同一桥梁表面获取数字化曲率面，获取不同时期桥梁表面结构数字化曲率面；将不同时期的数字化曲率面与首次获取的数字化曲率面进行比较。

本实施例中将获得的桥梁变形监测点图像拼合形成桥梁表面的完整照片采用基于边缘灰度特征匹配的图像拼接方法拼合而成。

实施例2

请参照图1，本实施例提供一种桥梁变形检测系统，包括图像数据采集模块、空间位置采集模块、通信模块、数据处理模块和显示模块，

所述数据采集模块用于采集桥梁基础图像和变形图像；

所述空间位置采集模块用于采集图像采集装置、变形监测点及参考点的空间坐标；

所述通信模块用于接收数据采集模块和空间位置采集模块采集的数据并送入数据处理模块进行处理；

所述数据处理模块接收数据采集模块和空间位置采集模块采集的数据，并执行建立三维变形坐标系统O-XYZ，其中：

O为变形监测点，X轴代表桥梁走向的变形，向南为正，Y轴代表垂直于桥梁走向的变形，向东为正，Z轴代表桥梁的挠度变形，向上为正；

将桥梁上变形检测点与像平面平行的虚拟平面作为物平面，其中OM为物平面的竖直方向，向上为正，ON为物平面的水平方向，向南为正；

基于基础图像和变形图像数据，采用图像匹配-时间基线视差法计算得到变形监测点在物平面上的变形坐标；

采集桥梁走向方向与图像采集方向的夹角，基于此夹角将物平面水平方向ON轴上的值分解到所述三维变形坐标系水平面的OX和OY上，得到变形监测点的三维变形值；

根据变形监测点的三维变形值汇总处理得到变形监测点在X、Y、Z方向动态变形曲线图；

所述显示模块用于显示数据处理模块处理后的图像或数据。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方。或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。

而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)。随机存取存储器(RAM，Random，Access，Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序校验码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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所述以权利要求的保护范围为准。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种桥梁变形检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

对桥梁进行预分析，布置变形监测点；

布设图像采集装置，匹配布设参考点组成参考平面；

所述参考平面与图像采集方向垂直；

在桥梁上未有行人车辆行驶时采集桥梁图像作为基础图像，并测量计算得到图像采集装置、变形监测点及参考点的空间坐标；

在桥梁上有行人或车辆行驶时，按照预设频率对桥梁进行图像采集，得到变形图像；

建立三维变形坐标系统O-XYZ，其中：

O为变形监测点，X轴代表桥梁走向的变形，向南为正，Y轴代表垂直于桥梁走向的变形，向东为正，Z轴代表桥梁的挠度变形，向上为正；

将桥梁上变形检测点与像平面平行的虚拟平面作为物平面，其中OM为物平面的竖直方向，向上为正，ON为物平面的水平方向，向南为正；

基于基础图像和变形图像数据，采用图像匹配-时间基线视差法计算得到变形监测点在物平面上的变形坐标；

采集桥梁走向方向与图像采集方向的夹角，基于此夹角将物平面水平方向ON轴上的值分解到所述三维变形坐标系水平面的OX和OY上，得到变形监测点的三维变形值；

根据变形监测点的三维变形值汇总处理得到变形监测点在X、Y、Z方向动态变形曲线图。

2.根据权利要求1所述的一种桥梁变形检测方法，其特征在于，所述对桥梁进行预分析，布置变形监测点具体包括：

根据桥梁主要承压构建，分析发生最大挠度变形的位置区域；

分析受力情况以及变形难易度；

将变形监测点设置在受力大、易发生形变处。

3.根据权利要求1所述的一种桥梁变形检测方法，其特征在于，所述像采集装置、变形监测点及参考点的空间坐标采用全站仪测量得到。

4.根据权利要求1所述的一种桥梁变形检测方法，其特征在于，所述图像采集装置为高清数码相机，所述高清数码相机上方设置有信号收发装置，下方设置有可调底座。

5.根据权利要求1所述的一种桥梁变形检测方法，其特征在于，所述方法还包括对变形监测点的三维变形值进行处理，分别得到在X、Y方向上的最大变形值和平均变形值，同时得到向上最大挠度以及向下最大挠度和平均挠度。

6.根据权利要求5所述的一种桥梁变形检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

对各变形监测点在沿桥梁走向和垂直于桥梁走向两个方向的变形走向进分析，若走向一致性在预设范围内，则判断桥梁组成构建见连接性正常。

7.根据权利要求1所述的一种桥梁变形检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于不同时间采集桥梁的基础图像或者该桥梁变形监测点图像，处理得到该桥梁的或者该桥梁变形监测点的轮廓线影像；

将不同时期获得的轮廓线影像进行透视重叠，形成桥梁的或者该桥梁变形监测点的叠差影像；

根据所述叠差影像获取同一轮廓线在不同时期的差值，从而获得桥梁不同时期的相对变形数据。

8.根据权利要求7所述的一种桥梁变形检测方法，其特征在于，所述方法还包括：将获得的桥梁变形监测点图像拼合形成桥梁表面的完整照片，利用完整照片获取桥梁表面数字化曲率面；按设定周期对同一桥梁表面获取数字化曲率面，获取不同时期桥梁表面结构数字化曲率面；将不同时期的数字化曲率面与首次获取的数字化曲率面进行比较。

9.根据权利要求8所述的一种桥梁变形检测方法，其特征在于，所述将获得的桥梁变形监测点图像拼合形成桥梁表面的完整照片采用基于边缘灰度特征匹配的图像拼接方法拼合而成。

10.一种桥梁变形检测系统，其特征在于，包括图像数据采集模块、空间位置采集模块、通信模块、数据处理模块和显示模块，

所述数据采集模块用于采集桥梁基础图像和变形图像；

所述空间位置采集模块用于采集图像采集装置、变形监测点及参考点的空间坐标；

所述通信模块用于接收数据采集模块和空间位置采集模块采集的数据并送入数据处理模块进行处理；

所述数据处理模块接收数据采集模块和空间位置采集模块采集的数据，并执行建立三维变形坐标系统O-XYZ，其中：

O为变形监测点，X轴代表桥梁走向的变形，向南为正，Y轴代表垂直于桥梁走向的变形，向东为正，Z轴代表桥梁的挠度变形，向上为正；

将桥梁上变形检测点与像平面平行的虚拟平面作为物平面，其中OM为物平面的竖直方向，向上为正，ON为物平面的水平方向，向南为正；

基于基础图像和变形图像数据，采用图像匹配-时间基线视差法计算得到变形监测点在物平面上的变形坐标；

采集桥梁走向方向与图像采集方向的夹角，基于此夹角将物平面水平方向ON轴上的值分解到所述三维变形坐标系水平面的OX和OY上，得到变形监测点的三维变形值；

根据变形监测点的三维变形值汇总处理得到变形监测点在X、Y、Z方向动态变形曲线图；

所述显示模块用于显示数据处理模块处理后的图像或数据。

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