CN112461147A - 一种基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法及系统 - Google Patents

一种基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法及系统 Download PDF

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涂伟
高文武
张德津
陈智鹏
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Abstract

本发明公开了一种基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法及系统，其中，方法包括步骤：在桥梁的两个相对稳定点分别安装高分辨率相机和基准靶标，在桥梁上位于所述高分辨率相机和所述基准靶标之间的位置安装若干个测量靶标，形成用于测量所述测量靶标动态形变值的视觉测量线阵；在桥梁上组装多个所述视觉测量线阵，构建桥梁动态形变值精密视觉测量阵列；根据桥梁动态形变值精密视觉测量阵列收集预定时段的桥梁动态形变值，利用空间插值方法，重建桥梁连续精密形变场，获取桥梁上任意位置处的形变值。本发明实现了面状的桥梁动态形变精密测量，显著提升了桥梁动态形变的精密测量的空间覆盖水平；可根据长周期桥梁形变历史值进行预警，支撑桥梁的安全运营。

Description

一种基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法及系统
技术领域
本发明涉及桥梁形变监测领域，特别涉及一种基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法及系统。
背景技术
桥梁是为道路跨越天然或人工障碍物而修建的建筑物。在高密度城市中心区、滨海区域和山区，通过修建桥梁可提供高效便捷的出行服务。受风、温度、地震、通行车辆的影响，桥梁部件会不断发生形变，例如：桥面的上下起伏、桥墩的微弱晃动等。桥梁严重形变时会破坏桥梁结构，导致失去通行服务能力。因此，桥梁连续动态形变监测对于保障其通行能力具有重要的作用。
传统的桥梁形变监测方法通常利用百分表、千分表、水准仪、经纬仪等，在桥梁运维期间通过定期测量，获得某个测量位置处的桥梁形变值，通常需要专业测量人员进行作业，费时、费力，无法实现在线、实时、自动、智能的桥梁动态形变测量。
近年来，传感器技术的蓬勃发展给桥梁形变测量带来了新机遇，涌现了许多新技术和新方法。在桥墩处安装卫星导航定位系统接收机，可以高精度测量桥墩的晃动，但是费用高昂。激光挠度计法能够实现亚毫米的位移测量，但是量程较小，仅能达到数十厘米，无法满足大跨度桥梁的连续动态形变监测。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法及系统，旨在解决现有技术无法实现大型桥梁的全覆盖连续测量的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其中，包括步骤：
在桥梁的两个相对稳定点分别安装高分辨率相机和基准靶标，在桥梁上位于所述高分辨率相机和所述基准靶标之间的位置安装若干个测量靶标，形成用于测量所述测量靶标动态形变值的视觉测量线阵；
在桥梁上组装多个所述视觉测量线阵，构建桥梁动态形变值精密视觉测量阵列；
根据所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列收集预定时段的桥梁动态形变值，利用空间插值方法，重建桥梁连续精密形变场，获取桥梁上任意位置处的形变值。
所述基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其中，所述测量靶标位于以高分辨相机为圆心，以高分辨率相机与基准靶标连线为轴线而组成的扇形区域内，且所述测量靶标不能挡住所述基准靶标。
所述基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其中，所述视觉测量线阵测量所述测量靶标动态形变值的公式为：Δh＝(x1d1-x0d0)/f，其中，x1，x0分别是测量靶标和基准靶标的CCD光敏元到中心光线的距离，d1，d0是测量靶标和基准靶标到高分辨率相机镜头中心的空间距离，f是高分辨率相机焦距。
所述基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其中，在桥梁的一个稳定点安装高分辨率相机a，在另一个稳定点安装高分辨率相机b，使两个高分辨率相机对向观测。
所述基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其中，测量所述测量靶标的形变值计算公式为：Δh'＝(Δha+Δhb)/2，其中，Δha,Δhb分别是高分辨率相机a,b所观测到的形变值。
所述基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其中，所述稳定点为桥梁下方的横梁、桥墩或基台。
所述基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其中，所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列为邻接矩形状或格网状。
所述基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其中，根据所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列收集预定时段的桥梁动态形变值，利用空间插值方法，重建桥梁连续精密形变场，获取桥梁上任意位置处的形变值的步骤包括：
收集预定时段的桥梁动态变形值，构建桥梁动态形变数据集；
针对任意位置处z,从所述桥梁动态形变数据集中搜索其前k个最近的已监测点p1,p2,…,pk，相应的形变值为h1,h2,…,hk；
计算z到前k个最近监测点的欧式距离
Figure BDA0002727407220000021
计算对应的权重：
Figure BDA0002727407220000022
进行加权求和，计算z处的形变值：hz＝∑i＝1，..，kwihi。
一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现本发明根据所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列收集预定时段的桥梁动态形变值，利用空间插值方法，重建桥梁连续精密形变场，获取桥梁上任意位置处的形变值中的步骤。
一种基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测系统，其中，包括桥梁动态形变值精密视觉测量阵列以及服务器，所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列由多个组装在所述桥梁上的视觉测量线阵组成，所述视觉测量线阵包括分别安装在桥梁的两个相对稳定点的高分辨率相机和基准靶标，以及安装在所述桥梁上位于所述高分辨率相机和所述基准靶标之间若干个测量靶标；所述服务器用于根据所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列收集预定时段的桥梁动态形变值，利用空间插值方法，重建桥梁连续精密形变场，获取桥梁上任意位置处的形变值。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法通过在桥梁在位移和变形可忽略的区域(两个相对稳定点)安装高分辨率相机和基准靶标，在待检测处安装测量靶标，精密测量待检测处的形变值；通过在若干位置处同时安装高分辨率相机和基准靶标，构建桥梁动态形变值精密视觉测量阵列，并进行多相机同步观测控制，同时测量多点处的动态形变值；最后利用空间插值方法重建空白区域的形变值，从而实现面状的桥梁动态形变精密测量，显著提升了桥梁动态形变的精密测量的空间覆盖水平。本发明可根据长周期桥梁形变历史值进行预警，支撑桥梁的安全运营。
附图说明
图1为本发明一种基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明视觉测量线阵的安装后结构示意图。
图3为本发明桥梁动态形变值精密视觉测量阵列的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面结合附图，通过对实施例的描述，对发明内容作进一步说明。
研究发现，基于计算机视觉进行桥梁形变的监测方法，在待监测处安装有CCD像机，使得靶标成像在CCD光敏元上，实时获得的靶标图像在光敏元上的位置，计算得到桥梁待测点上的动态位移，这种方法能够获得大型桥梁上特定位置处的动态形变，但是由于测量点位单一，无法实现大型桥梁的全覆盖连续测量。
基于此，本发明提供了一种基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，如图1所示，其包括步骤：
S10、在桥梁的两个相对稳定点分别安装高分辨率相机和基准靶标，在桥梁上位于所述高分辨率相机和所述基准靶标之间的位置安装若干个测量靶标，形成用于测量所述测量靶标动态形变值的视觉测量线阵；
S20、在桥梁上组装多个所述视觉测量线阵，构建桥梁动态形变值精密视觉测量阵列；
S30、根据所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列收集预定时段的桥梁动态形变值，利用空间插值方法，重建桥梁连续精密形变场，获取桥梁上任意位置处的形变值。
在本实施例中，通过在桥梁在两个相对稳定点(位移和变形可忽略的区域)分别安装高分辨率相机和基准靶标，在待检测处安装测量靶标，精密测量待检测处的形变值；通过在若干位置处同时安装高分辨率相机和基准靶标，构建桥梁动态形变值精密视觉测量阵列，并进行多相机同步观测控制，同时测量多点处的动态形变值；最后利用空间插值方法重建空白区域的形变值，从而实现面状的桥梁动态形变精密测量，显著提升了桥梁动态形变的精密测量的空间覆盖水平。本发明可根据长周期桥梁形变历史值进行预警，支撑桥梁的安全运营。
在一些实施方式中，如图2所示，在桥梁或其附属设施上选择两个相对稳定点分别安装高分辨率相机和基准靶标，所述相对稳定点是指位移和变形可忽略的区域，例如桥梁下方的横梁、桥墩或基台，但不限于此，所述两个相对稳定点相距预定的距离，例如，5米、10米、20米、30米、40米50米、100米等。如图2所示，在所述高分辨率相机和基准靶标之间选择若干待测量处，在待测量出安装测量靶标。需要注意的是：所述测量靶标需要位于以所述高分辨率相机为圆心，以高分辨率相机与基准靶标之间的连线为轴线而组成的扇形区域内，所述测量靶点相对集中在所述轴线附近区域，其所述测量靶标不能挡住所述基准靶标。
在本实施例中，所述高分辨率相机用于观测基准靶标和所述测量靶标，所述基准靶标和所述高分辨率相机构成位移基准线，所述测量靶标和所述高分辨率相机构成位移观测线，则所述待测量处的动态形变值计算公式为：Δh＝(x1d1-x0d0)/f，其中，x1，x0分别是测量靶标和基准靶标的CCD光敏元到中心光线的距离，d1，d0是测量靶标和基准靶标到高分辨率相机镜头中心的空间距离，f是高分辨率相机焦距。
在一些实施方式中，为了进一步提高桥梁形变值的测量精度，在所述两个相对稳定点同位安装所述高分辨率相机和基准靶标，也就是说，在所述桥梁上安装有高分辨率相机a的一个稳定点处再安装一个基准靶标，在安装有基准靶标的另一个稳定点处再安装一个高分辨率相机b，使两个高分辨率相机对向观测，可以提高观测的重复性。此时，测量所述测量靶标的形变值计算公式为：Δh'＝(Δha+Δhb)/2，其中，Δha,Δhb分别是高分辨率相机a,b所观测到的形变值。
在一些实施方式中，在桥梁上组装多个所述视觉测量线阵，构建桥梁动态形变值精密视觉测量阵列。具体来讲，如图3所示，根据桥梁的结构特点，在所述桥梁的下方横梁上安装多组视觉测量线阵，建立桥梁动态形变值精密视觉测量阵列，根据桥梁动态形变观测的需要，所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列可以布局成邻接矩形状或格网状，所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列不限于所列举的线状、田字状，可以通过空间上同位的高分辨率相机和基准靶标，构建其他复杂形状的视觉测量阵列。
在本实施中，所述高分辨率相机可集成5G网络进行数据传输，当进行多个高分辨率相机进行同步观测桥梁形变时，可输出桥梁实时动态形变值，共包括4个字段：x,y,Δh,t,其中x,y表示待测位置处的横、纵坐标，t为测量时刻。
在一些实施方式中，根据所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列收集预定时段的桥梁动态形变值，利用空间插值方法，重建桥梁连续精密形变场，获取桥梁上任意位置处的形变值。
具体来讲，将桥梁的下桥面划分成N*M的格网，不失一般性，格网大小设置为1米，根据所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列收集预定时段的桥梁动态形变值，构建构建桥梁动态形变数据集；再利用反距离空间插值模型进行插值，估计未布设测量靶标格网处的形变值。作为举例，针对任意位置处z,从所述桥梁动态形变数据集中搜索其前k个最近的已监测点p1,p2,…,pk，相应的形变值为h1,h2,…,hk；计算z到前k个最近监测点的欧式距离
Figure BDA0002727407220000051
进一步地，计算对应的权重：
Figure BDA0002727407220000052
最后，进行加权求和，计算z处的形变值：hz＝∑i＝1，..，kwihi。
本实施例通过重建桥梁连续精密形变场能够获取桥梁上任意位置处的形变值，从而实现面状的桥梁动态形变精密测量，显著提升了桥梁动态形变的精密测量的空间覆盖水平。
在一些实施方式中，基于桥梁动态形变值历史数据，进行异常探测，可实时发现桥梁动态形变异常值，并进行及时预警。具体来讲，针对每个位置处的预定时段的桥梁动态形变值Δh，统计获取其分布曲线F(Δh)；设定动态形变异常探测阈值，首先确定显著性水平α1,α2,α3,分别设置其值为0.01、0.005、0.001。根据统计分布F(Δh)，计算相应的动态形变异常探测阈值H1,H2,H3。针对实时动态形变监测，若当前形变值Δh超过阈值H1,H2或H3，则进行形变超限预警。
在一些实施方式中，还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现本发明根据所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列收集预定时段的桥梁动态形变值，利用空间插值方法，重建桥梁连续精密形变场，获取桥梁上任意位置处的形变值中的步骤。
在一些实施方式中，还提供一种基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测系统，其中，包括桥梁动态形变值精密视觉测量阵列以及服务器，所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列由多个组装在所述桥梁上的视觉测量线阵组成，所述视觉测量线阵包括分别安装在桥梁的两个相对稳定点的高分辨率相机和基准靶标，以及安装在所述桥梁上位于所述高分辨率相机和所述基准靶标之间若干个测量靶标；所述服务器用于根据所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列收集预定时段的桥梁动态形变值，利用空间插值方法，重建桥梁连续精密形变场，获取桥梁上任意位置处的形变值。
本实施例提供的桥梁动态形变监测系统可实现面状的桥梁动态形变精密测量，显著提升了桥梁动态形变的精密测量的空间覆盖水平。
综上所述，本发明提供的基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法通过在桥梁在位移和变形可忽略的区域(两个相对稳定点)安装高分辨率相机和基准靶标，在待检测处安装测量靶标，精密测量待检测处的形变值；通过在若干位置处同时安装高分辨率相机和基准靶标，构建桥梁动态形变值精密视觉测量阵列，并进行多相机同步观测控制，同时测量多点处的动态形变值；最后利用空间插值方法重建空白区域的形变值，从而实现面状的桥梁动态形变精密测量，显著提升了桥梁动态形变的精密测量的空间覆盖水平。本发明利用多个高分辨相机、基准靶标和测量靶标，可实现测量桥梁上的多测点动态形变值；本发明基于精密视觉测量阵列，利用空间插值方法，重建高精度的桥梁形变曲面，能够弥补点状桥梁形变监测的缺陷；本发明利用不同位置处的桥梁动态形变分布，自适应发现多级桥梁异常形变，能够克服不同桥梁结构之间的差异性，从而实现根据长周期桥梁形变历史值进行预警，支撑桥梁的安全运营。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其特征在于，包括步骤：
在桥梁的两个相对稳定点分别安装高分辨率相机和基准靶标，在桥梁上位于所述高分辨率相机和所述基准靶标之间的位置安装若干个测量靶标，形成用于测量所述测量靶标动态形变值的视觉测量线阵；
在桥梁上组装多个所述视觉测量线阵，构建桥梁动态形变值精密视觉测量阵列；
根据所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列收集预定时段的桥梁动态形变值，利用空间插值方法，重建桥梁连续精密形变场，获取桥梁上任意位置处的形变值。
2.根据权利要求1所述基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其特征在于，所述测量靶标位于以高分辨相机为圆心，以高分辨率相机与基准靶标连线为轴线而组成的扇形区域内，且所述测量靶标不能挡住所述基准靶标。
3.根据权利要求1所述基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其特征在于，所述视觉测量线阵测量所述测量靶标动态形变值的公式为：Δh＝(x1d1-x0d0)/f，其中，x1，x0分别是测量靶标和基准靶标的CCD光敏元到中心光线的距离，d1，d0是测量靶标和基准靶标到高分辨率相机镜头中心的空间距离，f是高分辨率相机焦距。
4.根据权利要求1所述基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其特征在于，在桥梁的一个稳定点安装高分辨率相机a，在另一个稳定点安装高分辨率相机b，使两个高分辨率相机对向观测。
5.根据权利要求4所述基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其特征在于，测量所述测量靶标的形变值计算公式为：Δh'＝(Δha+Δhb)/2，其中，Δha,Δhb分别是高分辨率相机a,b所观测到的形变值。
6.根据权利要求1所述基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其特征在于，所述稳定点为桥梁下方的横梁、桥墩或基台。
7.根据权利要求1所述基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其特征在于，所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列为邻接矩形状或格网状。
8.根据权利要求1所述基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测方法，其特征在于，根据所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列收集预定时段的桥梁动态形变值，利用空间插值方法，重建桥梁连续精密形变场，获取桥梁上任意位置处的形变值的步骤包括：
收集预定时段的桥梁动态变形值，构建桥梁动态形变数据集；
针对任意位置处z,从所述桥梁动态形变数据集中搜索其前k个最近的已监测点p1,p2,…,pk，相应的形变值为h1,h2,…,hk；
计算z到前k个最近监测点的欧式距离
Figure FDA0002727407210000021
计算对应的权重：
Figure FDA0002727407210000022
进行加权求和，计算z处的形变值：hz＝∑i＝1，..，kwihi。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现本发明根据所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列收集预定时段的桥梁动态形变值，利用空间插值方法，重建桥梁连续精密形变场，获取桥梁上任意位置处的形变值中的步骤。
10.一种基于视觉测量技术的桥梁动态形变监测系统，其特征在于，包括桥梁动态形变值精密视觉测量阵列以及服务器，所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列由多个组装在所述桥梁上的视觉测量线阵组成，所述视觉测量线阵包括分别安装在桥梁的两个相对稳定点的高分辨率相机和基准靶标，以及安装在所述桥梁上位于所述高分辨率相机和所述基准靶标之间若干个测量靶标；所述服务器用于根据所述桥梁动态形变值精密视觉测量阵列收集预定时段的桥梁动态形变值，利用空间插值方法，重建桥梁连续精密形变场，获取桥梁上任意位置处的形变值。
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