CN112816120B - 一种索力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桥梁健康监测技术领域，具体涉及一种索力测量方法。该方法包括以下步骤：在每根待检索段上设置至少两个标记点，获取各个标记点的实时坐标；根据每根待检索段上标记点的实时坐标，拟合得到待检索段的实时曲线方程；根据实时曲线方程得到待检索段的实时实际长度，以得到待检索段的索力变化量。能够解决现有技术中基于振动频率法测量索力，拉索边界条件复杂，导致很难实现对索力的准确测量的问题。

Description

一种索力测量方法

技术领域

本发明涉及桥梁健康监测技术领域，具体涉及一种索力测量方法。

背景技术

对于跨江跨河跨峡谷的长大跨桥梁，斜拉桥和悬索桥无疑是其选择的主要桥梁结构类型，拉索(吊杆)作为细长受拉构件，无论在斜拉桥还是悬索桥中，都是桥梁主要构件之一，拉索(吊杆)的工作状态直接影响大跨桥梁的工作性能，掌握拉索(吊杆)的力学行为状态和规律，能有效降低大跨桥梁安全风险，减小安全事故发生概率，及时对桥梁进行安全监测。

传统的索力测量方法包括油压表法、压力传感器法、磁通量法和振动频率法。油压表测定法和压力传感器测定法一般适用于在建桥梁拉索张拉时的索力测定；磁通量法尽管在长期监测、非接触测量、传感器维护成本等方面有优势，但在初期费用投入、安装便利性等方面仍有待加强；振动频率法操作简单，应用较广，但此方法的理论基础是两端铰支的张紧弦，这与斜拉索实际边界条件、垂度和抗弯刚度等不符，在某些场合下其测量精度不高，且通常需要反复测试才能采集到满意的波形，数据采集过程较长。

已有的非接触式测量方法大多基于振动频率法，通过图像识别技术，获得拉索上某些点的时程曲线，通过数据处理得到拉索的振动频率，进而计算得到索力，然而由于实际工程中，拉索边界条件复杂，并非简单的两端铰支弦，所以很难实现对索力的准确测量。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种索力测量方法，现有技术中基于振动频率法测量索力，拉索边界条件复杂，导致很难实现对索力的准确测量的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

本发明提供一种索力测量方法，包括以下步骤：

在每根待检索段上设置至少两个标记点，获取各个标记点的实时坐标；

根据每根待检索段上标记点的实时坐标，拟合得到待检索段的实时曲线方程；

根据实时曲线方程得到待检索段的实时实际长度，以得到待检索段的索力变化量。

一些可选的实施例中，通过拍摄图像获取基于拍摄图像建立的坐标系中各个标记点的实时坐标，所述的根据实时曲线方程得到待检索段的实时实际长度，以得到待检索段的索力变化量，包括：

根据实时曲线方程得到每根待检索段在拍摄图像中的实时拍摄长度；

根据拍摄位置与待检索段之间的距离，确定待检索段的实时实际长度；

根据两次待检索段的实时实际长度的差值，确定待检索段的索力变化量。

一些可选的实施例中，根据公式

计算得到第n根待检索段在拍摄图像中的实时拍摄长度l_n；

其中，n为待检索段的序号，i为标记点的序号，f_n(x)为第n根待检索段的实时曲线方程，x_ni为第n根待检索段上第i个标记点在拍摄图像中的实时坐标。

一些可选的实施例中，根据公式

计算确定待检索段的实时实际长度L；

其中，f为相机焦距，D为拍摄位置到待检索段中心点的直线距离，待检索段在拍摄图像中的实时拍摄长度l。

一些可选的实施例中，根据公式

计算得到待检索段的索力变化量；

其中，ΔL为两次待检索段的实时实际长度L的差值，E为待检索段的弹性模量，A为待检索段的截面积。

一些可选的实施例中，所述的在每根待检索段上设置至少两个标记点，获取各个标记点的实时坐标，具体包括：

在每根待检索段上设置至少两个标记点，并拍摄图像；

对拍摄图像进行处理，得到拍摄图像中的标记点像素点，并确定标记点像素点的像素坐标；

将标记点像素点的像素坐标转化为物理坐标系中的实时坐标。

一些可选的实施例中，所述的对拍摄图像进行处理，得到拍摄图像中的标记点像素点，并确定标记点像素点的像素坐标，包括：

对拍摄图像进行高斯平滑滤波器卷积降噪，滤去拍摄图像中的高频噪声；

计算每个像素点的梯度幅值和梯度方向；

根据每个像素点的梯度幅值梯度和梯度方向，对拍摄图像进行非极大值抑制，排除非边缘像素，保留候选边缘像素点；

设定滞后阈值，从候选边缘像素点中确定拍摄图像中的标记点像素点；

通过逐行扫描得到标记点像素点的像素坐标。

一些可选的实施例中，所述的计算每个像素点的梯度幅值和梯度方向，具体包括：

根据公式

和

确定像素点的x和y两个方向的梯度G_x和G_y，其中，z₅表示该像素点的灰度值，z₁，z₂，z₃，z₄，z₆，z₇，z₈，z₉表示以该像素点为中心相邻前后左右九宫格位置的像素点灰度值；

根据公式

和

计算每个像素点的梯度幅值G和梯度方向θ。

一些可选的实施例中，所述的设定滞后阈值，从候选边缘像素点中确定拍摄图像中的标记点像素点，具体包括：

设定滞后阈值，包括低阈值和高阈值；

当候选边缘像素点中像素点的梯度幅值超过高阈值时，则确定该像素点为标记点像素点；

当候选边缘像素点中像素点的梯度幅值小于低阈值时，则确定该像素点为非标记点像素点；

当候选边缘像素点中像素点的梯度幅值大于低阈值小于高阈值时，则当该像素点与一个高于高阈值的像素点相邻时被确定为标记点像素点，否则确定该像素点被确定为非标记点像素点。

一些可选的实施例中，所述的将标记点像素点的像素坐标转化为物理坐标系中的实时坐标，具体包括：

以像素坐标系中的(u₀，v₀)为原点，建立物理坐标系；

根据公式

和

将像素坐标系中像素点的像素坐标(u，v)转化为物理坐标系中的坐标(x，y)，其中，dx和dy分别表示每个像素在横轴x和纵轴y的物理尺寸。

与现有技术相比，本发明的优点在于：首先在每根待检索段上设置至少两个标记点，获取各个标记点的实时坐标；再根据每根待检索段上标记点的实时坐标，拟合得到待检索段的实时曲线方程；然后根据实时曲线方程得到待检索段的实时实际长度，以得到待检索段的索力变化量。仅通过对标记点的拍摄图像进行处理，不必获取拉索的振动频率，就可实现对索力变化进行精确的监测。解决了现有技术中基于振动频率法测量索力，拉索边界条件复杂，导致很难实现对索力的准确测量的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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获得其他的附图。

图1为本发明实施例中索力测量方法的流程图；

图2为本发明实施例中标记点即摄像机布置示意图；

图3为本发明实施例中像素坐标系和物理坐标系建立示意图；

图4为本发明实施例中实时曲线方程求解示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种索力测量方法，包括：

S1：在每根待检索段上设置至少两个标记点，获取各个标记点的实时坐标。

如图2所示，在一些可选的实施例中，步骤S1具体包括以下步骤：

S11：在每根待检索段上设置至少两个标记点，并拍摄图像。

具体地，在每根待检索段上布置多个标记点，两标记点间距可根据相机与索距离适当调整，并按一定顺序对索进行编号S1～Sn，在与索面一定距离的位置架设一台高速摄像机，使其固定且可对待测索进行高速拍摄。

S12：对拍摄图像进行处理，得到拍摄图像中的标记点像素点，并确定标记点像素点的像素坐标。

步骤S12具体包括：

S121：对拍摄图像进行高斯平滑滤波器卷积降噪，滤去拍摄图像中的高频噪声。

S122：计算每个像素点的梯度幅值和梯度方向。

步骤S122具体包括：根据公式

和

确定像素点的x和y两个方向的梯度G_x和G_y；其中，z₅表示该像素点的灰度值，z₁，z₂，z₃，z₄，z₆，z₇，z₈，z₉表示以该像素点为中心相邻前后左右九宫格位置的像素点灰度值。

根据公式

和

计算每个像素点的梯度幅值G和梯度方向θ。

S123：根据每个像素点的梯度幅值梯度和梯度方向，对拍摄图像进行非极大值抑制，排除非边缘像素，保留候选边缘像素点；

S124：设定滞后阈值，从候选边缘像素点中确定拍摄图像中的标记点像素点。

步骤S124具体包括以下步骤：

设定滞后阈值，包括低阈值和高阈值。

当候选边缘像素点中像素点的梯度幅值超过高阈值时，则确定该像素点为标记点像素点；

当候选边缘像素点中像素点的梯度幅值小于低阈值时，则确定该像素点为非标记点像素点；

当候选边缘像素点中像素点的梯度幅值大于低阈值小于高阈值时，则当该像素点与一个高于高阈值的像素点相邻时被确定为标记点像素点，否则改点被确定为非标记点像素点。

S125：通过逐行扫描得到标记点像素点的像素坐标。

S13：将标记点像素点的像素坐标转化为物理坐标系中的实时坐标。

如图3所示，S13具体包括以下步骤：

S131：以像素坐标系中的(u₀，v₀)为原点，建立物理坐标系。

具体地，为了便于拍摄图像上的像素点和与它对应点的空间位置互相换算，图像坐标系普遍都建立在正片位置s中，图像坐标系分为图像像素坐标系UOV及图像物理坐标系XOY两种，他们的定义分别为：

①图像像素坐标系UOV。如下图(a)所示，它的原点设置在图像的左上角，U轴与X轴平行，V轴与Y轴平行。它是以像素为坐标单位的坐标系，u₁、v₁分别表示某像素点在图像中的列数及行数。

②图像物理坐标系UOV，如下图(b)所示，它的原点设置在光轴和成像平面的交点处(u₀，v₀)，X、Y轴分别和像素坐标系的u、v轴平行，一般以毫米为坐标单位。

可以认为图像像素坐标系和图像物理坐标系是坐标系平移和坐标单位变换。一般以图像像素坐标系的中点设置为图像物理坐标系的原点。

S132：根据公式

和

将像素坐标系中像素点的像素坐标(u，v)转化为物理坐标系中的坐标(x，y)，其中，dx和dy分别表示每个像素在横轴x和纵轴y的物理尺寸。

具体地，可将公式

和

转换为矩阵形式：

则由像素坐标得到物理坐标为：

根据上一步提取的标记点像素点的像素坐标，计算得到像素点在图像上的物理坐标。

如图4所示，S2：根据每根待检索段上标记点的实时坐标，拟合得到待检索段的实时曲线方程。

具体地，使用最小二乘法对每根待检索段上标记点的实时坐标进行二次多项式曲线拟合，得到每根待检索段的实时曲线方程，f_n(x)。

S3：根据实时曲线方程得到待检索段的实时实际长度，以得到待检索段的索力变化量。

具体地，通过拍摄图像获取基于拍摄图像建立的坐标系中各个标记点的实时坐标，所述的根据实时曲线方程得到待检索段的实时实际长度，以得到待检索段的索力变化量，包括：

S31：根据实时曲线方程得到每根待检索段在拍摄图像中的实时拍摄长度。

具体地，根据公式

计算得到第n根待检索段在拍摄图像中的实时拍摄长度l_n；

其中，n为待检索段的序号，i为标记点的序号，f_n(x)为第n根待检索段的实时曲线方程，x_ni为第n根待检索段上第i个标记点在拍摄图像中的实时坐标。

S32：根据拍摄位置到待检索段的距离，确定待检索段的实时实际长度。

具体地，根据公式

计算确定待检索段的实时实际长度L；

其中，f为相机焦距，D为拍摄位置到待检索段中心点的直线距离，待检索段在拍摄图像中的实时拍摄长度l。

S33：根据两次待检索段的实时实际长度的差值，确定待检索段的索力变化量。

具体地，根据公式

计算得到待检索段的索力变化量；

其中，ΔL为两次待检索段的实时实际长度L的差值，E为待检索段的弹性模量，A为待检索段的截面积。

综上所示，该索力测量方法首先在每根待检索段上设置至少两个标记点，通过摄像机获取各个标记点的拍摄图像。根据拍摄对拍摄图像进行处理，得到拍摄图像中的标记点像素点。通过逐行扫描得到标记点像素点在像素坐标系中的像素坐标。再将像素坐标系中的像素坐标转化为物理坐标系中的物理坐标，即实时坐标。根据每根待检索段上标记点的实时坐标，拟合得到待检索段的实时曲线方程；然后根据实时曲线方程得到待检索段的实时实际长度，以得到待检索段的索力变化量。仅通过对标记点的拍摄图像进行处理，不必获取拉索的振动频率，就可实现对索力变化进行精确的监测。解决了现有技术中基于振动频率法测量索力，拉索边界条件复杂，导致很难实现对索力的准确测量的问题。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。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申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种索力测量方法，其特征在于，包括：

在每根待检索段上设置至少两个标记点，获取各个标记点的实时坐标，通过拍摄图像获取基于拍摄图像建立的坐标系中各个标记点的实时坐标；

根据每根待检索段上标记点的实时坐标，拟合得到待检索段的实时曲线方程；

根据实时曲线方程得到待检索段的实时实际长度，以得到待检索段的索力变化量，包括：

根据实时曲线方程得到每根待检索段在拍摄图像中的实时拍摄长度；具体地，根据公式

计算得到第n根待检索段在拍摄图像中的实时拍摄长度l_n；其中，n为待检索段的序号，i为标记点的序号，f_n(x)为第n根待检索段的实时曲线方程，x_ni为第n根待检索段上第i个标记点在拍摄图像中的实时坐标；

根据拍摄位置与待检索段之间的距离，确定待检索段的实时实际长度；根据公式

计算确定待检索段的实时实际长度L；其中，f为相机焦距，D为拍摄位置到待检索段中心点的直线距离，待检索段在拍摄图像中的实时拍摄长度l；

根据两次待检索段的实时实际长度的差值，确定待检索段的索力变化量。

2.如权利要求1所述的索力测量方法，其特征在于：

根据公式

计算得到待检索段的索力变化量；

其中，ΔL为两次待检索段的实时实际长度L的差值，E为待检索段的弹性模量，A为待检索段的截面积。

3.如权利要求1所述的索力测量方法，其特征在于：所述的在每根待检索段上设置至少两个标记点，获取各个标记点的实时坐标，具体包括：

在每根待检索段上设置至少两个标记点，并拍摄图像；

对拍摄图像进行处理，得到拍摄图像中的标记点像素点，并确定标记点像素点的像素坐标；

将标记点像素点的像素坐标转化为物理坐标系中的实时坐标。

4.如权利要求3所述的索力测量方法，其特征在于：所述的对拍摄图像进行处理，得到拍摄图像中的标记点像素点，并确定标记点像素点的像素坐标，包括：

对拍摄图像进行高斯平滑滤波器卷积降噪，滤去拍摄图像中的高频噪声；

计算每个像素点的梯度幅值和梯度方向；

根据每个像素点的梯度幅值梯度和梯度方向，对拍摄图像进行非极大值抑制，排除非边缘像素，保留候选边缘像素点；

设定滞后阈值，从候选边缘像素点中确定拍摄图像中的标记点像素点；

通过逐行扫描得到标记点像素点的像素坐标。

5.如权利要求4所述的索力测量方法，其特征在于：所述的计算每个像素点的梯度幅值和梯度方向，具体包括：

根据公式

和

确定像素点的x和y两个方向的梯度G_x和G_y，其中，z₅表示该像素点的灰度值，z₁，z₂，z₃，z₄，z₆，z₇，z₈，z₉表示以该像素点为中心相邻前后左右九宫格位置的像素点灰度值；

根据公式

和

计算每个像素点的梯度幅值G和梯度方向θ。

6.如权利要求5所述的索力测量方法，其特征在于：所述的设定滞后阈值，从候选边缘像素点中确定拍摄图像中的标记点像素点，具体包括：

设定滞后阈值，包括低阈值和高阈值；

当候选边缘像素点中像素点的梯度幅值超过高阈值时，则确定该像素点为标记点像素点；

当候选边缘像素点中像素点的梯度幅值小于低阈值时，则确定该像素点为非标记点像素点；

当候选边缘像素点中像素点的梯度幅值大于低阈值小于高阈值时，则当该像素点与一个高于高阈值的像素点相邻时被确定为标记点像素点，否则该像素点被确定为非标记点像素点。

7.如权利要求6所述的索力测量方法，其特征在于：所述的将标记点像素点的像素坐标转化为物理坐标系中的实时坐标，具体包括：

以像素坐标系中的(u₀，v₀)为原点，建立物理坐标系；

根据公式

和

将像素坐标系中像素点的像素坐标(u，v)转化为物理坐标系中的坐标(x，y)，其中，dx和dy分别表示每个像素在横轴x和纵轴y的物理尺寸。

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