CN113066175A - 一种桥梁防撞墙病害数据采集建模系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于桥梁监测技术领域，具体涉及一种桥梁防撞墙病害数据采集建模系统及方法。一种桥梁防撞墙病害数据采集建模系统，包括三维影像采集装置，三维影像采集装置包括内侧相机、顶面相机和外侧相机；还包括影像建模系统，内侧相机、顶面相机和外侧相机分别与影像建模系统电连接，影像建模系统用于生成三维模型。一种桥梁防撞墙病害数据采集建模方法，包括如下步骤：S1：内侧相机、顶面相机和外侧相机采集防撞墙的三面影像；S2：影像预处理；S3：数据导入和空三计算；S4：构建TIN模型；S5：纹理映射。本发明提供了一种可采集防撞墙三面影像并通过影像建模系统生成三维模型的桥梁防撞墙病害数据采集建模系统及方法。
Description
技术领域
本发明属于桥梁监测技术领域，具体涉及一种桥梁防撞墙病害数据采集建模系统及方法。
背景技术
桥梁防撞墙作为桥梁的附属结构物，它不仅是重要的安全防护物，而且其线型和表面光洁度也直接影响到桥梁的美观和质量。由于防撞墙直接暴露于自然环境中，受酸、碱、特别是盐融雪剂等有害物质的侵蚀、中性化、冻融破坏，往往几年间就会发生裂纹、混凝土剥落露筋等病害，影响防撞墙的使用寿命和外观环境，严重时造成防撞墙钢筋的严重锈蚀，会削弱防撞墙的安全性能，形成安全隐患，因此桥梁运营管理单位需定期对防撞墙进行维修保养。在对防撞墙进行维修保养前，需对其存在的病害进行数据采集，为维修保养提供数据支撑。
目前，我国大部分桥梁防撞墙病害的数据采集工作都采用人工采集。这种人工采集的方式有以下几点不足：第一、采集效率低下，成本较高，不经济；第二、采集过程往往受到作业人员个人主观素质(如操作水平、责任心等)的影响，采集的影像资料不准确、不全面；第三、人工采集通常以图片和影像的形式留存，信息相对零碎，不便于后期查阅；第四、防撞墙外侧病害数据采集时，高处作业危险性较大，安全隐患高。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种可采集防撞墙三面影像并通过影像建模系统生成三维模型的桥梁防撞墙病害数据采集建模系统及方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种桥梁防撞墙病害数据采集建模系统，包括三维影像采集装置，三维影像采集装置包括位于防撞墙内侧的内侧相机、位于防撞墙上侧的顶面相机和位于防撞墙外侧的外侧相机；还包括影像建模系统，内侧相机、顶面相机和外侧相机分别与影像建模系统电连接，影像建模系统用于生成三维模型。
内侧相机位于防撞墙内侧，顶面相机位于防撞墙上方，外侧相机位于防撞墙外侧，从而防撞墙的三面均能被拍摄，避免了人工操作时拍摄不方便的情况。在三面拍摄的情况下，影像建模系统可根据三面影像生成三维模型，采集数据以具有空间几何信息和表面纹理信息的三维模型形式表达，可为病害的整治提供有效的数据支撑。
作为本发明的优选方案，所述三维影像采集装置还包括底座，底座上连接有内立杆，内立杆的另一端连接有横杆，横杆的另一端连接有外立杆，内侧相机安装于内立杆上，顶面相机安装于横杆上，外侧相机安装于外立杆上。内立杆位于防撞墙内侧，横杆位于防撞墙上方，外立杆位于防撞墙外侧，从而内侧相机、顶面相机和外侧相机均在安装到确定位置，方便对防撞墙各侧进行影像采集。
作为本发明的优选方案，所述底座的底部安装有滚轮，底座上安装有驱动机构，驱动机构的输出轴与其中一个滚轮的转轴连接。在进行影像采集的过程中，驱动机构驱动底座移动，从而内侧相机、顶明相机和外侧相机能在移动的过程中对防撞墙进行连续拍照，从而防撞墙各处的影像信息均能被采集。
作为本发明的优选方案，所述驱动机构包括电机，电机的输出轴连接有减速器，减速器的输出轴与滚轮的转轴连接，电机和减速器安装于底座上。电机驱动减速器动作，减速器驱动滚轮转动，从而底座能沿着防撞墙移动。
作为本发明的优选方案，所述内立杆包括套杆，套杆连接于套杆上，套杆内套设有升降杆，套杆与升降杆通过螺钉锁紧，横杆与升降杆连接。根据防撞墙的高度，可将内立杆的高度进行调整，避免横杆与防撞墙的顶部干涉。调整时，将升降杆从套杆内拉动到确定位置，再用螺钉将套杆与升降杆锁紧。
作为本发明的优选方案，所述内立杆、横杆和外立杆上均设置有滑轨，内侧相机套设于内立杆的滑轨上并通过螺钉锁定，顶面相机套设于横杆的滑轨上并通过螺钉锁定，外侧相机套设于外立杆的滑轨上并通过螺钉锁定。内侧相机、顶面相机和外侧相机均可在相应滑轨上移动，从而各相机的位置均能准确调节，保证相机能拍摄防撞墙该面的完整画面。
一种桥梁防撞墙病害数据采集建模方法，包括如下步骤：
S1：内侧相机、顶面相机和外侧相机采集防撞墙的三面影像；
S2：影像预处理：对采集的影像进行预处理主要包括影像畸变校正和影像匀光匀色处理；
S3：数据导入和空三计算：导入影像数据，再进行空三计算；其中，空三计算包括影像特征匹配、多视影像联合平差、密集匹配，最终生成高密度的三维点云模型；
S4：构建TIN模型：通过密集匹配后生成的密集点云数据构建不同层次细节的不规则三维网格模型，三维网格模型经过封装处理得到三维白模模型；
S5：纹理映射：根据白模模型空间形状位置在影像数据中挑选相对应的二维影像信息进行纹理贴合。
作为本发明的优选方案，在步骤S1中，内侧相机、顶面相机和外侧相机沿着防撞墙移动，并持续采集三面影像。
作为本发明的优选方案，在步骤S1中，相邻相机拍摄到的影像间重叠度不小于60％。影像建模过程中，重叠度起着决定性作用。较高的重叠度可以降低影像匹配难度，提高多余观测及成果精度，还可以为构筑物侧面提供细节纹理。所谓的重叠度是指相邻两张影像的地面重叠部分与单张像片幅面的比值。
作为本发明的优选方案，步骤S3中，所述密集匹配指在影像外方位元素已知的情况下，利用前方交会在两张影像之间获得更多的物点空间三维坐标。
本发明的有益效果为：
本发明的内侧相机位于防撞墙内侧，顶面相机位于防撞墙上方，外侧相机位于防撞墙外侧，从而防撞墙的三面均能被拍摄，避免了人工操作时拍摄不方便的情况。在三面拍摄的情况下，影像建模系统可根据三面影像生成三维模型，采集数据以具有空间几何信息和表面纹理信息的三维模型形式表达，可为病害的整治提供有效的数据支撑。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的方法流程图。
图中，1-防撞墙；2-内侧相机；3-顶面相机；4-外侧相机；5-底座；6-内立杆；7-横杆；8-外立杆；9-驱动机构；51-滚轮；61-套杆；62-升降杆；91-电机；92-减速器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本实施例的桥梁防撞墙病害数据采集建模系统，包括三维影像采集装置，三维影像采集装置包括位于防撞墙1内侧的内侧相机2、位于防撞墙1上侧的顶面相机3和位于防撞墙1外侧的外侧相机4；还包括影像建模系统，内侧相机2、顶面相机3和外侧相机4分别与影像建模系统电连接，影像建模系统用于生成三维模型。
影像建模是指通过已经校正的量测或非量测数码相机对测量物体目标进行影像采集，并利用摄影测量基础理论知识和相关的软、硬件，还原物体原有的表面形态的一种技术方法。影像建模在数据采集过程中不与被量测物体接触，是一种非接触式的测量技术，然后将采集的影像信息导入专业的解析软件中，最终解算出影像中所有点的三维空间坐标和其他信息。通过将防撞墙1的影像数据以具有空间几何信息和表面纹理信息的三维模型形式表达，可为病害的整治提供有效的数据支撑。
内侧相机2位于防撞墙1内侧，顶面相机3位于防撞墙1上方，外侧相机4位于防撞墙1外侧，从而防撞墙1的三面均能被拍摄，避免了人工操作时拍摄不方便的情况。在三面拍摄的情况下，影像建模系统可根据三面影像生成三维模型，采集数据以具有空间几何信息和表面纹理信息的三维模型形式表达，可为病害的整治提供有效的数据支撑。
本发明的系统结构简单，稳定可靠，可操作性强。其施工方法操作简单，一次获取三个面的数据，采集效率显著提升。本发明避免了人工采集高处作业的安全风险，安全效果显著。本发明使得人工成本大大降低，节约资金。
其中，所述三维影像采集装置还包括底座5，底座5上连接有内立杆6，内立杆6的另一端连接有横杆7，横杆7的另一端连接有外立杆8，内侧相机2安装于内立杆6上，顶面相机3安装于横杆7上，外侧相机4安装于外立杆8上。内立杆6位于防撞墙1内侧，横杆7位于防撞墙1上方，外立杆8位于防撞墙1外侧，从而内侧相机2、顶面相机3和外侧相机4均在安装到确定位置，方便对防撞墙1各侧进行影像采集。
为了方便控制本发明的系统沿防撞墙1自动移动，所述底座5的底部安装有滚轮51，底座5上安装有驱动机构9，驱动机构9的输出轴与其中一个滚轮51的转轴连接。在进行影像采集的过程中，驱动机构9驱动底座5移动，从而内侧相机2、顶明相机和外侧相机4能在移动的过程中对防撞墙1进行连续拍照，从而防撞墙1各处的影像信息均能被采集。
其中，所述驱动机构9包括电机91，电机91的输出轴连接有减速器92，减速器92的输出轴与滚轮51的转轴连接，电机91和减速器92安装于底座5上。电机91驱动减速器92动作，减速器92驱动滚轮51转动，从而底座5能沿着防撞墙1移动。
为了方便调节横杆7的高度，所述内立杆6包括套杆61，套杆61连接于套杆61上，套杆61内套设有升降杆62，套杆61与升降杆62通过螺钉锁紧，横杆7与升降杆62连接。根据防撞墙1的高度，可将内立杆6的高度进行调整，避免横杆7与防撞墙1的顶部干涉。调整时，将升降杆62从套杆61内拉动到确定位置，再用螺钉将套杆61与升降杆62锁紧。
为了方便调节各相机的位置，所述内立杆6、横杆7和外立杆8上均设置有滑轨，内侧相机2套设于内立杆6的滑轨上并通过螺钉锁定，顶面相机3套设于横杆7的滑轨上并通过螺钉锁定，外侧相机4套设于外立杆8的滑轨上并通过螺钉锁定。内侧相机2、顶面相机3和外侧相机4均可在相应滑轨上移动，从而各相机的位置均能准确调节，保证相机能拍摄防撞墙1该面的完整画面。
如图2所示，一种桥梁防撞墙病害数据采集建模方法，包括如下步骤：
S1：内侧相机2、顶面相机3和外侧相机4采集防撞墙1的三面影像；内侧相机2、顶面相机3和外侧相机4沿着防撞墙1移动，并持续采集三面影像；相邻相机拍摄到的影像间重叠度不小于60％。
相邻相机拍摄到的影像间重叠度不小于60％。影像建模过程中，重叠度起着决定性作用。较高的重叠度可以降低影像匹配难度，提高多余观测及成果精度，还可以为构筑物侧面提供细节纹理。所谓的重叠度是指相邻两张影像的地面重叠部分与单张像片幅面的比值。
S2：影像预处理：数据采集装置采集预制构件影像数据的设备为微单相机，微单相机为非量测数码相机存在加工误差和装配误差，采集的影像信息时会存在着一定的几何变形，会影响到后期建模空三计算的精度，因此在利用影像建模技术建立构件模型之前，需要对采集的影像数据进行预处理，对采集的影像进行预处理主要包括影像畸变校正和影像匀光匀色处理。
S3：数据导入和空三计算：在导入影像数据之后，开始进行空三计算，空三计算一般包括影像特征匹配、多视影像联合平差、密集匹配等流程，最终生成高密度的三维点云模型。空中三角测量简称空三计算，是倾斜摄影测量中十分重要的技术步骤。空中三角测量是基于摄影测量学的理论利用影像数据与对应拍摄物体间关系结合控制点坐标，解算出影像的外方位元素和加密点的过程。
在影像匹配和联合平差完成后，得到了影像之间的稀疏特征点和影像的外方位元素，凭借这些稀疏特征点是无法构成建立三维点云模型所需要的的信息。因此必须要进行影像之间的密集匹配，密集匹配主要是在影像外方位元素已知的情况下，利用前方交会在两张影像之间获得更多的物点空间三维坐标。
S4：构建TIN模型：影像密集匹配完成后，生成了大量的密集点云数据，通过这些密集点云数据构建不同层次细节的不规则三角网，不规则三角网格简称TIN模型。TIN模型中三角网越密集的区域表示该区域细节特征丰富，三角网越稀疏的区域表示该区域细节特征不明显。三维网格模型经过封装处理就会生产出构件三维白模模型。
S5：纹理映射：经过封装建立的三维白模模型，其表面是没有纹理信息的，不能展示物体真实的表面信息，因此在白模模型建立完成后需要对模型做纹理映射处理，其本质就是根据白模模型空间形状位置在影像数据中挑选相对应的二维影像信息进行纹理贴合，在逆向三维建模中纹理映射技术常应用于目标物表面纹理细腻丰富的模型。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种桥梁防撞墙病害数据采集建模系统，其特征在于，包括三维影像采集装置，三维影像采集装置包括位于防撞墙(1)内侧的内侧相机(2)、位于防撞墙(1)上侧的顶面相机(3)和位于防撞墙(1)外侧的外侧相机(4)；还包括影像建模系统，内侧相机(2)、顶面相机(3)和外侧相机(4)分别与影像建模系统电连接，影像建模系统用于生成三维模型。
2.根据权利要求1所述的一种桥梁防撞墙病害数据采集建模系统，其特征在于，所述三维影像采集装置还包括底座(5)，底座(5)上连接有内立杆(6)，内立杆(6)的另一端连接有横杆(7)，横杆(7)的另一端连接有外立杆(8)，内侧相机(2)安装于内立杆(6)上，顶面相机(3)安装于横杆(7)上，外侧相机(4)安装于外立杆(8)上。
3.根据权利要求1所述的一种桥梁防撞墙病害数据采集建模系统，其特征在于，所述底座(5)的底部安装有滚轮(51)，底座(5)上安装有驱动机构(9)，驱动机构(9)的输出轴与其中一个滚轮(51)的转轴连接。
4.根据权利要求3所述的一种桥梁防撞墙病害数据采集建模系统，其特征在于，所述驱动机构(9)包括电机(91)，电机(91)的输出轴连接有减速器(92)，减速器(92)的输出轴与滚轮(51)的转轴连接，电机(91)和减速器(92)安装于底座(5)上。
5.根据权利要求1所述的一种桥梁防撞墙病害数据采集建模系统，其特征在于，所述内立杆(6)包括套杆(61)，套杆(61)连接于套杆(61)上，套杆(61)内套设有升降杆(62)，套杆(61)与升降杆(62)通过螺钉锁紧，横杆(7)与升降杆(62)连接。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的一种桥梁防撞墙病害数据采集建模系统，其特征在于，所述内立杆(6)、横杆(7)和外立杆(8)上均设置有滑轨，内侧相机(2)套设于内立杆(6)的滑轨上并通过螺钉锁定，顶面相机(3)套设于横杆(7)的滑轨上并通过螺钉锁定，外侧相机(4)套设于外立杆(8)的滑轨上并通过螺钉锁定。
7.使用权利要求1所述系统的一种桥梁防撞墙病害数据采集建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：内侧相机(2)、顶面相机(3)和外侧相机(4)采集防撞墙(1)的三面影像；
S2：影像预处理：对采集的影像进行预处理主要包括影像畸变校正和影像匀光匀色处理；
S3：数据导入和空三计算：导入影像数据，再进行空三计算；其中，空三计算包括影像特征匹配、多视影像联合平差、密集匹配，最终生成高密度的三维点云模型；
S4：构建TIN模型：通过密集匹配后生成的密集点云数据构建不同层次细节的不规则三维网格模型，三维网格模型经过封装处理得到三维白模模型；
S5：纹理映射：根据白模模型空间形状位置在影像数据中挑选相对应的二维影像信息进行纹理贴合。
8.根据权利要求7所述的一种桥梁防撞墙病害数据采集建模方法，其特征在于，在步骤S1中，内侧相机(2)、顶面相机(3)和外侧相机(4)沿着防撞墙(1)移动，并持续采集三面影像。
9.根据权利要求7所述的一种桥梁防撞墙病害数据采集建模方法，其特征在于，在步骤S1中，相邻相机拍摄到的影像间重叠度不小于60％。
10.根据权利要求7所述的一种桥梁防撞墙病害数据采集建模方法，其特征在于，步骤S3中，所述密集匹配指在影像外方位元素已知的情况下，利用前方交会在两张影像之间获得更多的物点空间三维坐标。
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