CN113820087A - 用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量系统及方法，用于在抗震稳定性测试对待测木塔结构模型进行高速视频测量，木塔结构模型安装在振动实验台上，高速视频测量系统包括高速视频测量设备和工控机，高速视频测量设备的视场覆盖木塔结构模型，高速视频测量设备与工控机进行电连接，木塔结构模型上设有目标跟踪点位，振动实验台对木塔结构模型附加设定的振动频率，工控机根据高速视频测量设备采集的视频信息获取目标跟踪点位的位移时程曲线，进而分析木塔结构的抗震稳定性。与现有技术相比，本发明具有精度高、鲁棒性好等优点。

Description

用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量系统及方法

技术领域

本发明涉及木塔模型抗震稳定性测试技术领域，尤其是涉及一种用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量系统及方法。

背景技术

中国古代建筑主要是以木制结构为主，木制结构具有形式独特、外表美观等特点，因而被广泛地使用在人们的日常生活中。木制结构文物是人类宝贵的历史文化遗产，因此文物的保护监测工作意义重大。

中国专利CN106404914A中公开了一种对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法，该方法综合实际的边界条件、材料性能、施工质量、节点约束等实际情况，对木塔结构损伤及安全状况进行测试，测试结果准确可信，通过测试分析得出的频率、振型及阻尼比的变化对比分析，可定性判断木塔的结构损伤及安全状况。但该方法不能完成针对木塔抗震性能的测量，若直接针对真实的木塔结构施加振动，极有可能会破坏木塔结构，导致不可修复的损伤。现阶段，亟需一种针对木塔结构的抗震稳定性的高速视频测量系统。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种精度高、鲁棒性好的用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量系统，用于在抗震稳定性测试对待测木塔结构模型进行高速视频测量，所述的木塔结构模型安装在振动实验台上，所述的高速视频测量系统包括高速视频测量设备和工控机；所述高速视频测量设备的视场覆盖木塔结构模型；所述的高速视频测量设备与工控机进行电连接；所述的木塔结构模型上设有目标跟踪点位，振动实验台对木塔结构模型附加设定的振动频率，工控机根据高速视频测量设备采集的视频信息获取目标跟踪点位的位移时程曲线，进而分析木塔结构的抗震稳定性。

优选地，所述的木塔模型为待测木塔结构依比例还原的木塔模型。

优选地，所述的高速视频测量设备采用分布式高速视频测量网络，包括若干个高速相机，整体视场覆盖木塔结构模型。

优选地，所述的木塔结构模型在其每一层结构上至少设有两个目标跟踪点位。

更加优选地，所述的目标跟踪点位上贴装有人工标志。

优选地，所述的高速视频测量系统设有用于对抗震稳定性测试进行可靠性验证的全站仪和接触式位移传感器。

一种用于上述高速视频测量系统的高速视频测量方法，所述的测量方法包括：

步骤1：依比例还原待测木塔结构，获得木塔结构模型；

步骤2：布设高速视频测量系统；

步骤3：验证高速视频测量系统可靠性；

步骤4：针对木塔抗震稳定性测试进行高速视频测量。

优选地，所述的步骤2具体为：

首先，在木塔结构模型的目标追踪点位上贴装人工标志，然后将木塔结构模型固定在振动实验台上；

其次，在木塔结构模型四周布设若干个高速相机，整体视场覆盖木塔结构模型，构成分布式高速视频测量网络，同时布设全站仪和接触式位移传感器；

最后，将分布式高速视频测量网络接入工控机，完成高速视频测量系统布设。

优选地，所述的步骤3中验证高速视频测量系统可靠性的方法包括目标定位精度验证，具体方法为：

首先，将目标跟踪点位分为计算点集和检核点集，使用计算点集对光束平差法进行解算；

其次，使用解算后的光束平差法对检核点集中对应的点位进行坐标点计算；

最后，使用全站仪测定检核点集中对应点位的坐标，通过计算坐标与测定坐标验证目标定位精度。

优选地，所述的步骤3中验证高速视频测量系统可靠性的方法还包括木塔形变结果验证，具体方法为：

首先，通过分布式高速视频测量网络采集的视频获取目标跟踪点位的位移时程曲线；

其次，通过布设在木塔结构模型上的接触式位移传感器获取目标跟踪点位的实际位移时程曲线；

最后，对比两个位移时程曲线，对测量结果与实际情况是否相符进行验证。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、精度高：本发明中的高速视频测量系统及方法通过分布式视频测量网络，以256fps的采集频率和130万影像分辨率记录了木塔的整个形变过程，与现有技术中的高精度全站仪相比，本发明的分布式高速视频测量方法可以提供亚毫米级的点位测量精度，测试精度更高。

二、鲁棒性好：本发明中的高速视频测量系统及方法设有目标定位精度验证和木塔形变结果验证，在正式测试前对高速视频测量系统进行精度和有效性验证，保证了高速视频测量系统的有效性、可靠性和鲁棒性。

附图说明

图1为本发明中用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量系统的结构示意图；

图2为本发明中高速视频测量方法的流程示意图；

图3为本发明实施例中木塔形变结果验证的时程位移曲线对比图。

图中标号所示：

1、木塔结构模型，2、振动实验台，3、高速视频测量设备，4、人工标志。

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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

一种用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量系统，用于在抗震稳定性测试对待测木塔结构模型1进行高速视频测量，木塔结构模型1安装在振动实验台2上，高速视频测量系统包括高速视频测量设备3和工控机，高速视频测量设备3的视场覆盖木塔结构模型1，高速视频测量设备3与工控机进行电连接，木塔结构模型1上设有目标跟踪点位，振动实验台2对木塔结构模型附加设定的振动频率，工控机根据高速视频测量设备3采集的视频信息获取目标跟踪点位的位移时程曲线，进而分析木塔结构的抗震稳定性。

木塔结构模型1依照比例还原待测木塔结构，材质和形状均进行还原，保证木塔结构模型与待测木塔机构的相似度。

高速视频测量设备3采用分布式高速视频测量网络，包括若干个高速相机，整体视场覆盖木塔结构模型1。木塔结构模型1在其每一层结构上至少设有两个目标跟踪点位，每个目标跟踪点位上贴装有人工标志4。

高速视频测量系统设有用于对抗震稳定性测试进行可靠性验证的全站仪和接触式位移传感器。

本实施例还涉及一种用于上述高速视频测量系统的高速视频测量方法，其流程如图2所示，包括：

步骤1：依比例还原待测木塔结构，获得木塔结构模型；

步骤2：布设高速视频测量系统；

首先，在木塔结构模型的目标追踪点位上贴装人工标志，然后将木塔结构模型固定在振动实验台上；

其次，在木塔结构模型四周布设若干个高速相机，整体视场覆盖木塔结构模型，构成分布式高速视频测量网络，同时布设全站仪和接触式位移传感器；

最后，将分布式高速视频测量网络接入工控机，完成高速视频测量系统布设；

步骤3：验证高速视频测量系统可靠性，包括目标定位精度验证和木塔形变结果验证；

其中，目标定位精度验证的具体方法为：

首先，将目标跟踪点位分为计算点集和检核点集，使用计算点集对光束平差法进行解算；

其次，使用解算后的光束平差法对检核点集中对应的点位进行坐标点计算；

最后，使用全站仪测定检核点集中对应点位的坐标，通过计算坐标与测定坐标验证目标定位精度；

木塔形变结果验证的具体方法为：

首先，通过分布式高速视频测量网络采集的视频获取目标跟踪点位的位移时程曲线；

其次，通过布设在木塔结构模型上的接触式位移传感器获取目标跟踪点位的实际位移时程曲线；

最后，对比两个位移时程曲线，对测量结果与实际情况是否相符进行验证；

步骤4：木塔抗震稳定性测试进行高速视频测量。

下面提供一个具体的应用例：

步骤1：依比例还原待测木塔结构，获得木塔结构模型

如图1所示，木塔结构模型为多高层楼阁式木塔，该结构属仿古木结构，其建筑平面为正方形，主体为三开间三进深，底层则扩增附属廊环。

步骤2：布设高速视频测量系统

在分布式高速视频测量网络布设中，四台由Optronis公司提供的CL600X2型高速相机联合观测木塔的三维振动响应。四台高速相机的采集帧频设置为256fps，且采集的影像大小为1280×1024像素。此外，每台相机都配备了焦距为20mm的定焦镜头。一号高速相机301和二号高速相机302形成一对立体观测以同步监测木塔模型的上部，三号高速相机303和四号高速相机304形成另一对立体观测以同步监测木塔模型的下部。本实验中，人工标志采用圆形人工标志点，圆形人工标志的直径为60mm。

步骤3：验证高速视频测量系统可靠性

(1)目标定位精度验证

通过高速相机标定，高速相机在影像空间中的平均反投影误差约为0.05-0.2像素。此外，由SOKKIA公司提供的NET05AX型全站仪能够精确地测量出控制点的三维空间坐标，并且该仪器能够提供优于0.5mm的点位测量精度。全站仪所建立的局部物方坐标系是基于右手坐标系统定义的。同样，为了评估目标点的位置精度，现将目标追踪点位分为两部分，一部分点位用于光束法平差的解算，另一部分控制点作为检核点以验证测量方案的可靠性。

表1高速视频测量方法计算值与高精度全站仪测量值之间的坐标偏差

如表1所示，将通过高速视频测量解算的检核点坐标与通过全站仪直接测量的检核点坐标进行对比分析。结果表明，高速视频测量方法中目标点的定位精度

可以达到0.6mm左右。因此，本实验中的目标定位精度可以满足高层木塔振动台测试中的测量精度要求。

(2)木塔形变结果验证

通过序列影像数据处理可以获得目标跟踪点位的位移时程曲线。本实施例从结木塔构模型的第二层到第七层分别选择了一些目标跟踪点。图3展示了不同楼层在Y方向(主要振动方向)的位移时程曲线。各楼层位移的趋势描述了整个木塔在振动台测试过程中的形态变化。从图中可知，较高的楼层将具有更大的位移数值，这是因为震动源发生在木塔的底部，因此该形变结果与实际实验情况相符。

通过与高精度位移传感器进行对比分析，进一步验证了分布式高速视频测量方法的可靠性。在本实验中，接触式位移传感器被安装在木塔的第二层。分布式高速视频测量方法计算的位移数值与位移传感器测得的位移数值基本一致，其平均偏差为0.07mm，最大偏差为0.54mm。而微小的数值差异主要归因于不同测量手段所定义的位移方向略微不同，且测量的点位位置不尽一致。因此，该数值对比证明了分布式高速视频测量方法的可靠性和可信性。简而言之，鲁棒的测量方案和测量数据可以帮助土木工程技术人员更好地评估木塔结构的结构特性和安全系数。

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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量系统，用于在抗震稳定性测试对待测木塔结构模型(1)进行高速视频测量，所述的木塔结构模型(1)安装在振动实验台(2)上，其特征在于，所述的高速视频测量系统包括高速视频测量设备(3)和工控机；所述高速视频测量设备(3)的视场覆盖木塔结构模型(1)；所述的高速视频测量设备(3)与工控机进行电连接；所述的木塔结构模型(1)上设有目标跟踪点位，振动实验台(2)对木塔结构模型附加设定的振动频率，工控机根据高速视频测量设备(3)采集的视频信息获取目标跟踪点位的位移时程曲线，进而分析木塔结构的抗震稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量系统，其特征在于，所述的木塔结构模型(1)为由待测木塔依比例还原的木塔模型。

3.根据权利要求1所述的一种用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量系统，其特征在于，所述的高速视频测量设备(3)采用分布式高速视频测量网络，包括若干个高速相机，整体视场覆盖木塔结构模型(1)。

4.根据权利要求1所述的一种用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量系统，其特征在于，所述的木塔结构模型(1)在其每一层结构上至少设有两个目标跟踪点位。

5.根据权利要求4所述的一种用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量系统，其特征在于，所述的目标跟踪点位上贴装有人工标志(4)。

6.根据权利要求1所述的一种用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量系统，其特征在于，所述的高速视频测量系统设有用于对抗震稳定性测试进行可靠性验证的全站仪和接触式位移传感器。

7.一种用于如权利要求1所述高速视频测量系统的高速视频测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括：

步骤1：依比例还原待测木塔结构，获得木塔结构模型；

步骤2：布设高速视频测量系统；

步骤3：验证高速视频测量系统可靠性；

步骤4：针对木塔抗震稳定性测试进行高速视频测量。

8.根据权利要求7所述的一种用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量方法，其特征在于，所述的步骤2具体为：

首先，在木塔结构模型的目标追踪点位上贴装人工标志，然后将木塔结构模型固定在振动实验台上；

其次，在木塔结构模型四周布设若干个高速相机，整体视场覆盖木塔结构模型，构成分布式高速视频测量网络，同时布设全站仪和接触式位移传感器；

最后，将分布式高速视频测量网络接入工控机，完成测量系统布设。

9.根据权利要求7所述的一种用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量方法，其特征在于，所述的步骤3中验证测量系统可靠性的方法包括目标定位精度验证，具体方法为：

首先，将目标跟踪点位分为计算点集和检核点集，使用计算点集对光束平差法进行解算；

其次，使用解算后的光束平差法对检核点集中对应的点位进行坐标点计算；

最后，使用全站仪测定检核点集中对应点位的坐标，通过计算坐标与测定坐标验证目标定位精度。

10.根据权利要求7所述的一种用于木塔抗震稳定性测试的高速视频测量方法，其特征在于，所述的步骤3中验证测量系统可靠性的方法还包括木塔形变结果验证，具体方法为：

首先，通过分布式高速视频测量网络采集的视频获取目标跟踪点位的位移时程曲线；

其次，通过布设在木塔结构模型上的接触式位移传感器获取目标跟踪点位的实际位移时程曲线；

最后，对比两个位移时程曲线，对测量结果与实际情况是否相符进行验证。

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