基于圖像技術(shù)的橋梁位移遙測(cè)系統(tǒng)

郝鳳彬

摘 要：本研究提出的系統(tǒng)利用數(shù)碼圖像處理技術(shù)對(duì)橋梁的動(dòng)態(tài)位移進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量，該系統(tǒng)具有高分辨力動(dòng)態(tài)測(cè)量、遙感、經(jīng)濟(jì)有效、實(shí)時(shí)性、可視性、易于安裝操作、無(wú)電磁干擾等創(chuàng)新特征。配有伸縮裝置的數(shù)碼攝像機(jī)對(duì)測(cè)量區(qū)的目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)圖像拍攝，目標(biāo)位移通過(guò)圖像處理技術(shù)進(jìn)行計(jì)算。該技術(shù)需要一套目標(biāo)識(shí)別運(yùn)算法則、捕捉圖像投射、利用目標(biāo)幾何數(shù)據(jù)和像素移動(dòng)數(shù)量計(jì)算的實(shí)際位移。為了驗(yàn)證效果，先后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)測(cè)試以及某箱梁橋的實(shí)地測(cè)試，測(cè)試結(jié)果在頻率和振幅兩方面均顯示了充分的動(dòng)態(tài)分辨力。

關(guān)鍵詞：基于圖像的系統(tǒng)；位移測(cè)量；遙感；實(shí)時(shí)；橋梁結(jié)構(gòu)

1 前言

橋梁健康監(jiān)控已發(fā)展成為當(dāng)下結(jié)構(gòu)工程研究一支重要的推力，本項(xiàng)研究一直受到結(jié)構(gòu)物所有者需求以及其它因素的激勵(lì)。結(jié)構(gòu)物所有者需要獲得測(cè)量得出的結(jié)構(gòu)物反應(yīng)來(lái)核實(shí)結(jié)構(gòu)物行為在假定外部干擾情況下是否充分，進(jìn)而防止受損、老化、環(huán)境導(dǎo)致的退化以及其它可能的異常狀況的發(fā)生。在這方面，正在出現(xiàn)的和傳統(tǒng)的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域已相當(dāng)廣泛。然而，盡管這些應(yīng)用對(duì)荷載或外部環(huán)境作用情況下結(jié)構(gòu)物行為的描述具有重要作用，卻缺少位移傳感器的應(yīng)用。原因通常在于既有位移傳感器不易于以一種經(jīng)濟(jì)有效的方式牢固安裝到橋梁上，因?yàn)槎鄶?shù)橋梁都跨過(guò)活動(dòng)的高速公路、河流、海峽或山地。

線性差動(dòng)變換器（LVDT）、指示表等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)位移傳感器在橋梁的某個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行位移測(cè)量，通常可以選取任何角度并且能夠達(dá)到結(jié)構(gòu)測(cè)量的分辨率要求。然而這種裝置要求一個(gè)靠近測(cè)量點(diǎn)的靜態(tài)平臺(tái)作為參照，傳感器的兩端將分別固定到測(cè)量點(diǎn)和參照點(diǎn)。由于傳感器本身機(jī)制的原因，這些點(diǎn)之間的距離不易于調(diào)整。有時(shí)會(huì)利用連接線來(lái)克服困難，卻降低了準(zhǔn)確性。這是制約利用線性差動(dòng)變換器（LVDT）測(cè)量橋梁位移的問(wèn)題所在。

還有些最近產(chǎn)生的其它類(lèi)型的非接觸式位移測(cè)量系統(tǒng)，例如比較出名的高科技范例包括全球定位系統(tǒng)（GPS）[3-7]和激光多普勒振動(dòng)儀[8]。多數(shù)發(fā)表的關(guān)于GPS的研究顯示，其水平方向誤差為±1cm，垂直方向誤差為±2cm。高準(zhǔn)確度、高抽樣率的GPS定位比本文提出的基于圖像的系統(tǒng)成本要高得多。激光多普勒振動(dòng)儀效果較好但是同樣比本文提出的系統(tǒng)昂貴得多，同時(shí)用于我們預(yù)想遙感距離（75m，甚至100m以上）的激光密度可能達(dá)到危險(xiǎn)的程度。

有人建議，通過(guò)相應(yīng)數(shù)字二重積分加速時(shí)間關(guān)系曲線建立位移時(shí)間關(guān)系曲線，并對(duì)基線進(jìn)行適當(dāng)更正[9]。這個(gè)辦法原則上是正確的。它方便、節(jié)約、具有誘惑力，但是根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)方法很少能夠提供可靠的數(shù)據(jù)，特別是在實(shí)地測(cè)試中。通過(guò)應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算位移[10]對(duì)噪音是非常敏感的，而且需要沿著一條有意義的力學(xué)線路在盡量多的點(diǎn)上測(cè)量橋面張力和壓力，以便對(duì)橋梁的撓曲形狀進(jìn)行準(zhǔn)確估算。有人曾使用具有成像能力的微波干涉儀對(duì)一座真比例尺建筑進(jìn)行了測(cè)量[11]，圖像是通過(guò)合成孔徑干涉測(cè)量雷達(dá)獲取的，合成微波圖像的相位信息被用于探測(cè)照亮的結(jié)構(gòu)。然而，這些設(shè)施都非常昂貴而且不易于運(yùn)用。

基于圖像的方法為橋梁位移測(cè)量提供了有效的替代辦法[12，13]。然而現(xiàn)有系統(tǒng)中仍然還有需要應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)，比如特制的光學(xué)裝置[12]，離線復(fù)雜信號(hào)處理技術(shù)[13]等。事實(shí)上還有用于遙測(cè)橋梁位移的經(jīng)濟(jì)有效性稍差的傳感器系統(tǒng)，同時(shí)具有可靠性、準(zhǔn)確性、便于使用性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。出于此原因，本研究提出了一套利用實(shí)時(shí)數(shù)碼圖像處理技術(shù)測(cè)量橋梁動(dòng)態(tài)位移的系統(tǒng)。這種技術(shù)極其經(jīng)濟(jì)有效、易于操作，同時(shí)具有高水準(zhǔn)分辨率動(dòng)態(tài)位移測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。

2. 基于圖像的位移測(cè)量系統(tǒng)

2.1 概述

圖-1顯示的是基于圖像的橋梁實(shí)時(shí)位移測(cè)量系統(tǒng)的示意圖和流程圖。首先，用已知幾何數(shù)據(jù)的目標(biāo)面板標(biāo)記測(cè)量點(diǎn)；在與橋梁有一定距離的固定點(diǎn)（例如，岸上）或橋墩（橋臺(tái)）上安裝一臺(tái)具有伸縮鏡頭的商務(wù)數(shù)碼攝像機(jī)，安裝點(diǎn)可以視為固定點(diǎn)；然后攝像機(jī)拍攝測(cè)量點(diǎn)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)圖像。同時(shí)，目標(biāo)的動(dòng)態(tài)（橋梁的位移）通過(guò)圖像處理技術(shù)進(jìn)行計(jì)算，該技術(shù)需要一套目標(biāo)識(shí)別運(yùn)算法則、捕捉圖像投射、利用目標(biāo)幾何數(shù)據(jù)和像素移動(dòng)數(shù)量計(jì)算的實(shí)際位移。

利用數(shù)碼圖像處理技術(shù)基于圖像位移測(cè)量系統(tǒng)的硬件包括：一個(gè)目標(biāo)物、一個(gè)伸縮鏡頭、一臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)、一個(gè)IEEE1394端口和一臺(tái)筆記本電腦；軟件包括：連續(xù)圖像捕捉技術(shù)、目標(biāo)識(shí)別運(yùn)算法則、對(duì)捕捉到的圖像進(jìn)行三角轉(zhuǎn)換計(jì)算、通過(guò)在線圖像數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)際位移以及對(duì)計(jì)算出位移的可視化和儲(chǔ)存。本研究采用了一臺(tái)30倍光學(xué)變焦、720*480分辨率、30幀/秒幀頻的商務(wù)電子攝像機(jī)，一組安裝在攝像機(jī)上用于跟蹤目標(biāo)的具有8倍光學(xué)變焦能力的鏡頭，一臺(tái)用于處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)配置為奔騰M 1.6Ghz處理器、512M內(nèi)存筆記本電腦。全部裝備費(fèi)用總和不超過(guò)2000美元，這種花費(fèi)對(duì)于一套能夠?qū)崟r(shí)跟蹤橋梁位移測(cè)量的系統(tǒng)是非常劃算的（圖-2a）。實(shí)時(shí)位移測(cè)量軟件的界面如圖-2b所示，目前支持對(duì)圖像捕捉裝置、視頻格式和30幀/秒以內(nèi)實(shí)時(shí)圖像幾個(gè)方面的手動(dòng)選擇。

2.2 利用圖像處理技術(shù)的位移測(cè)量

圖-3所示的目標(biāo)有4個(gè)已知幾何數(shù)據(jù)的白點(diǎn)和黑色背景。水平長(zhǎng)度（Lx）和垂直長(zhǎng)度（Ly）的選取需綜合考慮預(yù)期測(cè)量位移的最大值以及數(shù)碼攝像機(jī)、伸縮鏡頭的性能。為了能夠辨認(rèn)出目標(biāo)上的白點(diǎn)，以背景和目標(biāo)區(qū)的亮度為基礎(chǔ)計(jì)算出黑色和白色圖像的閾值：

θ=median[μB+3бB，μT-3бT] （1）

其中μB和бB分別為背景區(qū)亮度的平均差和標(biāo)準(zhǔn)差，μT和бT分別為目標(biāo)區(qū)亮度的平均差和標(biāo)準(zhǔn)差。

四個(gè)白點(diǎn)的中心可以通過(guò)黑色和白色圖像確定，與水平和垂直方向?qū)?yīng)的方向向量（[x1 y1]T， [x2 y2]T）就被確定出來(lái)了。三角轉(zhuǎn)換矩陣（T）和比例因數(shù)（SFx， SFy）計(jì)算過(guò)程如下：

T=， SFx=， SFy= （2）

其中[X1 Y1]T=[x1 y1]T/， [X2 Y2]T=[x2 y2]T/，實(shí)際位移（[dx dy]T以目標(biāo)移動(dòng)像素?cái)?shù)量（[xy]T為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)換矩陣和比例因數(shù)為：

[dx dy]T=T[x y]T （3）

3. 震動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本辦法，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)測(cè)試。通過(guò)圖像處理技術(shù)測(cè)出的位移與接觸式傳感器，線性差動(dòng)變換器（LVDT）得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比照。圖-4顯示的是測(cè)試設(shè)備以及裝有伸縮鏡頭攝像機(jī)拍到的圖片。分別在距目標(biāo)16m遠(yuǎn)垂直于和20°偏斜于目標(biāo)的地方對(duì)2Hz和4Hz刺激頻率下的目標(biāo)進(jìn)行了位移測(cè)量。圖-5顯示了對(duì)比結(jié)果，本方法與傳統(tǒng)傳感器得出的結(jié)果非常接近，而且最大值誤差要低3%。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究提出了利用數(shù)字圖像處理技術(shù)基于圖像的動(dòng)態(tài)位移測(cè)量系統(tǒng)，該方法的可操作性和有效性在實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)測(cè)試和鋼制箱梁實(shí)地測(cè)試中得到了驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，本系統(tǒng)測(cè)得的位移與接觸式傳感器，線性差動(dòng)變化器（LVDT）得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果與傳統(tǒng)傳感器相近，最大值誤差卻低3%。在實(shí)地測(cè)試中，不同載重和行走速度的自卸車(chē)被用于車(chē)輛荷載測(cè)試。本文提出的系統(tǒng)測(cè)得的位移與激光振動(dòng)儀得出的結(jié)果相近，而測(cè)量噪音卻要小得多。測(cè)試結(jié)果在振幅和頻率方面都顯示了充分的動(dòng)態(tài)分辨力。

這些結(jié)果反應(yīng)出本方法能夠成功地以高分辨力測(cè)量橋梁位移?；趫D像的實(shí)時(shí)位移測(cè)量系統(tǒng)具有創(chuàng)新性、較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)有效性、易于安裝，并且具有高分辨力動(dòng)態(tài)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。因此，可以期待的是本技術(shù)能夠?yàn)閭鞲衅骱蜆蛄罕O(jiān)控領(lǐng)域增加一項(xiàng)高級(jí)而強(qiáng)大的補(bǔ)充。本文提出的基于圖像的橋梁位移遙測(cè)的系統(tǒng)不受空氣溫度、濕度影響。但是有些環(huán)境條件還是可能造成很大的麻煩。例如，風(fēng)力會(huì)導(dǎo)致攝像機(jī)震動(dòng)，而震動(dòng)中的攝像機(jī)捕捉到的目標(biāo)動(dòng)作將會(huì)被極大地放大。因此，在橋梁現(xiàn)場(chǎng)安裝攝像機(jī)時(shí)須使用防風(fēng)設(shè)備。為了能夠在夜間或多云時(shí)辨別目標(biāo)，可以利用光源對(duì)目標(biāo)區(qū)進(jìn)行照明。在任一種情況下，都需謹(jǐn)慎操作。

本文翻譯自Jong Jae Lee和Masanobu Shinozuka于2006年發(fā)表在NDT&E International期刊上的文章A Vision-based System for Remote Sensing of Bridge Displacement。

致謝

本研究是在國(guó)家科技基金贊助下完成的，號(hào)碼為CMS 0509018和CMS 0112665，非常感謝國(guó)家科技基金給予的大力支持。

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