淺述數(shù)字圖像相關(guān)方法在土木工程測(cè)量中的應(yīng)用

師 杰 鄧曉威

（1.開(kāi)封大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004；2.河南大學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 開(kāi)封 475004）

數(shù)字圖像相關(guān)方法是一種現(xiàn)代化全場(chǎng)光學(xué)測(cè)量技術(shù)，具有非接觸、非干涉的特點(diǎn)，已廣泛的應(yīng)用于航空航天、土木工程測(cè)量以及物體形變監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[1]。該方法首先運(yùn)用在二維測(cè)量中，采用單個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)比較變形前后同一平面物體表面的兩幅數(shù)字圖像，匹配其對(duì)應(yīng)點(diǎn)從而得到像面位移和應(yīng)變。但在實(shí)際測(cè)量中，由于單個(gè)相機(jī)的局限性，要求相機(jī)垂直于被測(cè)物表面，同時(shí)被測(cè)物體表面的離面位移會(huì)對(duì)測(cè)量帶來(lái)明顯的誤差，因此二維數(shù)字圖像相關(guān)方法通常應(yīng)用于平面物體的面內(nèi)變形測(cè)量。而使用兩個(gè)攝像機(jī)基于雙目立體視覺(jué)原理的三維數(shù)字圖像相關(guān)方法克服了這一局限，通過(guò)標(biāo)定相機(jī)與物體之間的相對(duì)位置關(guān)系，可以重構(gòu)出各種形狀物體的三維形貌。數(shù)字圖像相關(guān)方法是立足于數(shù)字圖像處理技術(shù)和數(shù)值分析技術(shù)的光學(xué)測(cè)量技術(shù)，是通過(guò)拍攝并匹配變形前后數(shù)字圖像中的各個(gè)控制點(diǎn)，獲得物體表面形變信息的技術(shù)，與其他測(cè)量技術(shù)相比而言，該技術(shù)具有更加簡(jiǎn)便的操作流程，能夠適用于更加寬泛的使用環(huán)境，所獲得的精度也更高，因此，在土木工程測(cè)量中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。

1 數(shù)字圖像相關(guān)方法的應(yīng)用概況

隨著光學(xué)信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像相關(guān)方法得到了快速發(fā)展，逐漸因其測(cè)量精度高、非接觸全場(chǎng)測(cè)量、環(huán)境要求低、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用于各領(lǐng)域中，主要包含了以下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)各種材料形變特征和力學(xué)性能的直接測(cè)量。在土木工程中常用到類型較多的金屬材料、復(fù)合材料等，那么這些材料是否滿足土木工程建設(shè)的基本需求，需要進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。將數(shù)字圖像相關(guān)方法應(yīng)用于土木工程相關(guān)材料的表面形變和力學(xué)性能監(jiān)測(cè)，可以獲得全場(chǎng)形變信息，進(jìn)而借助數(shù)值分析模塊可以獲得材料的力學(xué)參數(shù)，如熱脹系數(shù)、斷裂韌性、彈性模量、應(yīng)力強(qiáng)度因子、泊松比、表面粗糙度等[2]。因此，該技術(shù)的應(yīng)用推進(jìn)了土木工程建設(shè)中對(duì)材料各種參數(shù)的精確把控，提高了材料的綜合利用價(jià)值。

（2）在工程結(jié)構(gòu)實(shí)際測(cè)量中的應(yīng)用。評(píng)估土木工程結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的安全性和可靠度是評(píng)估土木工程建設(shè)質(zhì)量的指標(biāo)之一，將數(shù)字圖像相關(guān)方法應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中，可以獲得結(jié)構(gòu)位移或者應(yīng)變形變信息，如大型橋梁墻式基礎(chǔ)參數(shù)的監(jiān)測(cè)等，在此基礎(chǔ)上評(píng)估結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的安全性和可靠度。

（3）借助有限元分析方法獲得物體實(shí)際表面的形變信息。土木工程建設(shè)中通常要借助有限元分析方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否合理，將數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)融合至有限元模型中，就可以實(shí)現(xiàn)理論、仿真、實(shí)驗(yàn)三者數(shù)據(jù)參數(shù)的緊密聯(lián)系，進(jìn)而提高模型改進(jìn)質(zhì)量，完善建設(shè)模型，對(duì)提高土木工程建設(shè)整體質(zhì)量有著積極的推動(dòng)意義。

2 數(shù)字圖像相關(guān)方法在土木工程測(cè)量中的應(yīng)用

數(shù)字圖像相關(guān)方法在土木工程測(cè)量中的應(yīng)用極為廣泛，本文著重介紹該方法在木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)抗拉性能監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。眾所周知，木結(jié)構(gòu)建筑是我國(guó)具有民族特色的傳統(tǒng)建筑物，一棟建筑物在沒(méi)有一顆釘子的前提下可以經(jīng)歷數(shù)百年屹立不倒，顯示出木結(jié)構(gòu)強(qiáng)大的可靠性[3]。木結(jié)構(gòu)中榫卯節(jié)點(diǎn)是建筑物承載的重要樞紐，因此，在研究木結(jié)構(gòu)建筑物的力學(xué)性能時(shí)必須研究榫卯節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特征。

2.1 應(yīng)用條件分析

本文選用常用的杉木作為實(shí)驗(yàn)材料，按照傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行縮小比例尺制作，主要研究榫卯節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能變化以及形變信息。此外，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP具有較高的強(qiáng)度、輕的質(zhì)量等而廣泛用于維修古建筑，在外側(cè)涂抹防火涂料就可以實(shí)現(xiàn)既加固木質(zhì)建筑物的目的，又達(dá)到了不破壞建筑外觀的目的。因此，本文使用該材料作為研究實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組，此外使用鋼材對(duì)木質(zhì)建筑物進(jìn)行加固也是常用的方法之一，本文選用Q235鋼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 加載及測(cè)量方案制定

為了盡可能的模擬木質(zhì)建筑物構(gòu)架柱腳的實(shí)際載荷，在底部增加單向鉸支座，柱頂施加豎向載荷20kN，并保持豎向載荷恒定不變。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐漸枋下側(cè)單調(diào)向上加載，直至構(gòu)建破壞為止。根據(jù)數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量的參數(shù)要求，本文選擇 使用三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)?zāi)＞弑砻嬗貌煌伾膰娖釃娡恐瞥蓸?biāo)志點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用LED直流光即可[4]。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案同步進(jìn)行不同材料的實(shí)驗(yàn)，最終獲得如下結(jié)論：對(duì)于木質(zhì)榫卯節(jié)點(diǎn)而言，由于木材自身具有特異性，因此在載荷加載過(guò)程中的形變呈現(xiàn)出一定的差異性，但總體上破壞形態(tài)是一致的，也意味著木質(zhì)結(jié)構(gòu)的榫卯節(jié)點(diǎn)承載能力是大體相當(dāng)?shù)?；隨著載荷量的逐漸增加，榫卯節(jié)點(diǎn)邊緣大約有2.5mm的拔出量，隨著控制位移量的增加，榫頭邊緣的拔出量進(jìn)一步增加。對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP制作成的節(jié)點(diǎn)而言，其形變特征以及拔出量與木質(zhì)結(jié)構(gòu)的榫卯節(jié)點(diǎn)變化差異較大，在載荷加載開(kāi)始，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較大，承載力呈直線上升，隨著載荷量的不斷增加，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP榫卯節(jié)點(diǎn)的粘結(jié)膠逐漸剝落，當(dāng)載荷持續(xù)增大時(shí)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP材料逐漸出現(xiàn)褶皺并逐漸開(kāi)始撕裂，進(jìn)而承載能力下降[5]。綜上所述，雖然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP材料屬于脆性材料，但是由于木質(zhì)材料具有獨(dú)特的力學(xué)性能，將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP材料應(yīng)用于木質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑物的加固中，可以增強(qiáng)該材料的承載能力和延性。對(duì)照實(shí)驗(yàn)組使用鋼材進(jìn)行加固實(shí)驗(yàn)，當(dāng)載荷加載開(kāi)始時(shí)，加載處的承載力急劇上升，使得榫卯節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)擠壓現(xiàn)象，當(dāng)載荷持續(xù)加載時(shí)，榫頭上部擠壓區(qū)變形較大，且鋼箍在枋端連接段逐漸滑移，直至破壞。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，采用鋼材加固木質(zhì)結(jié)構(gòu)房屋，可以提高榫卯節(jié)點(diǎn)的極限承載力，雖然后期出現(xiàn)顯著的滑移現(xiàn)象，但采用該種方法加固，可以進(jìn)行拆卸，因此具有一定的應(yīng)用前景。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，數(shù)字圖像是一種非接觸、全場(chǎng)變形測(cè)量技術(shù)，其相關(guān)方法在土木工程測(cè)量中具有極為寬泛的應(yīng)用前景，在建筑物表面形變監(jiān)測(cè)以及實(shí)驗(yàn)建筑材料力學(xué)參數(shù)等方面具有精度高、非接觸、全場(chǎng)測(cè)量、環(huán)境適用性好、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以獲得全場(chǎng)形變信息，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文主要分析了數(shù)字圖像相關(guān)方法在土木工程測(cè)量木質(zhì)結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究的應(yīng)用，搭建適用于工程實(shí)際測(cè)量的自標(biāo)定數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)精度實(shí)驗(yàn)，通過(guò)兩組對(duì)照組的研究表明，采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP材料對(duì)木質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑物進(jìn)行加固處理更具優(yōu)勢(shì)。