基于近景攝影測量的橋式起重機變形檢測系統(tǒng)研究

陳志群

撫州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗中心 江西撫州 344000

在應(yīng)用傳統(tǒng)方法對橋式起重機進行變形檢測時，不僅自動化程度較低，檢測速度較慢，而且其測量精度以及檢測信息完整性更是難以得到有效保證。采用近景攝影測量方法，無須登高操作即可瞬間捕獲到非常完整的檢測信息，這些信息再通過相片形式呈現(xiàn)并且可以實現(xiàn)永久保存，為其他后續(xù)工作提供重要參考。鑒于近景攝影測量法在起重機變形檢測中具有較高的先進科學(xué)性以及應(yīng)用價值，有必要針對其應(yīng)用策略進行全面系統(tǒng)的探究。

1 近景攝影測量方法概述

近景攝影測量是攝影測量學(xué)科與遙感學(xué)科相互結(jié)合的產(chǎn)物，可針對距離100m以的內(nèi)被測對象進行攝影測量。在實際測量時，需要在適合位置設(shè)置1-2臺相機，用于對被測量目標進行多角度拍攝，并由此獲得多張立體像對；再利用計算機和數(shù)字化圖像處理技術(shù)對這些相片進行信息分析，由此獲得所需要的測量信息和檢測數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段，在針對待測點空間三維坐標進行求解時，存在多種方法可供選擇。例如直接線性變換法、空間后方交會-前方交會方法、相對定向-絕對定向方法和光束法平差方法等等。每一種方法都具有其自身特點有應(yīng)用優(yōu)勢，具體采用何種方法，需要設(shè)備檢測人員依據(jù)實際測量需求進行合理選擇。從近景攝影測量法的技術(shù)特點上看，突出表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，可瞬間獲取大量被測目標的物理信息和幾何信息，并以相片影像作為信息存貯載體，可在為檢查、分析、對比等環(huán)節(jié)中進行重復(fù)使用；第二，大幅減少戶外作業(yè)工作量；第三，依托現(xiàn)代化硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，使測量精度及可靠性獲得保障。

2 應(yīng)用可行性分析

將近景攝影測量應(yīng)用于橋式起重機變形檢測當(dāng)中，需要使用近景攝影測量設(shè)備從多個角度對橋式起重機主梁部位進行拍攝；此后，檢測人員將拍攝到的數(shù)字化相片輸入到計算機當(dāng)中，由計算機當(dāng)中的專用圖像處理軟件對其進行智能化解析，提取出起重機主梁上待測點的三維坐標信息；再進一步針對所提取的信息進行運算處理，最終獲取到完整的起重機相關(guān)檢測數(shù)據(jù)，幫助檢測人員全面掌握橋式起重機設(shè)備的相關(guān)參數(shù)。在使用近景攝影測量檢測方法主對橋式起重機梁下?lián)隙冗M行檢測時，其測量流程為：檢測人員選擇一處或者多處攝站，用對起重機進行拍照；在梁的任意一端，設(shè)置一輛空載小車，之后拍攝第一組相片；將小車移至跨中點位置，增加額定載荷，待主梁穩(wěn)定之后，再拍攝第二組相片。至此環(huán)節(jié)，完成測量工作。測量人員將兩組相片輸入到計算機當(dāng)中，由專業(yè)軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行解算，獲取到所有待測點的三維坐標信息。通過針對兩次空間三維坐標進行插值運算，即可求出主梁的下?lián)现岛拖聯(lián)隙?。如果沿著主梁跨中向兩端設(shè)置多個測點，即可獲得多個下?lián)现?，針對這些數(shù)據(jù)進行擬合處理之后，還可以繪制出主梁下?lián)隙惹€，從而更加全面、真實地反映出主梁下?lián)系膶嶋H情況，為橋式起重機主梁維護與安全檢測工作提供更多有效信息。另外，通過大量近景攝影測量實踐及測量結(jié)果表明，近景攝影測量法在測量原理方面具有更強的科學(xué)合理性，在測量精度方面可以更好地滿足橋式起重機變形檢測需求。因此，這種測量方法在橋式起重機變形檢測中具有更強的可行性[1]。

3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

在我國，應(yīng)用近景攝影測量法對橋式起重機進行變形檢測起步于二十世紀初。最早由山東建筑工程學(xué)院于承新和武漢測繪科技大學(xué)徐芳等人利用數(shù)碼相機對鋼結(jié)構(gòu)變形情況進行監(jiān)測，最終所得到的檢測結(jié)果與傳統(tǒng)鋼架力學(xué)分析檢測結(jié)果相一致；隨后，同濟大學(xué)程效軍、楊世渝等人于2002年利用近景攝影測量法對勻礦取料機梁體變形情況進行檢測。在此次檢測中，研究人員發(fā)現(xiàn)只要攝影距離不超過24m，即可將檢測誤差控制在4mm左右，從而獲得較其他檢測方法更加理想的測量精度；2005年，中國礦業(yè)大學(xué)高井祥等人結(jié)合2002年國家質(zhì)檢局頒布的《起重機械監(jiān)督檢驗規(guī)程》，對近景攝影測量法的理論誤差和精度評定進行了系統(tǒng)化研究。其研究結(jié)論是，在利用近景攝影測量法進行橋式起重機主梁變形檢測時，其測量精度可達到毫米級以上。這一結(jié)論進一步說明將近景攝影測量法應(yīng)用于橋式起重機變形檢測當(dāng)中，可以幫助設(shè)備維護人員判斷起重機是否存在安全隱患問題，進而有針對性的制訂起重機維修保養(yǎng)方案，提高相關(guān)工作的合理性與實效性[2]。

4 檢測方案設(shè)計

4.1 制訂檢測流程

由于橋式起重機主梁上的明顯特征并不多，在這種情況下，如果按照常規(guī)方法使用非量測相機進行拍攝與測量，極有可能專業(yè)軟件無法針對像片當(dāng)中所包含的所有橋式起重機主梁同名點進行有效識別。為了避免發(fā)生這一問題，需要采用人工方式在主梁上粘貼一些反光標志點，即可有效加強橋式起重機主梁上同名點的識別程度，達到提高測量精度的目的。另外，在使用非量測相機對橋式起重機進行拍攝之前，還需要通過標定確定其內(nèi)方位元素。對此，需要檢測人員對測量區(qū)域進行實地考察，選擇出最佳攝站；然后，在橋式起重機主梁的合理位置上，粘貼人工標志點。以便于非量測相機對橋式起重機進行多方位拍攝，獲得一組精度較高的數(shù)字圖像；將這組數(shù)字圖像傳送至計算機當(dāng)中，使用專業(yè)軟件對圖像進行數(shù)字化處理，獲取所有標志點的坐標儀坐標，再運用光束平差法，求解橋式起重機主梁上所有標志點的物方坐標。當(dāng)完成上述操作之后，使可以得出主梁變形量，為下一步開展起得機安全維護及維修保養(yǎng)工作提供參考依據(jù)[3]。在制訂測量方案時，主要包括以下步驟：①將支架放置于橋式起重機主梁一側(cè)，該支架與起重機之間的距離要大于2m；②調(diào)整好兩個投點儀和橋式起重機之間的相對位置關(guān)系，確保兩個投點儀投出的點云合理分布于被測橋式起重機主梁。調(diào)整完畢后，啟動兩個投點儀，使其投出點云；③使用相機對橋式起重機主梁進行拍攝，得到負載前照片；④在橋式起重機主梁上增加負載，再次進行拍攝，得到負載后照片；⑤針對相機位置進行調(diào)整并進行拍攝，得到另一組照片。⑥將所有照片導(dǎo)入專業(yè)軟件當(dāng)中，計算出橋式起重機主梁在增加負載前后的變形量[4]。

4.2 選擇攝影設(shè)備

在運用近景攝影測量方法的過程中，相機是最為關(guān)鍵的設(shè)備。目前，用于近景攝影測量的相機主要包括以下兩種類型：第一類，全數(shù)字型測量相機。此類相機的內(nèi)部方位元素已經(jīng)經(jīng)過嚴格校正，可將鏡頭畸變量控制在最小范圍之內(nèi)。但是，此類設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且成本價格較高，適合用于對測量精度要求較高的檢測作業(yè)當(dāng)中，在普通測量工作中，使用率相對較低；第二類，非量測相機。此類設(shè)備并非測量專用相機，所以其內(nèi)方位元素未知。而且與數(shù)字化相機相比，其像素值較低，鏡頭畸變幅度略大，測量精度相對有限。但是，針對這一問題，一方面可以采用近景攝影測量方法對相機進行標定，從而獲得較為理想的測量精度。另一方面，伴隨我國的電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，非量測相機的技術(shù)含量及應(yīng)用水平均提到大幅提升。另外，用非量測相機所拍攝的圖像同樣可以實現(xiàn)永久保存。因此，現(xiàn)代化非量測相機已經(jīng)擁有極高的使用率。這種相機對的感光元件主要分為CCD和CMOS兩種類型[5]。其中，CCD元件的特點是結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高，而CMOS元件的特點是集成化程度高、傳送速度快。雖然從理論角度上看，相機的像素越高其測量精度越高。但事實上，如果像素超出一定限值，極有可能因為進光量減少致使測量精度受到不利影響。因此，在針對橋式起重機進行變形檢測時，無需對相機像素提出過高要求。通常情況下，選用像素在5000萬左右的CMOS數(shù)碼相機即可以滿足其檢測精度要求。此類相機根據(jù)感光元件大小差異，可劃分為全畫幅、APS-C畫幅等類型，由于全畫幅相機可以獲得更大的進光量，從而使相片質(zhì)量獲得更加可靠的保障。因此，全畫幅數(shù)碼相機的使用率相對更高。綜合以上因素，筆者建議在使用近景攝影測量方法進行橋式起重機變形量檢測時，選用佳能5DSR相機作為攝影設(shè)備。該相機的有效像素可達到5060萬，采用全畫幅CMOS圖像感應(yīng)器。在拍攝過程中，在畫面中顯示網(wǎng)格線、電子水準儀等信息，輔助測量人員對拍攝效果進行白平衡、降噪處理，而且其像素可以根據(jù)拍攝需要進行調(diào)整。因此，該攝影設(shè)備具有較高的性價比和實用價值[6]。

4.3 非量測相機標定

由于非量測相機本身存在一定的光學(xué)畸變量。所以，在使用此類相機進行橋式起重機變形檢測時，需要采用適合的方式對其進行標定?，F(xiàn)階段，主要存在二維DLT算法和三維DLT算法兩種形式。其中，三維DLT算法雖然擁有較高的技術(shù)水平，但它對于控制場以及控制點布置得科學(xué)合理性存在較高要求。而二維DLT算法標定方式既可以滿足測量精度要求，對于控制場及控制點布置也不存在過高要求，而且運算量相對較少。因此，筆者推薦選用二維DLT算法對非量測相機進行標定；另外，在使用DLT算法計算各個標志點的物方坐標時，存在一定的不穩(wěn)定性。在消除這一弊端問題的過程中，束平差法具有一定使用價值。因此，筆者建議采取DLT算法與束平差法相結(jié)合的方式，進行標志點物方坐標的計算[7]。

5 實驗測量結(jié)果分析

5.1 檢測方案設(shè)計

為了進一步探析基于近景攝影測量法進行橋式起重機變形檢測，本文引進以下測量實例進行輔助分析。某熱電廠橋式起重機的額定起重量為20t，總跨度為23m，起升高度為20m。檢測人員采用佳能5DSR對其進行拍攝，并采用二維DLT算法對其進行標定，由此確定其內(nèi)方位元素。在橋式起重機主梁的適合位置上，增設(shè)了8個人工標志點。在對其進行多方位拍攝之后，獲得一組相片。再借助軟件獲取橋式起重機上各個標志點的坐標儀坐標，再利用光束平差法分別求解8個標志點的物方坐標。當(dāng)獲取到所有標志點的物方坐標值以后，繪制出主梁變形曲線[8]。

5.2 測量方法對比

為了驗證測量結(jié)果是否能夠滿足檢測精度要求，檢測人員分別采用近景攝影測量法、水準儀和全站儀檢測方法對此輛橋式起重機的主梁變形量進行檢測。在檢測過程中，分別記錄下3種方法所得到的測量數(shù)據(jù)。在完成所有測量工作之后，對這3次檢測結(jié)果進行對比分析，以上拱度/跨度檢測結(jié)果為例，水準儀的檢測結(jié)果為1.19%；全站儀的檢測結(jié)果為1.21%，近景攝影測量法的檢測結(jié)果為1.22%。通過這一結(jié)果可以看出，基于近景攝影測量的橋式起重機變形檢測，不但方法可行，而且檢測精度值得信賴[9]。

6 結(jié)語

在今后的橋式起重機變形檢測工作，必將朝著動態(tài)化、智能化、自動化的方向發(fā)展。而基于近景攝影測量對橋式起重機變形量進行檢測，完全符合這一發(fā)展方向。通過運用這種檢測方法，可以幫助檢測人員對橋式起重機“健康”狀態(tài)進行更加客觀準確的評估，從而及時有效地開展設(shè)備維修工作，滿足安全產(chǎn)生、延長設(shè)備使用壽命、提高生產(chǎn)效能等多方面需求。