基于圖像技術(shù)的橋梁位移遙測系統(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)對橋梁的動態(tài)位移進行遠程測量，該系統(tǒng)具有高分辨力動態(tài)測量、遙感、經(jīng)濟有效、實時性、可視性、易于安裝操作、無電磁干擾等創(chuàng)新特征。配有伸縮裝置的數(shù)碼攝像機對測量區(qū)的目標(biāo)進行動態(tài)圖像拍攝，目標(biāo)位移通過圖像處理技術(shù)進行計算。該技術(shù)需要一套目標(biāo)識別運算法則、捕捉圖像投射、利用目標(biāo)幾何數(shù)據(jù)和像素移動數(shù)量計算的實際位移。為了驗證效果，先后進行了實驗室振動臺測試以及某箱梁橋的實地測試，測試結(jié)果在頻率和振幅兩方面均顯示了充分的動態(tài)分辨力。

關(guān)鍵詞：基于圖像的系統(tǒng)；位移測量；遙感；實時；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。結(jié)構(gòu)物所有者需要獲得測量得出的結(jié)構(gòu)物反應(yīng)來核實結(jié)構(gòu)物行為在假定外部干擾情況下是否充分，進而防止受損、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)濟有效的方式牢固安裝到橋梁上，因為多數(shù)橋梁都跨過活動的高速公路、河流、海峽或山地。

線性差動變換器（LVDT）、指示表等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)位移傳感器在橋梁的某個測量點進行位移測量，通?？梢赃x取任何角度并且能夠達到結(jié)構(gòu)測量的分辨率要求。然而這種裝置要求一個靠近測量點的靜態(tài)平臺作為參照，傳感器的兩端將分別固定到測量點和參照點。由于傳感器本身機制的原因，這些點之間的距離不易于調(diào)整。有時會利用連接線來克服困難，卻降低了準(zhǔn)確性。這是制約利用線性差動變換器（LVDT）測量橋梁位移的問題所在。

還有些最近產(chǎn)生的其它類型的非接觸式位移測量系統(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。激光多普勒振動儀效果較好但是同樣比本文提出的系統(tǒng)昂貴得多，同時用于我們預(yù)想遙感距離（75m，甚至100m以上）的激光密度可能達到危險的程度。

有人建議，通過相應(yīng)數(shù)字二重積分加速時間關(guān)系曲線建立位移時間關(guān)系曲線，并對基線進行適當(dāng)更正[9]。這個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，這個方法很少能夠提供可靠的數(shù)據(jù)，特別是在實地測試中。通過應(yīng)變數(shù)據(jù)計算位移[10]對噪音是非常敏感的，而且需要沿著一條有意義的力學(xué)線路在盡量多的點上測量橋面張力和壓力，以便對橋梁的撓曲形狀進行準(zhǔn)確估算。有人曾使用具有成像能力的微波干涉儀對一座真比例尺建筑進行了測量[11]，圖像是通過合成孔徑干涉測量雷達獲取的，合成微波圖像的相位信息被用于探測照亮的結(jié)構(gòu)。然而，這些設(shè)施都非常昂貴而且不易于運用。

基于圖像的方法為橋梁位移測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)對的挑戰(zhàn)，比如特制的光學(xué)裝置[12]，離線復(fù)雜信號處理技術(shù)[13]等。事實上還有用于遙測橋梁位移的經(jīng)濟有效性稍差的傳感器系統(tǒng)，同時具有可靠性、準(zhǔn)確性、便于使用性、實時性等特點。出于此原因，本研究提出了一套利用實時數(shù)碼圖像處理技術(shù)測量橋梁動態(tài)位移的系統(tǒng)。這種技術(shù)極其經(jīng)濟有效、易于操作，同時具有高水準(zhǔn)分辨率動態(tài)位移測量的優(yōu)點。

2. 基于圖像的位移測量系統(tǒng)

2.1 概述

圖-1顯示的是基于圖像的橋梁實時位移測量系統(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)記測量點；在與橋梁有一定距離的固定點（例如，岸上）或橋墩（橋臺）上安裝一臺具有伸縮鏡頭的商務(wù)數(shù)碼攝像機，安裝點可以視為固定點；然后攝像機拍攝測量點目標(biāo)的動態(tài)圖像。同時，目標(biāo)的動態(tài)（橋梁的位移）通過圖像處理技術(shù)進行計算，該技術(shù)需要一套目標(biāo)識別運算法則、捕捉圖像投射、利用目標(biāo)幾何數(shù)據(jù)和像素移動數(shù)量計算的實際位移。

利用數(shù)碼圖像處理技術(shù)基于圖像位移測量系統(tǒng)的硬件包括：一個目標(biāo)物、一個伸縮鏡頭、一臺數(shù)碼攝像機、一個IEEE1394端口和一臺筆記本電腦；軟件包括：連續(xù)圖像捕捉技術(shù)、目標(biāo)識別運算法則、對捕捉到的圖像進行三角轉(zhuǎn)換計算、通過在線圖像數(shù)據(jù)計算實際位移以及對計算出位移的可視化和儲存。本研究采用了一臺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，一組安裝在攝像機上用于跟蹤目標(biāo)的具有8倍光學(xué)變焦能力的鏡頭，一臺用于處理實時數(shù)據(jù)配置為奔騰M 1.6Ghz處理器、512M內(nèi)存筆記本電腦。全部裝備費用總和不超過2000美元，這種花費對于一套能夠?qū)崟r跟蹤橋梁位移測量的系統(tǒng)是非常劃算的（圖-2a）。實時位移測量軟件的界面如圖-2b所示，目前支持對圖像捕捉裝置、視頻格式和30幀/秒以內(nèi)實時圖像幾個方面的手動選擇。

2.2 利用圖像處理技術(shù)的位移測量

圖-3所示的目標(biāo)有4個已知幾何數(shù)據(jù)的白點和黑色背景。水平長度（Lx）和垂直長度（Ly）的選取需綜合考慮預(yù)期測量位移的最大值以及數(shù)碼攝像機、伸縮鏡頭的性能。為了能夠辨認出目標(biāo)上的白點，以背景和目標(biāo)區(qū)的亮度為基礎(chǔ)計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。

四個白點的中心可以通過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）就被確定出來了。三角轉(zhuǎn)換矩陣（T）和比例因數(shù)（SFx， SFy）計算過程如下：

T=， SFx=， SFy= （2）

其中[X1 Y1]T=[x1 y1]T/， [X2 Y2]T=[x2 y2]T/，實際位移（[dx dy]T以目標(biāo)移動像素數(shù)量（[xy]T為基礎(chǔ)進行計算，轉(zhuǎn)換矩陣和比例因數(shù)為：

[dx dy]T=T[x y]T （3）

3. 震動臺試驗驗證

為了驗證本辦法，進行了實驗室振動臺測試。通過圖像處理技術(shù)測出的位移與接觸式傳感器，線性差動變換器（LVDT）得出的數(shù)據(jù)進行了比照。圖-4顯示的是測試設(shè)備以及裝有伸縮鏡頭攝像機拍到的圖片。分別在距目標(biāo)16m遠垂直于和20°偏斜于目標(biāo)的地方對2Hz和4Hz刺激頻率下的目標(biāo)進行了位移測量。圖-5顯示了對比結(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

本研究提出了利用數(shù)字圖像處理技術(shù)基于圖像的動態(tài)位移測量系統(tǒng)，該方法的可操作性和有效性在實驗室振動臺測試和鋼制箱梁實地測試中得到了驗證。在實驗室測試中，本系統(tǒng)測得的位移與接觸式傳感器，線性差動變化器（LVDT）得出的數(shù)據(jù)進行了對比，結(jié)果與傳統(tǒng)傳感器相近，最大值誤差卻低3%。在實地測試中，不同載重和行走速度的自卸車被用于車輛荷載測試。本文提出的系統(tǒng)測得的位移與激光振動儀得出的結(jié)果相近，而測量噪音卻要小得多。測試結(jié)果在振幅和頻率方面都顯示了充分的動態(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量橋梁位移?；趫D像的實時位移測量系統(tǒng)具有創(chuàng)新性、較強的經(jīng)濟有效性、易于安裝，并且具有高分辨力動態(tài)測量的優(yōu)勢。因此，可以期待的是本技術(shù)能夠為傳感器和橋梁監(jiān)控領(lǐng)域增加一項高級而強大的補充。本文提出的基于圖像的橋梁位移遙測的系統(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)力會導(dǎo)致攝像機震動，而震動中的攝像機捕捉到的目標(biāo)動作將會被極大地放大。因此，在橋梁現(xiàn)場安裝攝像機時須使用防風(fēng)設(shè)備。為了能夠在夜間或多云時辨別目標(biāo)，可以利用光源對目標(biāo)區(qū)進行照明。在任一種情況下，都需謹慎操作。

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

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

參考文獻

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