結構動態位移遠距離攝像測量精度評價

盧成原,秦良忠,周華飛

(1.浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.溫州大學 建筑工程學院，浙江 溫州 325035)

結構動態位移遠距離攝像測量精度評價

盧成原1,秦良忠1,周華飛2

(1.浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.溫州大學 建筑工程學院，浙江 溫州 325035)

摘要：位移是評估結構性能和安全的重要參數.攝像測量有望成為一種實用的位移測量方法，但其遠距離攝像測量精度有待研究.以不同測量距離所測得的位移數據為研究對象，開展了結構動態位移遠距離攝像測量精度試驗，分析了測量距離對攝像測量精度的影響.結果表明：測量距離和目標點振動頻率增加將對測量精度產生顯著影響，導致測量精度大幅降低；攝像測量系統在510 m范圍內仍具有較高的測量精度，滿足工程測量的要求；對廣州新電視塔位移數據分析可知，測量距離增加對結構動態位移頻率測量精度的影響較小.

關鍵詞：結構動態位移；攝像測量；遠距離；精度

Accuracy assessment of long-range videogrammetrey for

structural dynamic displacements

LU Chenyuan1, QIN Liangzhong1, ZHOU Huafei2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China；

2.College of Architecture and Civil Engineering, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China)

Abstract:The displacement is an important parameter for evaluating the behavior and safety of a structure. Videogrammetry is expected to be a practical displacement measurement method, but the accuracy of long-range videogrammetrey needs to be studied. With the displacement data obtained from different measuring distances as the study objective, a measuring accuracy test of long-range videogrammetrey for the dynamic displacements of structures is conducted. The effect of the measuring distance on the measuring accuracy of videogrammetrey is analyzed. It is shown that the measuring distance and the vibration frequency of the target point have a marked effect on the accuracy of videogrammetry, resulting in a significant decrease in measuring accuracy. When the measuring distance is smaller than 510 meters, the measuring accuracy of videogrammetry is still high and meets the monitoring requirements of engineering structures. Based on the analysis of the dynamic displacement data of the Canton Tower, it is found that increasing measuring distance has little influence on the dynamic displacement frequency of structures.

Key words:structural dynamic displacement; videogrammetry; long-range; accuracy

位移是評估結構性能和安全的重要參數[1-2]，往往是健康監測不可或缺的監測內容.盡管傳統的位移測量方法已有很多，但是它們不能完全滿足大型結構動態位移監測的需要，如：LVDT位移傳感器需要不動基準點的要求限制了它在建筑水平位移、橋梁撓度監測等方面的應用；加速度傳感器屬于間接測量方法，應用受到了更多限制；全球定位系統(GPS)具有測量精度高、速度快[3]，但易受衛星信號遮擋、電磁干擾和多路徑效應等影響，限制了它在實際工程中的應用.因此，為了更準確地獲得結構的動態位移信息，急需一種精確實用的大型結構動態位移監測方法.近十幾年來，攝像測量方法已成為結構監測領域的一個新的熱點，并在結構動態位移監測方面已得到了較好的應用.Lee[4]，Caetano[5]和羅洪斌[6]等將攝像測量方法應用于橋梁動態位移的監測.倪一清[7]、陳偉歡[8]等將攝像測量方法應用于高聳結構動態位移的監測.然而，在遠距離攝像測量試驗時，測量精度易受測量距離、目標點振動頻率及大氣環境因素等影響，因此評估遠距離攝像測量系統的工作性能及其精度尤為重要.至今，攝像測量精度的研究僅局限于短距離[9-11]，缺少對攝像測量遠距離精度的研究.

為此，筆者以不同測量距離所測得的位移數據為研究對象，對攝像測量系統遠距離測量精度進行了研究.結果表明：測量距離和目標點振動頻率的增加將對攝像測量精度產生顯著影響，導致測量精度降低.對廣州新電視塔位移數據分析可知，測量距離增加對結構動態位移頻率測量精度的影響較小.

1試驗儀器

1.1位移模擬裝置

在進行現場實測時，由于結構的真實位移不得而知，故無法通過所測得的位移數據來評估攝像測量的精度.鑒于此，自主設計了一套位移模擬裝置來產生虛擬結構位移.攝像系統測得的測量位移減去位移模擬裝置產生的虛擬位移，即為測量誤差.位移模擬裝置主要由兩根相互垂直的鋁合金梁和LED標靶組成，如圖1所示.橫梁固定不動，為縱梁的水平運動提供軌道.橫梁上還固定了一個靜態LED標靶，作為靜態位移監測點.縱梁可沿橫梁水平運動，以模擬結構的水平位移.動態LED標靶可沿縱梁豎向運動，以模擬結構的豎向位移.縱梁水平運動和動態LED標靶豎向運動的組合則可產生任意的平面運動.位移模擬裝置通過微機控制產生虛擬結構動態位移，用戶可通過位移模擬軟件輸入振動頻率低于2 Hz的任意運動軌跡，如正弦波、白噪聲、圓和正方形等.

圖1　位移模擬裝置Fig.1　Virtual displacement generation device

1.2結構位移攝像測量系統

結構位移攝像測量系統主要由以下幾個部分組成：1) 工業數字攝像機及變焦鏡頭；2) 千兆網卡的筆記本電腦；3) 自開發的系統軟件，如圖2所示.本系統采用Prosilica GigE生產的GE1050工業數字攝像機，像素為1 024×1 024，最高采樣頻率為60 Hz；變焦鏡頭的焦距為900 mm，具有較高的遠距離測量精度.自開發的系統軟件可自行調節相機的曝光度和采樣頻率，并能實時分析和儲存目標點水平向和豎向的位移變化.

圖2　攝像測量系統Fig.2　Videogrammetry system

2試驗場地

在某一晴朗、無風天氣進行遠距離攝像測量精度試驗.在綜合考慮視線通道、行人車輛干擾等實施關鍵問題后，將試驗場地選擇在三幢五層建筑物屋頂上，并在合適位置分別布置測點1、測點2和測點3，如圖3所示.由于低矮房屋在風荷載作用下水平向和豎向位移均較小，故該三幢建筑物的水平向和豎向的動態位移均可忽略.為了更好地評估攝像測量系統在不同距離下的測量精度，分別將工業數字攝像機架在測點1、測點2和測點3，并對同一個位移模擬裝置進行實時監測，試驗距離分別為100，240，510 m.為了捕捉到更多的位移信息，將工業數字攝像機的采樣頻率設置為30 Hz.

圖3　試驗場地Fig.3　Experiment site

3數據分析

3.1靜態位移測量精度評估

在三個測點上分別架設工業數字攝像機，并對位移模擬裝置中的靜態LED標靶進行實時監測.圖4為不同測量距離下所測得的水平向與豎向靜態位移測量誤差時程.由圖4可見：隨著測量距離增加，測量誤差逐漸增大.表1為不同測量距離所測得的靜態位移測量誤差值比較.由表1可見：當測量距離小于240 m，水平向與豎向位移測量誤差的平均值均小于0.3 mm；最大值均小于1.5 mm.隨著測量距離逐漸增大，攝像測量系統的測量精度大幅降低.當測量距離增至510 m時，水平向與豎向測量誤差平均值分別為1.139，1.159 mm，最大值分別為4.219，4.357 mm.

3.2動態位移測量精度評估

為了研究測量距離和目標點振動頻率對攝像測量精度的影響，為此開展了攝像測量動態位移試驗.位移模擬裝置中動態LED標靶產生四個頻率分別為0.1，0.5，1，2 Hz且幅值均為25 mm的水平向正弦波.在三個測點上分別架設工業數字攝像機，并對其進行實時監測.圖5為不同測量距離及不同振動頻率所測得的測量位移與虛擬位移比較.由圖5可見：在距離為100，240 m所測得的測量位移與虛擬位移吻合很好.攝像測量的相對誤差可定義為

(3)

圖4　不同測量距離所測得的靜態位移測量誤差時程圖Fig.4　Time histories of static displacements measurement errors under different measuring distances

測量距離/m100240510水平向誤差平均值/mm0.1630.2361.139水平向誤差最大值/mm0.8721.4574.219豎向誤差平均值/mm0.1210.2841.159豎向誤差最大值/mm0.6631.2984.357

圖5　不同測量距離及不同振動頻率所測得的測量位移與虛擬位移比較Fig.5　Comparison of displacement measured under different measuring distances and target point vibration frequency

式中：x可表示為位移數據中最大峰值位移、最小峰值位移及標準差；v，m分別為攝像測量系統和位移模擬裝置.

根據式(3)可計算出攝像測量的相對誤差，如表2所示.表2中的Amax，Amin分別為平均最大峰值位移和平均最小峰值位移.由表2可知：在同一個測量距離下，隨著目標點振動頻率增加，測量誤差逐漸增大.在相同振動頻率下，攝像測量精度隨著測量距離增大而逐漸降低.當測量距離在240 m范圍內，測量精度受距離變化影響較小，其相對誤差均小于2%.當測量距離增至500 m，測量誤差大幅提高，但攝像測量系統仍具有較高的測量精度，除了目標點振動頻率達到2 Hz以外，其余所測得的相對誤差均小于5%，滿足工程測量的要求.

3.3廣州新電視塔位移數據模擬

將GPS所測得的廣州新電視塔水平向位移實測數據作為真實位移輸入至位移模擬裝置，并采用工業數字攝像機在三個不同測點對其進行動態位移監測.由于GPS具有較高的測量精度，因此可近視為廣州新電視塔的真實位移.廣州新電視塔位于中國廣州市海珠區，是廣州市的一個標志性建筑.新電視塔具有超高細柔、形態奇特及結構復雜等特點，在超高層建筑史上具有重要的里程碑意義.圖6為不同測量距離所測得的測量位移與真實位移比較.由圖6可知：在不同測量距離所測得的動態位移時程曲線與廣州新電視塔真實位移時程曲線較為吻合.表3為不同測量距離所測得的測量誤差比較.由表3可知：測量精度隨著測量距離增大而降低.測量距離在510 m范圍內，測量誤差的平均值均小于1 mm.

頻譜分析是動態觀測時間序列研究的一個途徑，該方法是將時域內的觀測數據序列通過傅里葉級數轉換到頻域內進行分析，有助于確定時間序列的準確周期并辨別隱蔽性和復雜性的周期數據[8].分別對不同測量距離測得的位移數據和真實位移數據進行FFT分析，如圖7所示.不同測量距離所測得的位移頻率與真實位移頻率較為接近，均為0.097 7 Hz.因此，測量距離增加對結構動態位移產生了顯著影響，而對結構動態位移頻率影響較小.

表2　不同測量距離及不同振動頻率所測得的相對誤差值比較

圖6　不同測量距離所測得的測量位移與真實位移比較Fig.6　Comparison of measured and real displacement under different measuring distances

測量距離/m100240510誤差平均值/mm0.2890.4770.880誤差最大值/mm1.0061.4683.017誤差標準差/mm0.2040.2490.637

圖7　測量位移與真實位移頻譜圖比較Fig.7　Comparison of measured and real displacement spectrum

4結論

以不同測量距離所測得的位移數據為研究對象，開展了結構動態位移遠距離攝像測量精度試驗.結果表明，測量距離和目標點振動頻率增加對測量精度產生了顯著影響，導致測量精度降低.測量距離在240 m范圍內，測量精度受距離變化影響較小；測量距離增至500 m，測量誤差大幅提高，但攝像測量系統仍具有較高的測量精度，除了目標點振動頻率達到2 Hz以外，其余所測得的相對誤差均小于5%，滿足工程測量的要求；對廣州新電視塔位移數據分析可知，測量距離在510 m范圍內，測量誤差的平均值均小于1 mm，且測量距離增加對結構動態位移頻率測量精度的影響較小.

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(責任編輯：陳石平)

文章編號：1006-4303(2015)06-0680-05

中圖分類號：TU196.4

文獻標志碼：A

作者簡介：盧成原(1964—)，男，浙江東陽人，教授，主要從事土木工程方面的研究，E-mail：zgdlucy@sina.com.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51208384)；浙江省錢江人才計劃項目(2012R10071)；浙江省自然科學基金項目(LY12E08009)

收稿日期：2015-05-13