基于激光和圖像分析的錨碇結構位移監測系統

藍章禮,姚進強,張 洪,田 源,蘭天鳳,

(1. 重慶交通大學 信息科學與工程學院,重慶 400074；2. 重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074)

基于激光和圖像分析的錨碇結構位移監測系統

藍章禮1,姚進強1,張 洪2,田 源1,蘭天鳳1,

(1. 重慶交通大學 信息科學與工程學院,重慶 400074；2. 重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074)

針對三峽庫區蓄水后水蝕環境下懸索橋隧道錨的受力與損傷情況,在激光投射式位移傳感技術和圖像處理技術的基礎上,提出了一種錨碇結構位移監測新系統。該系統通過圖像像素標定,確定了圖像平面與空間物理表面的映射關系,并利用一種基于動態梯度光斑中心定位算法的實用性改進方法,計算出了錨碇的位移。實驗結果表明:系統測量精度高、穩定性好,能夠達到錨碇結構位移在線監測的性能要求。最后,為了使系統能夠盡快在更多的大型建筑物安全監測中得到應用,對實驗進行了誤差分析,并給出了誤差應對策略。

橋梁工程；錨碇；變形；位移監測；激光；圖像

0 引 言

三峽庫區蓄水后,水蝕環境復雜的應力場、滲流場會降低隧道錨及圍巖穩定性,改變錨碇的受力和外形,而錨碇承受著來自主纜的水平力和豎向反力,是懸索橋主要承載結構之一,一旦錨碇結構發生破壞,會造成橋毀人亡的特大事故,后果不堪設想[1-3]。因此,針對三峽庫區蓄水后水蝕環境下的懸索橋隧道式錨碇結構位移監測方法及裝置的研發十分必要、迫切。

筆者通過對現有各種撓度/位移測量系統的研究和分析[4-7],提出了一種利用激光進行錨碇結構位移監測的方法[8],并以重慶忠縣長江大橋為研究對象,開發了基于激光和圖像分析的錨碇結構位移監測系統(以下簡稱“錨碇位移監測系統”)。該監測系統能夠快速、準確、便捷地反演出人眼無法察覺的錨碇結構位移；同時克服了傳統的觀察、靜載試驗錨碇結構位移檢測方法存在的費用高、時間長、又要中斷交通,且由于橋梁結構巨大,很難全面獲知橋梁技術狀況的準確信息等問題。

1 系統組成及測量原理

1.1 系統組成

錨碇位移監測系統主要包括：準直激光發射器、光斑接收裝置、圖像采集卡、預裝相應軟件的工業計算機。其中,光斑接收裝置由光斑接收靶和視頻采集設備組成,系統組成如圖1。

圖1 系統組成Fig.1 System structure

1.2 測量原理

在實際的錨碇結構位移監測中,將準直激光發射器固定安裝于合適的不動點(參考點),光斑采集裝置固定安裝于錨體的前錨面(待測點)。系統工作時,準直激光發射器發射的激光束以一定的角度投射到光斑接收靶的靶面上形成光斑;同時,激光光線與光斑接收靶的靶面之間有一夾角θ。視頻采集設備設于光斑接收靶的正后方,在任一時刻,從視頻采集設備輸出的模擬視頻信號經圖像采集卡采集后,可進行計算機軟件處理得到光斑接收靶上光斑中心的坐標位置。

一旦錨碇結構發生位移,光斑接收靶隨之發生相同的位移,使得光斑在光斑接收靶上的位置發生變化,如圖2。在一定的監測頻率內,系統對光斑在光斑接收靶上的位移L2進行采集,將每次采集的位移L2帶入光斑接收靶位移L1的計算公式[8]：L1=L2tanθ,計算出光斑接收靶沿法向移動的位移L1,即可得到錨碇在受力方向位移L1。監測系統獲取大量錨碇位移數據后,通過限幅消抖濾波、快速傅里葉變換(FFT)等軟件處理,輸出錨碇的蠕動頻率、幅度、長期走勢相關數據。

圖2 光斑接收靶移動前后的結構Fig.2 Structure diagram on displacement of laser spot target

2 數字圖像像素的標定

要測量光斑的實際位移大小,必須對數字圖像中的像素進行標定,建立物面與像面的映射關系,確定圖像中每個像素所表示的實際物體的長度和寬度。根據系統的應用環境,并綜合考慮精度與效率的要求[9-10],設計了基于平面的正交網格標定法。

高精度的網格光斑接收靶標固定于攝像設備正前方。靶標平面坐標系為XW-YW,視在世界坐標系中ZW=0。實際圖像像素坐標系為XS-YS(圖3)。系統采集圖像后經過特征提取、濾波、畸變校正等處理,便可確定世界坐標系中的點M1(XW1,YW1,0),M2(XW2,YW2,0)對應圖像平面中的點m1(u1,v1),m2(u2,v2)的坐標。代入式(1),得出水平像素當量k1的值和垂直像素當量k2的值。

(1)

式中：k1和k2稱為系統的像素當量,指每個像素代表的實際長度值(mm/pixel)。

圖3 坐標轉換示意Fig.3 The coordinate conversion schematic

3 激光光斑中心檢測

錨碇位移監測系統的核心技術是錨碇結構位移檢測,錨碇結構位移檢測是通過測量激光光斑中心位置的移動值來反推錨碇結構位移。因此,激光光斑中心的準確定位,直接影響系統測量的精度。為此需要一種能在實際使用中快速、精確、穩定、抗干擾的光斑中心定位方法。基于此，筆者提出基于文獻[11]的實用性改進方法,實現流程如圖4。

圖4 算法基本流程Fig.4 The basic flow procedure of the algorithm

3.1 光斑識別

在圖5所示的光斑圖像中,衍射條紋、散射的弱光總體亮度都低于光斑中心的亮度。為了濾除亮度較弱的部分,首先對整幅圖像進行掃描,把每個像素的R值帶入梯度算子經驗公式(2)進行運算,找出圖像中最大R值梯度數值。然后,設定標識閾值,比如把標識閾值設為最大梯度值的1/2.8。最后,再次掃描圖像,把R梯度值大于標識閾值的置為“1”,標記為白點,小于標識閾值的置為“0”,標記為黑色。這樣便濾除光斑中亮度較弱的部分,識別出激光信號,得到了一幅黑白色的二值圖像；

(2)

式中：f(x,y)為圖像函數,G[f(x,y)]為圖像在點(x,y)處的梯度值。

圖5 典型激光光斑圖像Fig.5 The typical image of laser spot

3.2 形態學濾波

經過二值化后的圖像,仍然會存在著一些噪點,這將會對系統的運算精度產生很大的影響,因此需要對圖像做進一步的除燥處理,來提高光斑定位的精度。采用3×3的白色方塊結構元S(Structuring elementS)作為遮罩(Mask),圖像本身作為一個二值圖像B(Binary imageB)首先進行一次開啟(Opening)運算消除外部鹽性噪聲點,再進行一次閉合(Closing)運算去除光斑中的暗點。如式(3)：

(3)

3.3 圓心擬合

由于光斑近似成橢圓,圓是橢圓的特殊形式,所以采用了一種基于最小二乘原理的橢圓擬合的方法[12-14]。即利用鄰域法求取二值圖像中的光斑邊緣點,再依據邊緣點到理想橢圓的距離平方和最小原理,通過橢圓來逼近激光光斑輪廓,求出光斑中心。

假設橢圓的一般曲線方程表示為

ax2+bxy+cy2+dx+ey+f=0，

(4)

則橢圓可以表示為兩向量相乘的隱式方程。

F(a,x)=aTx=ax2+bxy+cy2+dx+ey+f=0，

(5)

式中：a=[abcdef]T；x=[x2xyy2xy1]T。

因為存在殘差,F(a,xi)在點(xi,yi)不為0。其中：F(a,xi)為點(xi,yi)到曲線F(a,x)的代數距離,(xi,yi)表示光斑邊界點坐標,i∈E,E表示所有邊界的集合。

根據最小二乘原理,使得目標函數Q的值最小,來確定參數矩陣a。

(6)

根據極值原理,對Q求偏導：

(7)

為了避免零解,不失橢圓的一般性,可加一約束條件a+c=1,應用求解線性方程組的算法(矩陣求逆或者全主元高斯消去法),便可求得橢圓方程的參數a,b,c,d,e,f,從而計算出橢圓中心坐標(xc,yc)：

(8)

4 實驗分析及討論

實驗用以檢驗錨碇位移監測系統的性能和實際應用效果,此外,還可以分析系統存在的不足,有助于更好地完善系統。

4.1 精度實驗

實驗采用了視頻采集設備為720×576像素的工業攝像機,攝像范圍約為56mm。將激光器固定在一個固定點,光斑接收裝置固定安裝于可移動平臺上,且該平臺的移動可由一個裝有螺旋測微儀的推桿推動。由于實驗所使用螺旋測微儀的測量范圍只有25mm,所以只分別對平臺移動了3,6,10,15,25mm,進行測量。為了確保實驗的準確性,每組實驗分別進行了5次,每組實驗數據為去除最大值和最小值后取的平均值,實驗數據如表1。

表1 精度實驗結果Table 1 Result of precision experiment

由表1可知,隨著平臺向前移動一段距離,光斑接收靶上的光斑也隨之移動了同樣的距離。同時,各個測量點均存在著不同程度的測量誤差,且這些誤差成非線性。其中,系統的最大測量絕對誤差為0.138 5,最大測量相對誤差為2.16%。參照日本本州四國連絡橋公團設計標準[3]：長大吊橋錨碇水平位移容許值為δ=0.017×L(cm),其中L為中跨跨長,單位為 m。錨碇由沉降和水平位移引起的塔底應力應不超過其容許應力值的5%,以及前期的綜合分析,可以判斷系統的測量精度滿足錨碇安全監測需求。

4.2 在線實驗

將錨碇位移監測系統安裝在主跨為560 m的重慶忠縣長江大橋進行監測實驗,監測系統分別布設于重慶市忠縣主城側的左右錨室內。為了精確地分析出錨固區的變化情況,結合了懸索橋錨碇結構長期安全監測合理測點布置技術研究[3],在每間錨室內布設了兩個高精度的激光檢測系統。同時系統通過溫濕度傳感器來修正檢測的參數。現場工作站布局如圖6。

圖6 現場工作站布局Fig.6 The field workstation layout

以2014年10月18日凌晨兩點為起點,分析了錨碇的蠕動情況。因監測數據較多,為說明問題,圖7只對測點2的測量數據作了呈現。圖7中描繪了位移—時間曲線和溫度—時間曲線。其中,錨碇位移監測系統的采集周期為半個月,采集頻率為10 min/次,考慮到數據采集過程中外界因素的干擾,每小時取定1組有效數據。

圖7 在線實驗數據Fig.7 Online experiment data

由圖7可知,測點2處溫度保持在23 ℃左右,數據的位移平均值為0.006 6 mm,最小位移幅度為0.000 3 mm,最大位移幅度為0.079 3 mm,數據走勢基本穩定,驗證了系統的穩定性。此外,不難看出,圖7中依然存在很多數據噪聲,系統并沒有達到理論上的測量穩定性。

4.3 誤差分析與討論

分析精度實驗和在線實驗中存在誤差的可能原因以及誤差應對策略：

1)實驗所采用的攝像機鏡頭為市場上的普通器材,存在一定的非線性畸變。如：長焦距鏡頭易產生枕形失真,而廣角鏡頭易產生桶形失真。

誤差應對策略：采用更高質量的中等焦距攝像機鏡頭。

2)準直激光器發出的準平行光束并不是完全平行的,存在很小的發散角,加上激光光束在空間有一段傳輸距離,最終導致位移測量存在很難察覺的細微偏差。

圖8是激光散射誤差示意。圖8中,BC，B′C′分別為激光光束在移動前和移動后的靶面的投影,且BC∥B′C′。M，M′分別為激光光軸的射線與靶面移動前和移動后的交點,AB，AC為激光光束的上下邊界,光軸AM為∠BAC的角平分線,AN為△ABC的中線。橢圓中心擬合法所求的是激光光束的中線與靶面的交點,即點N和N′,由幾何知識可證明EN′>FM′,即系統所檢測的光斑位移大于光斑的實際位移。

圖8 激光散射誤差Fig.8 Small angle laser scattering error

誤差應對策略：①根據測量要求,設計出更高質量的大口徑、長焦距的透鏡組作為激光準直裝置的會聚透鏡,來減小激光束線發散角。②由圖8,不難證明：

(9)

結合式(9),對光斑中心檢測算法進行優化,以激光光束的光軸與靶面的交點為位移檢測坐標,即點M和M′。

5 結 語

對于復雜的懸索橋錨碇穩定性問題,筆者在研究中充分利用了激光良好的方向性,發揮了激光弱光環境下測量的優勢,對激光傾斜投射的難題進行突破,研發出測量成本低、測量精度高、穩定性和防腐性能好的遠程監測系統,能有效地實現水蝕環境下錨碇結構位移在線監測,對懸索橋的綜合安全評估有重要意義。然而,系統也存在一些缺陷,會在以后的研究中繼續補充和改進。

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Anchorage Displacement Monitoring System Based on Laser and Image Analysis

LAN Zhangli1,YAO Jinqiang1,ZHANG Hong2,TIAN Yuan1,LAN Tianfeng1

(1. School of Information Science & Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P. R. China；2. School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P. R. China)

A new system was developed for monitoring displacement of anchorage structure based on image processing technology and laser projection displacement sensing technology for purpose of monitoring the stress and damage suffered by the tunnel-type anchorage structure in the complex water erosion condition after the inundation of Three Gorges reservoir. Firstly, the relationship between the spatial point and the plane point was established by pixel calibration. Secondly, the displacement of anchorage was calculated by use of the practical improved method based on dynamic gradient spot center positioning algorithm. Thirdly, the experimental results have proved the high accuracy and stability of the system which satisfies the required performance for long-term online displacement monitoring of anchorage structure. Finally, in order to broaden the application of the system in safety monitoring for large structures in earlier time, some errors in the experiment are analyzed and the countermeasures against such errors are provided.

bridge engineering；anchorage；deformation；displacement monitoring；laser；image

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.03

2014-12-06；

2015-04-15

國家自然科學基金項目(51278512)；重慶市國土資源和房屋管理局科技計劃項目(CQGT-KJ-2014029)

藍章禮(1973—),男,重慶人,教授,博士,主要從事橋梁健康監測、數子圖像處理與模式識別方面的研究。E-mail:lz17309@126.com。

TP216

A

1674-0696(2016)02-009-04