淺述數字圖像相關方法在土木工程測量中的應用

師 杰 鄧曉威

（1.開封大學土木建筑工程學院，河南 開封 475004；2.河南大學規劃設計有限公司，河南 開封 475004）

數字圖像相關方法是一種現代化全場光學測量技術，具有非接觸、非干涉的特點，已廣泛的應用于航空航天、土木工程測量以及物體形變監測等領域[1]。該方法首先運用在二維測量中，采用單個攝像機進行測量，通過比較變形前后同一平面物體表面的兩幅數字圖像，匹配其對應點從而得到像面位移和應變。但在實際測量中，由于單個相機的局限性，要求相機垂直于被測物表面，同時被測物體表面的離面位移會對測量帶來明顯的誤差，因此二維數字圖像相關方法通常應用于平面物體的面內變形測量。而使用兩個攝像機基于雙目立體視覺原理的三維數字圖像相關方法克服了這一局限，通過標定相機與物體之間的相對位置關系，可以重構出各種形狀物體的三維形貌。數字圖像相關方法是立足于數字圖像處理技術和數值分析技術的光學測量技術，是通過拍攝并匹配變形前后數字圖像中的各個控制點，獲得物體表面形變信息的技術，與其他測量技術相比而言，該技術具有更加簡便的操作流程，能夠適用于更加寬泛的使用環境，所獲得的精度也更高，因此，在土木工程測量中的應用越來越普遍。

1 數字圖像相關方法的應用概況

隨著光學信息技術、計算機技術、圖像識別技術的快速發展，數字圖像相關方法得到了快速發展，逐漸因其測量精度高、非接觸全場測量、環境要求低、操作簡便等優點而應用于各領域中，主要包含了以下幾個方面：

（1）對各種材料形變特征和力學性能的直接測量。在土木工程中常用到類型較多的金屬材料、復合材料等，那么這些材料是否滿足土木工程建設的基本需求，需要進行相應的測量實驗。將數字圖像相關方法應用于土木工程相關材料的表面形變和力學性能監測，可以獲得全場形變信息，進而借助數值分析模塊可以獲得材料的力學參數，如熱脹系數、斷裂韌性、彈性模量、應力強度因子、泊松比、表面粗糙度等[2]。因此，該技術的應用推進了土木工程建設中對材料各種參數的精確把控，提高了材料的綜合利用價值。

（2）在工程結構實際測量中的應用。評估土木工程結構、構件的安全性和可靠度是評估土木工程建設質量的指標之一，將數字圖像相關方法應用于工程結構監測中，可以獲得結構位移或者應變形變信息，如大型橋梁墻式基礎參數的監測等，在此基礎上評估結構、構件的安全性和可靠度。

（3）借助有限元分析方法獲得物體實際表面的形變信息。土木工程建設中通常要借助有限元分析方法進行實驗設計結構是否合理，將數字圖像相關技術融合至有限元模型中，就可以實現理論、仿真、實驗三者數據參數的緊密聯系，進而提高模型改進質量，完善建設模型，對提高土木工程建設整體質量有著積極的推動意義。

2 數字圖像相關方法在土木工程測量中的應用

數字圖像相關方法在土木工程測量中的應用極為廣泛，本文著重介紹該方法在木結構榫卯節點抗拉性能監測中的應用。眾所周知，木結構建筑是我國具有民族特色的傳統建筑物，一棟建筑物在沒有一顆釘子的前提下可以經歷數百年屹立不倒，顯示出木結構強大的可靠性[3]。木結構中榫卯節點是建筑物承載的重要樞紐，因此，在研究木結構建筑物的力學性能時必須研究榫卯節點的力學特征。

2.1 應用條件分析

本文選用常用的杉木作為實驗材料，按照傳統木結構模型進行縮小比例尺制作，主要研究榫卯節點的力學性能變化以及形變信息。此外，纖維增強復合材料FRP具有較高的強度、輕的質量等而廣泛用于維修古建筑，在外側涂抹防火涂料就可以實現既加固木質建筑物的目的，又達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驗的對照組，此外使用鋼材對木質建筑物進行加固也是常用的方法之一，本文選用Q235鋼進行實驗。

2.2 加載及測量方案制定

為了盡可能的模擬木質建筑物構架柱腳的實際載荷，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。在實驗過程中逐漸枋下側單調向上加載，直至構建破壞為止。根據數字圖像相關方法測量的參數要求，本文選擇 使用三維數字圖像相關系統，并在實驗模具表面用不同顏色的噴漆噴涂制成標志點，實驗時采用LED直流光即可[4]。

2.3 實驗結果對比分析

根據上述實驗方案同步進行不同材料的實驗，最終獲得如下結論：對于木質榫卯節點而言，由于木材自身具有特異性，因此在載荷加載過程中的形變呈現出一定的差異性，但總體上破壞形態是一致的，也意味著木質結構的榫卯節點承載能力是大體相當的；隨著載荷量的逐漸增加，榫卯節點邊緣大約有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一步增加。對纖維增強復合材料FRP制作成的節點而言，其形變特征以及拔出量與木質結構的榫卯節點變化差異較大，在載荷加載開始，節點轉動剛度較大，承載力呈直線上升，隨著載荷量的不斷增加，纖維增強復合材料FRP榫卯節點的粘結膠逐漸剝落，當載荷持續增大時，纖維增強復合材料FRP材料逐漸出現褶皺并逐漸開始撕裂，進而承載能力下降[5]。綜上所述，雖然纖維增強復合材料FRP材料屬于脆性材料，但是由于木質材料具有獨特的力學性能，將纖維增強復合材料FRP材料應用于木質結構建筑物的加固中，可以增強該材料的承載能力和延性。對照實驗組使用鋼材進行加固實驗，當載荷加載開始時，加載處的承載力急劇上升，使得榫卯節點出現擠壓現象，當載荷持續加載時，榫頭上部擠壓區變形較大，且鋼箍在枋端連接段逐漸滑移，直至破壞。通過實驗可知，采用鋼材加固木質結構房屋，可以提高榫卯節點的極限承載力，雖然后期出現顯著的滑移現象，但采用該種方法加固，可以進行拆卸，因此具有一定的應用前景。

3 結束語

綜上所述，數字圖像是一種非接觸、全場變形測量技術，其相關方法在土木工程測量中具有極為寬泛的應用前景，在建筑物表面形變監測以及實驗建筑材料力學參數等方面具有精度高、非接觸、全場測量、環境適用性好、操作簡便的優勢，并且在實驗過程中可以獲得全場形變信息，具有廣闊的應用前景。本文主要分析了數字圖像相關方法在土木工程測量木質結構榫卯節點力學性能研究的應用，搭建適用于工程實際測量的自標定數字圖像相關系統，并設計精度實驗，通過兩組對照組的研究表明，采用纖維增強復合材料FRP材料對木質結構建筑物進行加固處理更具優勢。