基于近景攝影測量的橋式起重機變形檢測系統研究

陳志群

撫州市特種設備監督檢驗中心 江西撫州 344000

在應用傳統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并且可以實現永久保存，為其他后續工作提供重要參考。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性以及應用價值，有必要針對其應用策略進行全面系統的探究。

1 近景攝影測量方法概述

近景攝影測量是攝影測量學科與遙感學科相互結合的產物，可針對距離100m以的內被測對象進行攝影測量。在實際測量時，需要在適合位置設置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；再利用計算機和數字化圖像處理技術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據。現階段，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用優勢，具體采用何種方法，需要設備檢測人員依據實際測量需求進行合理選擇。從近景攝影測量法的技術特點上看，突出表現在以下幾個方面：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、對比等環節中進行重復使用；第二，大幅減少戶外作業工作量；第三，依托現代化硬件設備和軟件系統，使測量精度及可靠性獲得保障。

2 應用可行性分析

將近景攝影測量應用于橋式起重機變形檢測當中，需要使用近景攝影測量設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字化相片輸入到計算機當中，由計算機當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檢測數據，幫助檢測人員全面掌握橋式起重機設備的相關參數。在使用近景攝影測量檢測方法主對橋式起重機梁下撓度進行檢測時，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，待主梁穩定之后，再拍攝第二組相片。至此環節，完成測量工作。測量人員將兩組相片輸入到計算機當中，由專業軟件對相關數據信息進行解算，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，即可求出主梁的下撓值和下撓度。如果沿著主梁跨中向兩端設置多個測點，即可獲得多個下撓值，針對這些數據進行擬合處理之后，還可以繪制出主梁下撓度曲線，從而更加全面、真實地反映出主梁下撓的實際情況，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果表明，近景攝影測量法在測量原理方面具有更強的科學合理性，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 國內發展現狀

在我國，應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院于承新和武漢測繪科技大學徐芳等人利用數碼相機對鋼結構變形情況進行監測，最終所得到的檢測結果與傳統鋼架力學分析檢測結果相一致；隨后，同濟大學程效軍、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，研究人員發現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，中國礦業大學高井祥等人結合2002年國家質檢局頒布的《起重機械監督檢驗規程》，對近景攝影測量法的理論誤差和精度評定進行了系統化研究。其研究結論是，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。這一結論進一步說明將近景攝影測量法應用于橋式起重機變形檢測當中，可以幫助設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方案，提高相關工作的合理性與實效性[2]。

4 檢測方案設計

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，如果按照常規方法使用非量測相機進行拍攝與測量，極有可能專業軟件無法針對像片當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方位元素。對此，需要檢測人員對測量區域進行實地考察，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字圖像；將這組數字圖像傳送至計算機當中，使用專業軟件對圖像進行數字化處理，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工作提供參考依據[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，該支架與起重機之間的距離要大于2m；②調整好兩個投點儀和橋式起重機之間的相對位置關系，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整并進行拍攝，得到另一組照片。⑥將所有照片導入專業軟件當中，計算出橋式起重機主梁在增加負載前后的變形量[4]。

4.2 選擇攝影設備

在運用近景攝影測量方法的過程中，相機是最為關鍵的設備。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，全數字型測量相機。此類相機的內部方位元素已經經過嚴格校正，可將鏡頭畸變量控制在最小范圍之內。但是，此類設備的內部結構較為復雜，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當中，在普通測量工作中，使用率相對較低；第二類，非量測相機。此類設備并非測量專用相機，所以其內方位元素未知。而且與數字化相機相比，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、半導體技術的快速發展，非量測相機的技術含量及應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永久保存。因此，現代化非量測相機已經擁有極高的使用率。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元件的特點是結構簡單、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數碼相機即可以滿足其檢測精度要求。此類相機根據感光元件大小差異，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，從而使相片質量獲得更加可靠的保障。因此，全畫幅數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相機作為攝影設備。該相機的有效像素可達到5060萬，采用全畫幅CMOS圖像感應器。在拍攝過程中，在畫面中顯示網格線、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拍攝需要進行調整。因此，該攝影設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。現階段，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水平，但它對于控制場以及控制點布置得科學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合的方式，進行標志點物方坐標的計算[7]。

5 實驗測量結果分析

5.1 檢測方案設計

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，由此確定其內方位元素。在橋式起重機主梁的適合位置上，增設了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據。在完成所有測量工作之后，對這3次檢測結果進行對比分析，以上拱度/跨度檢測結果為例，水準儀的檢測結果為1.19%；全站儀的檢測結果為1.21%，近景攝影測量法的檢測結果為1.22%。通過這一結果可以看出，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 結語

在今后的橋式起重機變形檢測工作，必將朝著動態化、智能化、自動化的方向發展。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”狀態進行更加客觀準確的評估，從而及時有效地開展設備維修工作，滿足安全產生、延長設備使用壽命、提高生產效能等多方面需求。