斜拉橋氣彈模型拉索振動(dòng)數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)

陳艾榮，涂 熙，馬如進(jìn)

（同濟(jì)大學(xué) 橋梁工程系，上海200092）

氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)是現(xiàn)階段研究橋梁抗風(fēng)的主要方法，是了解結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能、驗(yàn)證結(jié)構(gòu)抗風(fēng)安全度的重要途徑［1］.針對纜索承重體系橋梁，目前氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)主要觀測主梁、橋塔的振動(dòng)響應(yīng)，而斜拉索、主纜等構(gòu)件卻不在風(fēng)洞試驗(yàn)研究范圍之列，其原因在于此類構(gòu)件重量輕、外形小，不適用于目前的振動(dòng)、位移測量設(shè)備.因此，使用數(shù)字?jǐn)z影測量是較好的解決方案.

美國攝影測量與遙感協(xié)會（ASPRS）對攝影測量的定義為：通過對拍攝圖像的記錄、測量和解譯過程來獲取有關(guān)物理對象可靠信息的科學(xué)與技術(shù)［2］.數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)是攝影測量和數(shù)字圖像識別相結(jié)合的產(chǎn)物.其核心內(nèi)容包括獲取圖像坐標(biāo)，圖像坐標(biāo)的物理坐標(biāo)還原，以及借助計(jì)算機(jī)對數(shù)字圖像進(jìn)行位移數(shù)據(jù)處理等.數(shù)字圖像識別技術(shù)從上世紀(jì)80年代中期到90年代取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展［3］，數(shù)字?jǐn)z影測量的精度大幅提高.該技術(shù)所需設(shè)備簡單，操作空間要求少，亦改善傳統(tǒng)測量儀器的量程限制，且測量點(diǎn)數(shù)量可以任意設(shè)置，節(jié)省試驗(yàn)經(jīng)費(fèi).隨著數(shù)字?jǐn)z像設(shè)備成本下降和性能大幅提高，越來越多的土木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和檢測開始應(yīng)用數(shù)字?jǐn)z像與識別技術(shù)［4］，對結(jié)構(gòu)物的位移、變形、混凝土裂縫等進(jìn)行識別和測量.本文針對這種技術(shù)在橋梁風(fēng)洞試驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行分析及討論.

1 識別原理與試驗(yàn)方案

風(fēng)洞試驗(yàn)中使用圖像識別的原理是通過數(shù)字?jǐn)z影機(jī)拍攝運(yùn)動(dòng)中的測量目標(biāo)，在拍攝的每一幀圖像中通過一定算法捕捉測量目標(biāo)，并通過圖像中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與參照物之間的比較得到目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，最終獲得目標(biāo)的位移測量值.構(gòu)成圖像識別系統(tǒng)的要素包括攝影機(jī)、拍攝畫面范圍、目標(biāo)、參考長度、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡等（圖1）.

本文以某超大跨徑斜拉橋氣彈模型試驗(yàn)為對象（圖2）.該橋設(shè)計(jì)跨徑為1 088m，最長拉索長為577m.在風(fēng)洞試驗(yàn)橋梁失穩(wěn)狀態(tài)過程中，拉索產(chǎn)生較大擺動(dòng)振幅［5］.本文利用數(shù)字?jǐn)z影機(jī)對拉索振動(dòng)進(jìn)行測量，以期為深入研究該橋氣動(dòng)失穩(wěn)形態(tài)以及氣動(dòng)失穩(wěn)過程中拉索發(fā)揮的作用提供必要的數(shù)據(jù)支撐.

從前期試驗(yàn)現(xiàn)象的觀測來看，該斜拉橋在較高試驗(yàn)風(fēng)速下發(fā)生了整體結(jié)構(gòu)氣動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象.發(fā)生該現(xiàn)象時(shí)，主梁發(fā)生較大位移的周期性豎向位移和側(cè)向位移；拉索發(fā)生較大幅度側(cè)向變形；由于中跨和邊跨的拉索索力不平衡，橋塔亦發(fā)生較大幅度的縱向位移.由以上現(xiàn)象可知，就拉索上任意一點(diǎn)來看，其位移應(yīng)為復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng).從對該氣動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象的研究意義來看，測量的主要對象為此時(shí)結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的頻率以及拉索的振型.因此，受限于試驗(yàn)條件，本次數(shù)字?jǐn)z影測量采用了拉索目標(biāo)測量點(diǎn)位移在橫截面上的1維投影圖像.

在測量過程中，以最長拉索的中點(diǎn)作為試驗(yàn)點(diǎn)，考慮到橋梁橫斷面上下游1對拉索的影響，在研究過程中考察了1 組最長拉索，即迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)2根拉索.斜拉索測試點(diǎn)標(biāo)記在斜拉索所需測點(diǎn)處（圖3）.標(biāo)記本身選擇輕質(zhì)材料，且要求其自身反光性能較好，同時(shí)在外形上不能顯著改變斜拉索的氣動(dòng)性能.

測量系統(tǒng)的空間關(guān)系是本文測量方法的關(guān)鍵.圖4為測量系統(tǒng)平面布置圖.同時(shí)攝影機(jī)與測點(diǎn)位于同一水平面.攝影機(jī)采集的1組動(dòng)態(tài)圖像如圖5所示.

圖4 測量系統(tǒng)平面布置圖（單位：cm）Fig.4 Layout of measuring systems（unit：cm）

圖5 測量圖像序列Fig.5 Measured picture sequences

2 圖像識別算法

通過攝影機(jī)導(dǎo)入的24bit圖像由紅、綠、藍(lán)3個(gè)通道組成，每個(gè)波段的灰度分級為256級.在圖像處理中僅選取了動(dòng)態(tài)范圍較高的紅色通道，對像素灰度進(jìn)行處理和分析.通過Matlab程序?qū)⒚繌垐D片文件的信息轉(zhuǎn)換成包含每個(gè)像素信息的矩陣，利用數(shù)學(xué)處理找到目標(biāo)點(diǎn)所在單幅圖像中的位置.程序識別的大致步驟包括：圖像預(yù)處理、搜索獨(dú)立塊區(qū)域以及計(jì)算目標(biāo)區(qū)域中心點(diǎn).

本試驗(yàn)中拉索上的識別對象為較背景明顯的標(biāo)記點(diǎn)，不能在標(biāo)記點(diǎn)上加入更多的識別信息.本文的標(biāo)記點(diǎn)識別方法為：對處理后的目標(biāo)區(qū)域形成非零區(qū)域的像素取型心位置.這一過程中，由于識別區(qū)域已完成二值化過程，邊緣識別簡化為以發(fā)現(xiàn)非零像素為依據(jù)，而沒有采用常規(guī)的邊緣檢測算子，因此亦不考慮目標(biāo)邊緣亞像素問題.

2.1 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理是指通過一定算法對原始圖像優(yōu)化以便進(jìn)行識別分析操作［6］.本文圖像預(yù)處理的目的在于提高圖像的動(dòng)態(tài)范圍以及篩選必要的識別圖像，便于后期識別算法的應(yīng)用.圖像預(yù)處理將清除低于某個(gè)灰度閾值的像素，實(shí)現(xiàn)對圖像的二值化.其具體步驟為：①調(diào)整圖像的特性，如亮度、對比度等；②分析得到圖像的灰度柱狀圖；③統(tǒng)計(jì)各灰度值包含的像素量；④自最高灰度值累計(jì)像素量，直致累計(jì)數(shù)達(dá)到總數(shù)的某個(gè)比例，如1%；⑤根據(jù)上一步停止的亮度值，清除所有低于該灰度值的像素.

其次，教師要重視學(xué)生英語閱讀的拓展。學(xué)生從廣泛的閱讀中，可以有效攝取語言信息以及語言表達(dá)技巧，在學(xué)生積累的過程中也是他們提升語言應(yīng)用能力的重要關(guān)鍵。在進(jìn)行實(shí)際英語閱讀的過程中，教師還可可以讓學(xué)生養(yǎng)成在閱讀中記錄筆記的習(xí)慣。比如說，將一些典型的、學(xué)生覺得優(yōu)美的段落、語句進(jìn)行記載，這都很好的保證英語閱讀拓展的有效性。

圖像預(yù)處理能夠有效改善區(qū)域識別的命中率.圖6為采集到的某張圖像柱狀圖.調(diào)整圖像的亮度過濾比例值將明顯改變識別畫面的構(gòu)成，從而改變識別命中率.圖7為不同過濾閾值對應(yīng)的圖像預(yù)處理結(jié)果.

圖6 某張圖像中各亮度區(qū)段單元格數(shù)量分布Fig.6 Cell quantitative distribution in different brightness areas

從以上調(diào)試可見，信號篩選閾值太低會生成過多的干擾區(qū)域，這不利于正確區(qū)域的選擇.而信號篩選閾值太高則會刪除原本需要的區(qū)域.正確選擇圖像調(diào)整的策略能夠有效改善圖像信息的識別.

2.2 搜索獨(dú)立塊區(qū)域

搜索獨(dú)立塊區(qū)域能夠?qū)㈩A(yù)處理后圖像中的獨(dú)立塊區(qū)域搜索出來，其中必然包含所需目標(biāo)點(diǎn)形成的區(qū)域.搜索步驟示意圖如圖8所示，具體表述如下：①為每個(gè)像素編號；②從圖像左上角開始掃描像素，如果發(fā)現(xiàn)灰度非零像素，則為該像素創(chuàng)建區(qū)域存儲區(qū)，把該像素的序列號存儲其中；③掃描該灰度非零像素周圍的像素，如再發(fā)現(xiàn)灰度非零像素，則也將其序列號存儲到由上一個(gè)灰度非零像素創(chuàng)建的存儲區(qū)，為了提高掃描效率，掃描像素按順序僅限初始位置的右、右下、下以及左下4個(gè)位置，如圖9所示；④掃描之后非零像素的序列號并將其存儲在鄰近的區(qū)域存儲空間內(nèi)，若其序列號已在其中，則跳過存儲操作.

2.3 選擇目標(biāo)區(qū)域

搜索圖像中非零像素獨(dú)立區(qū)域，找到目標(biāo)區(qū)域.本試驗(yàn)中因設(shè)置背景反差較大，目標(biāo)區(qū)域能夠被較好表現(xiàn)，即包含像素量最大的2個(gè)獨(dú)立區(qū)域，為拉索運(yùn)動(dòng)圖像中的2個(gè)測試點(diǎn).找到目標(biāo)區(qū)域后可通過物理坐標(biāo)均值獲得該目標(biāo)區(qū)域的中心點(diǎn).

3 數(shù)據(jù)識別與分析

3.1 識別結(jié)果

根據(jù)測量系統(tǒng)平面布置尺寸轉(zhuǎn)換識別結(jié)果.依照圖4的坐標(biāo)信息，攝影機(jī)視軸與全橋模型軸線夾角為4.64°，標(biāo)記點(diǎn)的橫向位移乘以1.003 3的放大因數(shù).通過參考長度計(jì)算可得到轉(zhuǎn)換比例為每像素0.694 mm.部分識別結(jié)果數(shù)據(jù)見圖10.其中，圖10a和b為8 m·s－1試驗(yàn)風(fēng)速下的斜拉索響應(yīng)時(shí)程；圖10c和d為8.8m·s－1試驗(yàn)風(fēng)速下的斜拉索響應(yīng)時(shí)程，此風(fēng)速下斜拉橋氣彈模型整體發(fā)生氣動(dòng)失穩(wěn).

圖10 標(biāo)記點(diǎn)風(fēng)振位移曲線Fig.10 Wind－induced vibration of markers

3.2 數(shù)據(jù)分析

針對圖像識別的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)不同風(fēng)速下位移均值，如圖11所示.表1給出了2個(gè)不同風(fēng)速下各測點(diǎn)位移響應(yīng)根方差.拉索的平均風(fēng)響應(yīng)除了包含自身受到風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)之外，還受到了主梁變位引起的拉索附加位移.由圖11所示的拉索中點(diǎn)位移平均值變化趨勢大體服從2次拋物線的變化規(guī)律.此外，受尾流效應(yīng)的影響，背風(fēng)側(cè)拉索的橫橋向位移小于迎風(fēng)側(cè)拉索.受拉索傾斜方向的影響，背風(fēng)側(cè)拉索測點(diǎn)的豎向位移大于迎風(fēng)側(cè).

圖11 標(biāo)記點(diǎn)各個(gè)風(fēng)速下位移均值Fig.11 Mean displacements of markers and wind speeds

表1 不同風(fēng)速下各測點(diǎn)位移響應(yīng)根方差Tab.1 RMS Displacement of Markers mm

圖12 橫橋向振動(dòng)頻域信號（風(fēng)速為8.8m·s－1）Fig.12 Frequency signals of lateral displacements（U＝8.8m·s－1）

為了考察拉索振動(dòng)響應(yīng)與主梁響應(yīng)的關(guān)系，圖12給出了全橋氣彈模型氣動(dòng)失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)拉索測點(diǎn)與主梁跨中橫向振動(dòng)響應(yīng)的功率譜圖.數(shù)據(jù)表明，拉索側(cè)向振動(dòng)的主要頻率為0.883 8 Hz.主梁振動(dòng)的主要頻率為0.874 8 Hz.可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)氣動(dòng)失穩(wěn)發(fā)生時(shí)，拉索振動(dòng)與主梁一致.

最后利用該方法得到的拉索振動(dòng)位移響應(yīng)，對該橋的氣動(dòng)失穩(wěn)狀態(tài)進(jìn)行再現(xiàn)，并繪制得出氣動(dòng)失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)（試驗(yàn)風(fēng)速為8.8m·s－1）拉索在不同時(shí)點(diǎn)（0～T／2，T為周期）的等比例振型圖（圖13）.根據(jù)該失穩(wěn)形態(tài)分時(shí)圖可以看出，在氣動(dòng)失穩(wěn)時(shí)，拉索參與振動(dòng)所占成分不可忽略，并且該橋的氣動(dòng)失穩(wěn)有別于傳統(tǒng)斜拉橋的主梁彎扭耦合的氣動(dòng)失穩(wěn)形態(tài).

圖13 氣動(dòng)失穩(wěn)半周期形態(tài)圖（風(fēng)速為8.8m·s－1）Fig.13 Aerodynamic divergence shape in half cycle（U＝8.8m·s－1）

從分析結(jié)果來看，標(biāo)記點(diǎn)的位移被識別出來，而其在高風(fēng)速下的運(yùn)動(dòng)形態(tài)也同結(jié)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)一致，表明數(shù)字?jǐn)z影測量能夠有效測量拉索構(gòu)件的位移，能夠準(zhǔn)確反映所需的拉索風(fēng)致振動(dòng)形態(tài)，具有一定的實(shí)用性和準(zhǔn)確性.

3.3 誤差與校正討論

本識別算法基于測點(diǎn)圖像的區(qū)域，而識別區(qū)域邊緣是以處理后圖像的灰度變化為依據(jù)，因此這種算法在邊緣識別的精度為像素級，受到攝影器材解析度的影響，其精度在2 mm 左右.其次，該算法是根據(jù)處理后圖像進(jìn)行區(qū)域搜索.而受到標(biāo)記點(diǎn)的形狀、拉索的轉(zhuǎn)動(dòng)以及光照條件的影響，攝影機(jī)拍攝到的測點(diǎn)圖像并非保持穩(wěn)定，在不同時(shí)點(diǎn)上區(qū)域識別中心點(diǎn)的波動(dòng)可達(dá)到5mm.但由于標(biāo)記點(diǎn)在橫風(fēng)向尺度較小，對相對重要的橫向位移影響較小.

為了從試驗(yàn)手段上改善圖像識別結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)者盡可能選擇分辨率高、拍攝速度高且高感光性能的攝影設(shè)備；同時(shí)，試驗(yàn)者應(yīng)盡可能增大標(biāo)記點(diǎn)亮度，降低背景亮度，增大測試環(huán)境反差；攝影方向盡可能垂直于標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)動(dòng)平面，并增大測量距離.此外可通過畸變校正圖來修正鏡頭畸變.

4 結(jié)語

從試驗(yàn)結(jié)果看，基于數(shù)字圖像識別的攝影測量方法可認(rèn)為是一種彌補(bǔ)激光位移計(jì)和加速度缺陷的有效方法.從本次試驗(yàn)的結(jié)果看，使用該方法得到的結(jié)果準(zhǔn)確地反映出模型的風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)特性，為研究該結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能提供了依據(jù).

從試驗(yàn)過程看，數(shù)字?jǐn)z影測量對試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)場地的要求較低.對程序進(jìn)行簡單改進(jìn)后可對同一畫面內(nèi)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行分析識別，在識別目標(biāo)間干擾較小的情況下可以大大增加測點(diǎn)數(shù).此外，使用多臺攝影機(jī)即可對復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測量.因此，該方法能夠?yàn)轱L(fēng)洞試驗(yàn)帶來極大的便利.

盡管如此，該方法的識別速度還比較低，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的獲取時(shí)間比較長.對于采樣時(shí)間為60s或者更長的情況，該方法還不能夠?qū)崟r(shí)或者在短時(shí)間內(nèi)提取測量結(jié)果.因此，現(xiàn)階段該方法只能作為激光位移計(jì)和加速度計(jì)失效情況下的補(bǔ)充手段.這一點(diǎn)將在進(jìn)一步工作中通過使用更高效的算法和策略加以改善.

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