結(jié)構(gòu)動態(tài)位移遠(yuǎn)距離攝像測量精度評價

盧成原,秦良忠,周華飛

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

結(jié)構(gòu)動態(tài)位移遠(yuǎn)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(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

摘要：位移是評估結(jié)構(gòu)性能和安全的重要參數(shù).攝像測量有望成為一種實用的位移測量方法，但其遠(yuǎn)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(shù)據(jù)為研究對象，開展了結(jié)構(gòu)動態(tài)位移遠(yuǎn)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(jié)果表明：測量距離和目標(biāo)點振動頻率增加將對測量精度產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致測量精度大幅降低；攝像測量系統(tǒng)在510 m范圍內(nèi)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(shù)據(jù)分析可知，測量距離增加對結(jié)構(gòu)動態(tài)位移頻率測量精度的影響較小.

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)動態(tài)位移；攝像測量；遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)性能和安全的重要參數(shù)[1-2]，往往是健康監(jiān)測不可或缺的監(jiān)測內(nèi)容.盡管傳統(tǒng)的位移測量方法已有很多，但是它們不能完全滿足大型結(jié)構(gòu)動態(tài)位移監(jiān)測的需要，如：LVDT位移傳感器需要不動基準(zhǔn)點的要求限制了它在建筑水平位移、橋梁撓度監(jiān)測等方面的應(yīng)用；加速度傳感器屬于間接測量方法，應(yīng)用受到了更多限制；全球定位系統(tǒng)(GPS)具有測量精度高、速度快[3]，但易受衛(wèi)星信號遮擋、電磁干擾和多路徑效應(yīng)等影響，限制了它在實際工程中的應(yīng)用.因此，為了更準(zhǔn)確地獲得結(jié)構(gòu)的動態(tài)位移信息，急需一種精確實用的大型結(jié)構(gòu)動態(tài)位移監(jiān)測方法.近十幾年來，攝像測量方法已成為結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域的一個新的熱點，并在結(jié)構(gòu)動態(tài)位移監(jiān)測方面已得到了較好的應(yīng)用.Lee[4]，Caetano[5]和羅洪斌[6]等將攝像測量方法應(yīng)用于橋梁動態(tài)位移的監(jiān)測.倪一清[7]、陳偉歡[8]等將攝像測量方法應(yīng)用于高聳結(jié)構(gòu)動態(tài)位移的監(jiān)測.然而，在遠(yuǎn)距離攝像測量試驗時，測量精度易受測量距離、目標(biāo)點振動頻率及大氣環(huán)境因素等影響，因此評估遠(yuǎn)距離攝像測量系統(tǒng)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(yuǎn)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(shù)據(jù)為研究對象，對攝像測量系統(tǒng)遠(yuǎn)距離測量精度進(jìn)行了研究.結(jié)果表明：測量距離和目標(biāo)點振動頻率的增加將對攝像測量精度產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致測量精度降低.對廣州新電視塔位移數(shù)據(jù)分析可知，測量距離增加對結(jié)構(gòu)動態(tài)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(jìn)行現(xiàn)場實測時，由于結(jié)構(gòu)的真實位移不得而知，故無法通過所測得的位移數(shù)據(jù)來評估攝像測量的精度.鑒于此，自主設(shè)計了一套位移模擬裝置來產(chǎn)生虛擬結(jié)構(gòu)位移.攝像系統(tǒng)測得的測量位移減去位移模擬裝置產(chǎn)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(biāo)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(tài)LED標(biāo)靶，作為靜態(tài)位移監(jiān)測點.縱梁可沿橫梁水平運動，以模擬結(jié)構(gòu)的水平位移.動態(tài)LED標(biāo)靶可沿縱梁豎向運動，以模擬結(jié)構(gòu)的豎向位移.縱梁水平運動和動態(tài)LED標(biāo)靶豎向運動的組合則可產(chǎn)生任意的平面運動.位移模擬裝置通過微機控制產(chǎn)生虛擬結(jié)構(gòu)動態(tài)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(jié)構(gòu)位移攝像測量系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)位移攝像測量系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：1) 工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機及變焦鏡頭；2) 千兆網(wǎng)卡的筆記本電腦；3) 自開發(fā)的系統(tǒng)軟件，如圖2所示.本系統(tǒng)采用Prosilica GigE生產(chǎn)的GE1050工業(yè)數(shù)字?jǐn)z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(yuǎn)距離測量精度.自開發(fā)的系統(tǒng)軟件可自行調(diào)節(jié)相機的曝光度和采樣頻率，并能實時分析和儲存目標(biāo)點水平向和豎向的位移變化.

圖2　攝像測量系統(tǒng)Fig.2　Videogrammetry system

2試驗場地

在某一晴朗、無風(fēng)天氣進(jìn)行遠(yuǎn)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(guān)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(fēng)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(tài)位移均可忽略.為了更好地評估攝像測量系統(tǒng)在不同距離下的測量精度，分別將工業(yè)數(shù)字?jǐn)z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(jìn)行實時監(jiān)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(yè)數(shù)字?jǐn)z像機的采樣頻率設(shè)置為30 Hz.

圖3　試驗場地Fig.3　Experiment site

3數(shù)據(jù)分析

3.1靜態(tài)位移測量精度評估

在三個測點上分別架設(shè)工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機，并對位移模擬裝置中的靜態(tài)LED標(biāo)靶進(jìn)行實時監(jiān)測.圖4為不同測量距離下所測得的水平向與豎向靜態(tài)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(tài)位移測量誤差值比較.由表1可見：當(dāng)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(tǒng)的測量精度大幅降低.當(dāng)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(tài)位移測量精度評估

為了研究測量距離和目標(biāo)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(tài)位移試驗.位移模擬裝置中動態(tài)LED標(biāo)靶產(chǎn)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(shè)工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機，并對其進(jìn)行實時監(jiān)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(tài)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(shù)據(jù)中最大峰值位移、最小峰值位移及標(biāo)準(zhǔn)差；v，m分別為攝像測量系統(tǒng)和位移模擬裝置.

根據(jù)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(biāo)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(dāng)測量距離在240 m范圍內(nèi)，測量精度受距離變化影響較小，其相對誤差均小于2%.當(dāng)測量距離增至500 m，測量誤差大幅提高，但攝像測量系統(tǒng)仍具有較高的測量精度，除了目標(biāo)點振動頻率達(dá)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(shù)據(jù)模擬

將GPS所測得的廣州新電視塔水平向位移實測數(shù)據(jù)作為真實位移輸入至位移模擬裝置，并采用工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機在三個不同測點對其進(jìn)行動態(tài)位移監(jiān)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(qū)，是廣州市的一個標(biāo)志性建筑.新電視塔具有超高細(xì)柔、形態(tài)奇特及結(jié)構(gòu)復(fù)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(tài)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(nèi)，測量誤差的平均值均小于1 mm.

頻譜分析是動態(tài)觀測時間序列研究的一個途徑，該方法是將時域內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)序列通過傅里葉級數(shù)轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)進(jìn)行分析，有助于確定時間序列的準(zhǔn)確周期并辨別隱蔽性和復(fù)雜性的周期數(shù)據(jù)[8].分別對不同測量距離測得的位移數(shù)據(jù)和真實位移數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)構(gòu)動態(tài)位移產(chǎn)生了顯著影響，而對結(jié)構(gòu)動態(tài)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)論

以不同測量距離所測得的位移數(shù)據(jù)為研究對象，開展了結(jié)構(gòu)動態(tài)位移遠(yuǎn)距離攝像測量精度試驗.結(jié)果表明，測量距離和目標(biāo)點振動頻率增加對測量精度產(chǎn)生了顯著影響，導(dǎo)致測量精度降低.測量距離在240 m范圍內(nèi)，測量精度受距離變化影響較?。粶y量距離增至500 m，測量誤差大幅提高，但攝像測量系統(tǒng)仍具有較高的測量精度，除了目標(biāo)點振動頻率達(dá)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(shù)據(jù)分析可知，測量距離在510 m范圍內(nèi)，測量誤差的平均值均小于1 mm，且測量距離增加對結(jié)構(gòu)動態(tài)位移頻率測量精度的影響較小.

參考文獻(xiàn)：

[1]楊陽，王國才，金菲力．斜向荷載作用下樁群中設(shè)置斜樁對其沉降的影響分析[J]．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，40(1)：96-100．

[2]趙志方，宋柳林，周厚貴，等．大壩和濕篩混凝土起裂荷載的確定方法[J]．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，42(4)：355-358．

[3]呂彩忠，李煒，廖小輝．GPS測量在公路控制網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用[J]．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，40(2)：178-182．

[4]LEE J J, SHINOZUKA M. A vision-based system for remote sensing of bridge displacement[J]．NDT&E International，2006，39(5)：425-431．

[5]CAETANO E, SILVA S, BATEIRA J. Application of a vision system to the monitoring of cable structures[C]．Wien: Proceedings of the 7th International Conference on Cable Dynamics，2007．

[6]羅洪斌，趙文光，文銀平，等．CCD圖像監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)檢測[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報：城市科學(xué)版，2006，23(5)：91-93．

[7]NI Y Q, WAI T T, WONG K Y. Long-distance remote measurement of static and dynamic displacement for large-scale structures using a vision inspection system[C]．Tokyo：Proceedings of the3rdAsia-Pacific Workshop on Structural Health Monitoring，2010．

[8]陳偉歡，呂中榮，陳樹輝，等．基于數(shù)碼攝像技術(shù)的高聳結(jié)構(gòu)動態(tài)特性監(jiān)測[J]．振動與沖擊，2011，30(7)：5-9．

[9]LEE J J, SHINOZUKA M. Real-time displacement measurement of a flexible bridge using digital image processing techniques[J]. Experimental Mechanics，2006，46(1)：105-114．

[10]PARK J W, LEE J J, JUNG, H J, et al. Vision-based displacement measurement method for high-rise building structures using partition approach[J]．NDT & E International，2010，43(7)：642-647．

[11]李鵬輝，趙文光，朱宏平，等．基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的多點動態(tài)位移監(jiān)測[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，39(2)：80-84．

(責(zé)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(xiàn)標(biāo)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(xué)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(xué)基金項目(LY12E08009)

收稿日期：2015-05-13