數(shù)字近景攝影測量在橋梁變形觀測中的應(yīng)用

張國建,于承新

(1.山東科技大學(xué),青島 266590;2.山東建筑大學(xué),濟(jì)南 250101)

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數(shù)字近景攝影測量在橋梁變形觀測中的應(yīng)用

張國建1,于承新2

(1.山東科技大學(xué),青島 266590;2.山東建筑大學(xué),濟(jì)南 250101)

摘要：針對傳統(tǒng)的變形監(jiān)測手段的不足,采用數(shù)字近景攝影測量對動態(tài)橋梁進(jìn)行瞬間實(shí)時變形監(jiān)測。首先布設(shè)人工標(biāo)志的參考點(diǎn)和變形點(diǎn),其次用經(jīng)過直接線性變換法檢定的數(shù)碼相機(jī)對動態(tài)橋梁進(jìn)行瞬間的抓拍,獲取承載變形信息的照片,最后根據(jù)空間時間基線視差法,對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并將結(jié)果以圖形的形式展現(xiàn)出來。數(shù)據(jù)表明，利用數(shù)字近景攝影測量對動態(tài)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測,易操作,能同時獲取多個觀測點(diǎn)的瞬間變形信息,成果精度達(dá)到3/1 000.對橋梁的變形監(jiān)測研究具有重要的參考價值。

關(guān)鍵詞：數(shù)字近景；攝影測量；橋梁變形；監(jiān)測動態(tài)

0引言

隨著社會的進(jìn)步和科技的發(fā)展,橋梁監(jiān)測已逐漸成為土木工程學(xué)科的熱門研究方向,尤其是對橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行監(jiān)測。橋梁作為一種復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu),容易受風(fēng)、車輛、溫度和地震等外界因素的影響,為保證橋梁的安全運(yùn)轉(zhuǎn),對橋梁進(jìn)行瞬間實(shí)時的監(jiān)測成為研究的熱門方向。目前用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測的儀器主要有:全站儀、精密水準(zhǔn)儀、位移傳感器、加速度傳感器和激光測試方法等,這些儀器也在橋梁的變形監(jiān)測中得到了應(yīng)用,如,肖根旺使用全站儀自動變形監(jiān)測系統(tǒng)在招寶山大橋進(jìn)行變形監(jiān)測[1],胡現(xiàn)輝使用電子水平儀進(jìn)行橋梁變形監(jiān)測[2],熊友誼使用激光掃描對三山南橋進(jìn)行載荷變形監(jiān)測研究[3],王小敏利用GPS技術(shù)對大跨度橋梁變形監(jiān)測[4],何永琦使用傾斜傳感器進(jìn)行橋梁變形監(jiān)測[5]]，韓厚增采用GPS與加速度計(jì)相結(jié)合的方法進(jìn)行橋梁變形監(jiān)測[6],朱彥利用基于GPS技術(shù)的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行大跨橋梁變形監(jiān)測[7]等,然而這些測量手段,一般只能部分的反映結(jié)構(gòu)的當(dāng)前狀態(tài),很難全面的反映大橋整體的狀況,也沒辦法捕捉大橋瞬間的變形信息,無法實(shí)現(xiàn)對大橋的瞬間實(shí)時監(jiān)測。數(shù)字近景攝影測量是一門集攝影技術(shù)、信息技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一體的新興交叉學(xué)科,隨著數(shù)字化時代的推進(jìn),數(shù)字近景攝影測量的研究有了長足的發(fā)展。在國外,利用攝影機(jī)得到的影像進(jìn)行人體的重建[8];利用攝影得到的高精度的人臉模型[9];近景攝影測量中數(shù)碼相機(jī)的缺陷校正[10]等等。 在國內(nèi),吳純潔提出了主動近景攝影測量的觀點(diǎn)[11];王國輝等提出了無固定測站式的近景攝影測量方法[12];張祖勛院士研究出了Lensphoto近景攝影測量軟件[13]等等。

目前,在數(shù)字近景攝影測量中,采用的是價格不菲的專業(yè)測量相機(jī)或攝影機(jī)和專業(yè)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備,使得監(jiān)測成本偏高,無法廣泛的應(yīng)用,傳統(tǒng)的測量手段依然是進(jìn)行變形監(jiān)測的主要方法,然而傳統(tǒng)的變形監(jiān)測手段無法完成對結(jié)構(gòu)的瞬間實(shí)時監(jiān)測,而本文使用經(jīng)過直接線性變換法檢定的普通數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,利用空間時間基線視差法并結(jié)合卡爾曼濾波[14]進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理,并將結(jié)果實(shí)時的以圖形的形式呈現(xiàn)出來,在提升變形觀測效率的同時,滿足了橋梁變形監(jiān)測的精度要求[15]。

1研究方法

普通數(shù)碼相機(jī)因?yàn)槠湟撞僮鳌⒊杀镜偷奶攸c(diǎn),使得數(shù)字近景攝影測量的應(yīng)用更加廣泛。但作為非專業(yè)測量相機(jī),無框標(biāo)和定向設(shè)備,攝影時無法獲取內(nèi)外方位元素的初始值,再加上自身結(jié)構(gòu)和使用的方式,也會導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)時的內(nèi)外方位元素值的輕微變動,傳統(tǒng)的解算模型已不再適用。目前,適用于普通數(shù)碼相機(jī)數(shù)據(jù)處理的方法主要有時間基線視差法和直接線性變換法。時間基線視差法無法完成三維空間結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)解算,本文在橋梁的變形觀測試驗(yàn)過程中探討了空間時間基線視差法,并研究了數(shù)學(xué)模型。

基本數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中: x,z為變形觀測點(diǎn)在像坐標(biāo)系下的像點(diǎn)坐標(biāo); X、Y、Z為物方空間坐標(biāo);Δx,Δz為變形觀測點(diǎn)在像坐標(biāo)系下的像點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)誤差改正量; Xs,Ys,Zs為攝影站物方空間坐標(biāo); ai,bi,ci(i=1,2,3)為外方位元素角元素的函數(shù)。

把式(1)線性化展開得:

(2)

式中: aij(i=1,2,…6)為系數(shù)項(xiàng),它是攝影機(jī)主距、物方空間坐標(biāo)、外方位元素、像坐標(biāo)系像點(diǎn)坐標(biāo)等元素的函數(shù)。x0,z0是采用待求值的近似值計(jì)算得到的像點(diǎn)坐標(biāo)值。用頭標(biāo)“Ⅰ”、“Ⅱ”來區(qū)別兩期各自的元素,代入式(2)中,兼顧

(3)

從而得到兩期觀測點(diǎn)像點(diǎn)坐標(biāo)的誤差方程式,

(4)

(5)

視差公式為

(6)

式中: p為左右視差; q為上下視差。

若假設(shè)成立,則可近似地理解為,觀測各周期的變形點(diǎn)的像坐標(biāo)系下的像點(diǎn)坐標(biāo),被系統(tǒng)誤差干擾的強(qiáng)度是一致的:假如把同一攝影站點(diǎn)上在同一方向上抓拍的像片,按照固定的方式重疊在一起,則各觀測像片上的像點(diǎn)幾乎是重合的,或相差很小,甚至可以忽略不計(jì)。可得:

(7)

將式(7)代入式(6)中則有:

(8)

即:若假設(shè)成立,前后兩周期所量測的誤差或單張像片測得的坐標(biāo)之差獲得的視差值則不會受系統(tǒng)誤差的影響或受影響較弱。

以上內(nèi)容講述:系數(shù)aij及x0、z0是物方空間坐標(biāo)、像坐標(biāo)系像點(diǎn)坐標(biāo)以及外方位元素、攝影機(jī)主距的函數(shù)。在近似值x0、z0、Xso、f不變的情況下,則有:

(9)

(10)

將式(4)、式(5)作差,并兼顧式(8)、式(9)及式(10)

則有:

(11)

即:

V=AΔX+BδXs-L.

(12)

2橋梁變形監(jiān)測現(xiàn)場試驗(yàn)過程

2.1橋梁概況

黃臺碼頭人行橋位于航運(yùn)路與二環(huán)東路之間,跨越小清河。橋位處小清河規(guī)劃寬度130 m,主河槽寬90 m,斷面型式為復(fù)式河槽。

黃臺碼頭橋結(jié)構(gòu)型式為三跨雙斜塔單索面無背索斜拉橋,橋面寬10 m,跨徑布置20+80+20 m,斜塔處于橫斷面的中間位置,寬1.8 m,欄桿基座0.2 m,如圖所示。

圖1　黃臺碼頭橋

2.2試驗(yàn)標(biāo)志的選取

考慮到試驗(yàn)現(xiàn)場的情況及不同角度所攝影像中標(biāo)志的區(qū)分,準(zhǔn)備了兩種試驗(yàn)標(biāo)志，如圖2所示,試驗(yàn)中,對所有變形控制點(diǎn)采用了直徑30 cm的圓形標(biāo)志,對參考點(diǎn)采用了30×30 cm的方形標(biāo)志。

圖2　實(shí)驗(yàn)標(biāo)志

2.3儀器設(shè)備

采用4臺經(jīng)過校正的數(shù)碼相機(jī)和兩臺筆記本電腦,在用數(shù)碼相機(jī)采集數(shù)據(jù)之后,使用三維時間基線視差法編制的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖形的顯示和成果的輸出。

2.4試驗(yàn)過程

因?yàn)樵摌驗(yàn)樾腥藰?所以采用人力動力試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)時安排15人在橋梁7個不同位置同時進(jìn)行連續(xù)不間斷跳躍,跳躍將使橋梁產(chǎn)生震動變形,然后通過高精度數(shù)碼相機(jī)撲捉變形點(diǎn)的位移,從而研究其變型特征。

按實(shí)驗(yàn)要求,將制作好的即時貼變形標(biāo)志粘貼于待測橋梁的主體橋面結(jié)構(gòu)上;將參考點(diǎn)標(biāo)志粘貼于橋兩側(cè)的斜拉基礎(chǔ)上,粘貼好標(biāo)志后,應(yīng)對其進(jìn)行編號,自左至右(實(shí)地為自南向北)為U1、C1-C7、U2。試驗(yàn)開始安排15人(按70 kg/人計(jì)算,總重量=15人×70 kg=1050 kg),自橋的南端第一個變形觀測點(diǎn)開始,原地跳躍1～2 分鐘,期間由指揮者統(tǒng)一發(fā)令,協(xié)調(diào)四個拍攝人瞬間同時完成拍攝。一個點(diǎn)拍攝完成后,依次到下一個觀測點(diǎn)完成拍攝,共進(jìn)行7次拍攝。

其中,BS 01、BS02為小清河南岸的兩臺觀測相機(jī);BN01、BN02為布置于小清河北岸的兩臺觀測相機(jī)。B1為位于橋南端斜拉基礎(chǔ)上的參考點(diǎn),B2為位于橋體上中間的變形點(diǎn),B3為位于橋北端斜拉基礎(chǔ)的參考點(diǎn))。

圖3　黃臺碼頭橋相機(jī)布置平面示意圖

2.5試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

黃臺碼頭人行橋變形曲線圖,如圖4、圖5所示,黃臺碼頭東二橋變形點(diǎn)像素坐標(biāo)值如表1所示。

圖4　U0-U5號點(diǎn)瞬間變形曲線

片號荷載dx0dz0dx1dz1dx2dz2dx3dz3dx4dz4dx5dz5dx6dz6dx7dz7211.00-1102-1013-963-954-935-935-936-969221.00-1184-1083-1046-1025-1006-996-997-1039231.00-111-2-103-1-981-98-1-951-941-943-985241.00-1202-1113-1054-1043-1015-1015-1016-1058251.00-1200-1131-1072-1052-1033-1022-1033-1066261.00-1142-1081-1001-1012-983-982-974-1016271.00-1162-1081-1011-1012-993-983-984-1026281.00-112-4-105-2-96-3-98-2-96-1-96-1-951-993

圖5　U6-U8號點(diǎn)瞬間變形曲線

根據(jù)上述變形圖和像素坐標(biāo)變化表可知,各個變形點(diǎn)點(diǎn)位的位移變化量在毫米范圍內(nèi)波動,黃臺馬頭橋滿足載重和穩(wěn)定性的要求。

3結(jié)束語

采用數(shù)字近景攝影測量對動態(tài)橋梁進(jìn)行瞬間實(shí)時變形監(jiān)測結(jié)果表明:

1) 由各個變形點(diǎn)的瞬間變形曲線圖以及像素坐標(biāo)變化可知,在施加荷載的瞬間觀測點(diǎn)像素坐標(biāo)發(fā)生明顯的變化,之后觀測點(diǎn)的像素變化不大,位移的變化在毫米以內(nèi),沒有明顯的變化,黃臺馬頭橋滿足了穩(wěn)定性的要求。

2) 利用空間時間基線視差法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的處理和修正,并把結(jié)果以圖形的形式實(shí)時的展現(xiàn)出來,實(shí)現(xiàn)了對橋梁健康狀況的瞬間實(shí)時觀測。

3) 實(shí)驗(yàn)表明,采用普通數(shù)碼相機(jī)可以獲取橋梁的瞬間變形信息,并能同時觀測多個觀測點(diǎn)。

4) 在試驗(yàn)中,采用經(jīng)過檢定的普通數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采用空間時間基線視差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,使得觀測成果的精度達(dá)到了3/1000,達(dá)到了對橋梁變形觀測的要求。

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張國建(1989-),男,山東濟(jì)寧人,碩士生,研究方向大地測量學(xué)與測量工程。

于承新(1961-),男,山東煙臺人,教授,主要從事工程測量教學(xué)和研究。

The Application of Digital Close-Range Photogrammetry in the Deformation Observation of Bridge

ZHANG Guojian1,YU Chengxin2

(1.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.ShandongJianzhuUniversity,Jinan250101,China)

Abstract:In the light of the shortcomings of traditional monitoring methods of the deformation observation, this paper adopts digital close-range photogrammetry for the deformation observation of the bridge in the dynamic real-time moments: at the first, laying the reference points and the deformation points with the artificial marks, then,using the digital cameras verified with the direct linear transformation method to capture the dynamic bridge at the moment and obtain the pictures which bears deformation information, at last,according to the space time baseline parallax method, processing the collected data, and showing out the results graphically. Data shows that: using digital close-range photogrammetry to observe the deformation of the dynamic bridge structure is easy to operate and can also obtain the deformation information of a number of observation points in the blink of an eye, the accuracy of the results reached 3/1000. The study has important reference value for the deformation observation of the bridge.

Keywords:Digital close-range; photogrammetry; bridge deformation; observation dynamic

作者簡介

中圖分類號：TU317

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)01-0091-05

收稿日期：2015-09-19

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.019

資助項(xiàng)目： 山東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號：2010GZX20125)

聯(lián)系人： 張國建E-mail: 494088845@qq.com