基于激光和圖像分析的錨碇結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

藍(lán)章禮,姚進(jìn)強(qiáng),張 洪,田 源,蘭天鳳,

(1. 重慶交通大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074)

基于激光和圖像分析的錨碇結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

藍(lán)章禮1,姚進(jìn)強(qiáng)1,張 洪2,田 源1,蘭天鳳1,

(1. 重慶交通大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074)

針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)蓄水后水蝕環(huán)境下懸索橋隧道錨的受力與損傷情況,在激光投射式位移傳感技術(shù)和圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種錨碇結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)新系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)圖像像素標(biāo)定,確定了圖像平面與空間物理表面的映射關(guān)系,并利用一種基于動(dòng)態(tài)梯度光斑中心定位算法的實(shí)用性改進(jìn)方法,計(jì)算出了錨碇的位移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好,能夠達(dá)到錨碇結(jié)構(gòu)位移在線監(jiān)測(cè)的性能要求。最后,為了使系統(tǒng)能夠盡快在更多的大型建筑物安全監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用,對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了誤差分析,并給出了誤差應(yīng)對(duì)策略。

橋梁工程；錨碇；變形；位移監(jiān)測(cè)；激光；圖像

0 引 言

三峽庫(kù)區(qū)蓄水后,水蝕環(huán)境復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)會(huì)降低隧道錨及圍巖穩(wěn)定性,改變錨碇的受力和外形,而錨碇承受著來(lái)自主纜的水平力和豎向反力,是懸索橋主要承載結(jié)構(gòu)之一,一旦錨碇結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,會(huì)造成橋毀人亡的特大事故,后果不堪設(shè)想[1-3]。因此,針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)蓄水后水蝕環(huán)境下的懸索橋隧道式錨碇結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)方法及裝置的研發(fā)十分必要、迫切。

筆者通過(guò)對(duì)現(xiàn)有各種撓度/位移測(cè)量系統(tǒng)的研究和分析[4-7],提出了一種利用激光進(jìn)行錨碇結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)的方法[8],并以重慶忠縣長(zhǎng)江大橋?yàn)檠芯繉?duì)象,開(kāi)發(fā)了基于激光和圖像分析的錨碇結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“錨碇位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確、便捷地反演出人眼無(wú)法察覺(jué)的錨碇結(jié)構(gòu)位移；同時(shí)克服了傳統(tǒng)的觀察、靜載試驗(yàn)錨碇結(jié)構(gòu)位移檢測(cè)方法存在的費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)、又要中斷交通,且由于橋梁結(jié)構(gòu)巨大,很難全面獲知橋梁技術(shù)狀況的準(zhǔn)確信息等問(wèn)題。

1 系統(tǒng)組成及測(cè)量原理

1.1 系統(tǒng)組成

錨碇位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括：準(zhǔn)直激光發(fā)射器、光斑接收裝置、圖像采集卡、預(yù)裝相應(yīng)軟件的工業(yè)計(jì)算機(jī)。其中,光斑接收裝置由光斑接收靶和視頻采集設(shè)備組成,系統(tǒng)組成如圖1。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System structure

1.2 測(cè)量原理

在實(shí)際的錨碇結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)中,將準(zhǔn)直激光發(fā)射器固定安裝于合適的不動(dòng)點(diǎn)(參考點(diǎn)),光斑采集裝置固定安裝于錨體的前錨面(待測(cè)點(diǎn))。系統(tǒng)工作時(shí),準(zhǔn)直激光發(fā)射器發(fā)射的激光束以一定的角度投射到光斑接收靶的靶面上形成光斑;同時(shí),激光光線與光斑接收靶的靶面之間有一夾角θ。視頻采集設(shè)備設(shè)于光斑接收靶的正后方,在任一時(shí)刻,從視頻采集設(shè)備輸出的模擬視頻信號(hào)經(jīng)圖像采集卡采集后,可進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟件處理得到光斑接收靶上光斑中心的坐標(biāo)位置。

一旦錨碇結(jié)構(gòu)發(fā)生位移,光斑接收靶隨之發(fā)生相同的位移,使得光斑在光斑接收靶上的位置發(fā)生變化,如圖2。在一定的監(jiān)測(cè)頻率內(nèi),系統(tǒng)對(duì)光斑在光斑接收靶上的位移L2進(jìn)行采集,將每次采集的位移L2帶入光斑接收靶位移L1的計(jì)算公式[8]：L1=L2tanθ,計(jì)算出光斑接收靶沿法向移動(dòng)的位移L1,即可得到錨碇在受力方向位移L1。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取大量錨碇位移數(shù)據(jù)后,通過(guò)限幅消抖濾波、快速傅里葉變換(FFT)等軟件處理,輸出錨碇的蠕動(dòng)頻率、幅度、長(zhǎng)期走勢(shì)相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 光斑接收靶移動(dòng)前后的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram on displacement of laser spot target

2 數(shù)字圖像像素的標(biāo)定

要測(cè)量光斑的實(shí)際位移大小,必須對(duì)數(shù)字圖像中的像素進(jìn)行標(biāo)定,建立物面與像面的映射關(guān)系,確定圖像中每個(gè)像素所表示的實(shí)際物體的長(zhǎng)度和寬度。根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境,并綜合考慮精度與效率的要求[9-10],設(shè)計(jì)了基于平面的正交網(wǎng)格標(biāo)定法。

高精度的網(wǎng)格光斑接收靶標(biāo)固定于攝像設(shè)備正前方。靶標(biāo)平面坐標(biāo)系為XW-YW,視在世界坐標(biāo)系中ZW=0。實(shí)際圖像像素坐標(biāo)系為XS-YS(圖3)。系統(tǒng)采集圖像后經(jīng)過(guò)特征提取、濾波、畸變校正等處理,便可確定世界坐標(biāo)系中的點(diǎn)M1(XW1,YW1,0),M2(XW2,YW2,0)對(duì)應(yīng)圖像平面中的點(diǎn)m1(u1,v1),m2(u2,v2)的坐標(biāo)。代入式(1),得出水平像素當(dāng)量k1的值和垂直像素當(dāng)量k2的值。

(1)

式中：k1和k2稱為系統(tǒng)的像素當(dāng)量,指每個(gè)像素代表的實(shí)際長(zhǎng)度值(mm/pixel)。

圖3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意Fig.3 The coordinate conversion schematic

3 激光光斑中心檢測(cè)

錨碇位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心技術(shù)是錨碇結(jié)構(gòu)位移檢測(cè),錨碇結(jié)構(gòu)位移檢測(cè)是通過(guò)測(cè)量激光光斑中心位置的移動(dòng)值來(lái)反推錨碇結(jié)構(gòu)位移。因此,激光光斑中心的準(zhǔn)確定位,直接影響系統(tǒng)測(cè)量的精度。為此需要一種能在實(shí)際使用中快速、精確、穩(wěn)定、抗干擾的光斑中心定位方法。基于此，筆者提出基于文獻(xiàn)[11]的實(shí)用性改進(jìn)方法,實(shí)現(xiàn)流程如圖4。

圖4 算法基本流程Fig.4 The basic flow procedure of the algorithm

3.1 光斑識(shí)別

在圖5所示的光斑圖像中,衍射條紋、散射的弱光總體亮度都低于光斑中心的亮度。為了濾除亮度較弱的部分,首先對(duì)整幅圖像進(jìn)行掃描,把每個(gè)像素的R值帶入梯度算子經(jīng)驗(yàn)公式(2)進(jìn)行運(yùn)算,找出圖像中最大R值梯度數(shù)值。然后,設(shè)定標(biāo)識(shí)閾值,比如把標(biāo)識(shí)閾值設(shè)為最大梯度值的1/2.8。最后,再次掃描圖像,把R梯度值大于標(biāo)識(shí)閾值的置為“1”,標(biāo)記為白點(diǎn),小于標(biāo)識(shí)閾值的置為“0”,標(biāo)記為黑色。這樣便濾除光斑中亮度較弱的部分,識(shí)別出激光信號(hào),得到了一幅黑白色的二值圖像；

(2)

式中：f(x,y)為圖像函數(shù),G[f(x,y)]為圖像在點(diǎn)(x,y)處的梯度值。

圖5 典型激光光斑圖像Fig.5 The typical image of laser spot

3.2 形態(tài)學(xué)濾波

經(jīng)過(guò)二值化后的圖像,仍然會(huì)存在著一些噪點(diǎn),這將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)算精度產(chǎn)生很大的影響,因此需要對(duì)圖像做進(jìn)一步的除燥處理,來(lái)提高光斑定位的精度。采用3×3的白色方塊結(jié)構(gòu)元S(Structuring elementS)作為遮罩(Mask),圖像本身作為一個(gè)二值圖像B(Binary imageB)首先進(jìn)行一次開(kāi)啟(Opening)運(yùn)算消除外部鹽性噪聲點(diǎn),再進(jìn)行一次閉合(Closing)運(yùn)算去除光斑中的暗點(diǎn)。如式(3)：

(3)

3.3 圓心擬合

由于光斑近似成橢圓,圓是橢圓的特殊形式,所以采用了一種基于最小二乘原理的橢圓擬合的方法[12-14]。即利用鄰域法求取二值圖像中的光斑邊緣點(diǎn),再依據(jù)邊緣點(diǎn)到理想橢圓的距離平方和最小原理,通過(guò)橢圓來(lái)逼近激光光斑輪廓,求出光斑中心。

假設(shè)橢圓的一般曲線方程表示為

ax2+bxy+cy2+dx+ey+f=0，

(4)

則橢圓可以表示為兩向量相乘的隱式方程。

F(a,x)=aTx=ax2+bxy+cy2+dx+ey+f=0，

(5)

式中：a=[abcdef]T；x=[x2xyy2xy1]T。

因?yàn)榇嬖跉埐?F(a,xi)在點(diǎn)(xi,yi)不為0。其中：F(a,xi)為點(diǎn)(xi,yi)到曲線F(a,x)的代數(shù)距離,(xi,yi)表示光斑邊界點(diǎn)坐標(biāo),i∈E,E表示所有邊界的集合。

根據(jù)最小二乘原理,使得目標(biāo)函數(shù)Q的值最小,來(lái)確定參數(shù)矩陣a。

(6)

根據(jù)極值原理,對(duì)Q求偏導(dǎo)：

(7)

為了避免零解,不失橢圓的一般性,可加一約束條件a+c=1,應(yīng)用求解線性方程組的算法(矩陣求逆或者全主元高斯消去法),便可求得橢圓方程的參數(shù)a,b,c,d,e,f,從而計(jì)算出橢圓中心坐標(biāo)(xc,yc)：

(8)

4 實(shí)驗(yàn)分析及討論

實(shí)驗(yàn)用以檢驗(yàn)錨碇位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能和實(shí)際應(yīng)用效果,此外,還可以分析系統(tǒng)存在的不足,有助于更好地完善系統(tǒng)。

4.1 精度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用了視頻采集設(shè)備為720×576像素的工業(yè)攝像機(jī),攝像范圍約為56mm。將激光器固定在一個(gè)固定點(diǎn),光斑接收裝置固定安裝于可移動(dòng)平臺(tái)上,且該平臺(tái)的移動(dòng)可由一個(gè)裝有螺旋測(cè)微儀的推桿推動(dòng)。由于實(shí)驗(yàn)所使用螺旋測(cè)微儀的測(cè)量范圍只有25mm,所以只分別對(duì)平臺(tái)移動(dòng)了3,6,10,15,25mm,進(jìn)行測(cè)量。為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,每組實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行了5次,每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為去除最大值和最小值后取的平均值,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Result of precision experiment

由表1可知,隨著平臺(tái)向前移動(dòng)一段距離,光斑接收靶上的光斑也隨之移動(dòng)了同樣的距離。同時(shí),各個(gè)測(cè)量點(diǎn)均存在著不同程度的測(cè)量誤差,且這些誤差成非線性。其中,系統(tǒng)的最大測(cè)量絕對(duì)誤差為0.138 5,最大測(cè)量相對(duì)誤差為2.16%。參照日本本州四國(guó)連絡(luò)橋公團(tuán)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3]：長(zhǎng)大吊橋錨碇水平位移容許值為δ=0.017×L(cm),其中L為中跨跨長(zhǎng),單位為 m。錨碇由沉降和水平位移引起的塔底應(yīng)力應(yīng)不超過(guò)其容許應(yīng)力值的5%,以及前期的綜合分析,可以判斷系統(tǒng)的測(cè)量精度滿足錨碇安全監(jiān)測(cè)需求。

4.2 在線實(shí)驗(yàn)

將錨碇位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在主跨為560 m的重慶忠縣長(zhǎng)江大橋進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn),監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別布設(shè)于重慶市忠縣主城側(cè)的左右錨室內(nèi)。為了精確地分析出錨固區(qū)的變化情況,結(jié)合了懸索橋錨碇結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全監(jiān)測(cè)合理測(cè)點(diǎn)布置技術(shù)研究[3],在每間錨室內(nèi)布設(shè)了兩個(gè)高精度的激光檢測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)溫濕度傳感器來(lái)修正檢測(cè)的參數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)工作站布局如圖6。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)工作站布局Fig.6 The field workstation layout

以2014年10月18日凌晨?jī)牲c(diǎn)為起點(diǎn),分析了錨碇的蠕動(dòng)情況。因監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較多,為說(shuō)明問(wèn)題,圖7只對(duì)測(cè)點(diǎn)2的測(cè)量數(shù)據(jù)作了呈現(xiàn)。圖7中描繪了位移—時(shí)間曲線和溫度—時(shí)間曲線。其中,錨碇位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集周期為半個(gè)月,采集頻率為10 min/次,考慮到數(shù)據(jù)采集過(guò)程中外界因素的干擾,每小時(shí)取定1組有效數(shù)據(jù)。

圖7 在線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.7 Online experiment data

由圖7可知,測(cè)點(diǎn)2處溫度保持在23 ℃左右,數(shù)據(jù)的位移平均值為0.006 6 mm,最小位移幅度為0.000 3 mm,最大位移幅度為0.079 3 mm,數(shù)據(jù)走勢(shì)基本穩(wěn)定,驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外,不難看出,圖7中依然存在很多數(shù)據(jù)噪聲,系統(tǒng)并沒(méi)有達(dá)到理論上的測(cè)量穩(wěn)定性。

4.3 誤差分析與討論

分析精度實(shí)驗(yàn)和在線實(shí)驗(yàn)中存在誤差的可能原因以及誤差應(yīng)對(duì)策略：

1)實(shí)驗(yàn)所采用的攝像機(jī)鏡頭為市場(chǎng)上的普通器材,存在一定的非線性畸變。如：長(zhǎng)焦距鏡頭易產(chǎn)生枕形失真,而廣角鏡頭易產(chǎn)生桶形失真。

誤差應(yīng)對(duì)策略：采用更高質(zhì)量的中等焦距攝像機(jī)鏡頭。

2)準(zhǔn)直激光器發(fā)出的準(zhǔn)平行光束并不是完全平行的,存在很小的發(fā)散角,加上激光光束在空間有一段傳輸距離,最終導(dǎo)致位移測(cè)量存在很難察覺(jué)的細(xì)微偏差。

圖8是激光散射誤差示意。圖8中,BC，B′C′分別為激光光束在移動(dòng)前和移動(dòng)后的靶面的投影,且BC∥B′C′。M，M′分別為激光光軸的射線與靶面移動(dòng)前和移動(dòng)后的交點(diǎn),AB，AC為激光光束的上下邊界,光軸AM為∠BAC的角平分線,AN為△ABC的中線。橢圓中心擬合法所求的是激光光束的中線與靶面的交點(diǎn),即點(diǎn)N和N′,由幾何知識(shí)可證明EN′>FM′,即系統(tǒng)所檢測(cè)的光斑位移大于光斑的實(shí)際位移。

圖8 激光散射誤差Fig.8 Small angle laser scattering error

誤差應(yīng)對(duì)策略：①根據(jù)測(cè)量要求,設(shè)計(jì)出更高質(zhì)量的大口徑、長(zhǎng)焦距的透鏡組作為激光準(zhǔn)直裝置的會(huì)聚透鏡,來(lái)減小激光束線發(fā)散角。②由圖8,不難證明：

(9)

結(jié)合式(9),對(duì)光斑中心檢測(cè)算法進(jìn)行優(yōu)化,以激光光束的光軸與靶面的交點(diǎn)為位移檢測(cè)坐標(biāo),即點(diǎn)M和M′。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于復(fù)雜的懸索橋錨碇穩(wěn)定性問(wèn)題,筆者在研究中充分利用了激光良好的方向性,發(fā)揮了激光弱光環(huán)境下測(cè)量的優(yōu)勢(shì),對(duì)激光傾斜投射的難題進(jìn)行突破,研發(fā)出測(cè)量成本低、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性和防腐性能好的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能有效地實(shí)現(xiàn)水蝕環(huán)境下錨碇結(jié)構(gòu)位移在線監(jiān)測(cè),對(duì)懸索橋的綜合安全評(píng)估有重要意義。然而,系統(tǒng)也存在一些缺陷,會(huì)在以后的研究中繼續(xù)補(bǔ)充和改進(jìn)。

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Anchorage Displacement Monitoring System Based on Laser and Image Analysis

LAN Zhangli1,YAO Jinqiang1,ZHANG Hong2,TIAN Yuan1,LAN Tianfeng1

(1. School of Information Science & Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P. R. China；2. School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P. R. China)

A new system was developed for monitoring displacement of anchorage structure based on image processing technology and laser projection displacement sensing technology for purpose of monitoring the stress and damage suffered by the tunnel-type anchorage structure in the complex water erosion condition after the inundation of Three Gorges reservoir. Firstly, the relationship between the spatial point and the plane point was established by pixel calibration. Secondly, the displacement of anchorage was calculated by use of the practical improved method based on dynamic gradient spot center positioning algorithm. Thirdly, the experimental results have proved the high accuracy and stability of the system which satisfies the required performance for long-term online displacement monitoring of anchorage structure. Finally, in order to broaden the application of the system in safety monitoring for large structures in earlier time, some errors in the experiment are analyzed and the countermeasures against such errors are provided.

bridge engineering；anchorage；deformation；displacement monitoring；laser；image

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.03

2014-12-06；

2015-04-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278512)；重慶市國(guó)土資源和房屋管理局科技計(jì)劃項(xiàng)目(CQGT-KJ-2014029)

藍(lán)章禮(1973—),男,重慶人,教授,博士,主要從事橋梁健康監(jiān)測(cè)、數(shù)子圖像處理與模式識(shí)別方面的研究。E-mail:lz17309@126.com。

TP216

A

1674-0696(2016)02-009-04