簡述視頻圖像法在橋梁檢測中的應(yīng)用及發(fā)展

黃娟娟

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

橋梁在道路交通中扮演著越來越重要的角色,為了提高地面空間的利用率,橋梁成為了人們的首選交通線路,例如立交橋,高架橋,人行天橋等。但橋梁在長期的使用過程中不免會(huì)發(fā)生各種結(jié)構(gòu)損傷。損傷的因素很多,有可能是人為因素,也有可能是自然災(zāi)害[1]。而且,隨著我國交通業(yè)的快速發(fā)展、交通量的劇增以及行車密度和車輛載重越來越多等等,這些都會(huì)對(duì)橋梁造成一定的結(jié)構(gòu)損傷,所以,定期對(duì)橋梁進(jìn)行檢測和維修則十分關(guān)鍵。

橋梁檢查包括橋梁的表觀檢查[2]即橋梁的表面結(jié)構(gòu)裂縫,及其他結(jié)構(gòu)病害,這些表觀病害很多情況下我們可以用肉眼去判斷。表觀檢查只能定量的反映橋梁的損壞程度,從而根據(jù)相關(guān)規(guī)范來判斷橋梁的使用等級(jí)。然而橋梁的損壞不僅是由表觀病害引起的,更多的是結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷,主要包括結(jié)構(gòu)的承載能力,與之相關(guān)的因素包括結(jié)構(gòu)的變形,撓度和裂縫等。這些就必須借助實(shí)驗(yàn)的方法來探測。目前檢測技術(shù)很多,主要包括傳統(tǒng)檢測技術(shù)和無損檢測技術(shù)；前者主要依賴于動(dòng)靜載試驗(yàn)和現(xiàn)場檢測人員的目測,而后者則依靠于現(xiàn)代的傳感技術(shù)和通信技術(shù),使該方法向著智能化、系統(tǒng)化、快速化的方向發(fā)展。文章中的視頻圖像法就是無損檢測技術(shù)的一種。

1 視頻圖像法的基本內(nèi)容

視頻圖像法又稱數(shù)字圖像法,其主要內(nèi)容是將目標(biāo)圖像作為檢測和傳遞的載體,采用錄視頻的形式將其結(jié)構(gòu)變化前后的圖像記錄下來,再經(jīng)過Adobe Premiere軟件將錄制好的視頻按幀數(shù)分解成圖像序列,再將分解后的圖像進(jìn)行圖像處理、圖像計(jì)算等。其基本原理是：先取結(jié)構(gòu)變化前的一張圖片作為基準(zhǔn)圖像,在對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的各種狀態(tài)采集一組視頻,通過Adobe Premiere軟件處理將視頻分解成圖像i序列,經(jīng)過MATLAB程序處理,將上述彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像(如圖1所示),并運(yùn)用多項(xiàng)式擬合其亞像素邊緣,由于灰度圖像在邊緣處變化最大即多項(xiàng)式在邊緣處導(dǎo)數(shù)為0(邊緣處取得最大值),并且計(jì)算圖像中特征區(qū)域的變形。最后再將上述得到的變形進(jìn)行分析處理,換算得到對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的振型和頻率。

圖1 灰度圖像

2 視頻圖像法的優(yōu)點(diǎn)

隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,橋梁檢測技術(shù)業(yè)也獲得了突破性的進(jìn)展。自上世紀(jì)九十年代以來,我國橋梁檢測技術(shù)業(yè)獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。檢測技術(shù)不斷地更新,檢測方法也不斷更新。從以前的傳統(tǒng)檢測方法(主要依靠人工),到現(xiàn)在利用傳感和通信技術(shù)檢測,視頻圖像法就是其中的一種,其優(yōu)點(diǎn)是：一、在技術(shù)上具有非接觸式,不會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成二度損害；二、可進(jìn)行大尺度量測,尤其對(duì)大型橋梁,具有優(yōu)勢；三、設(shè)備可重復(fù)利用性高,這點(diǎn)可以大大減少檢測的成本；四、在現(xiàn)場檢測上具有現(xiàn)場工作量少、準(zhǔn)備工作簡單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。綜合以上優(yōu)點(diǎn),視頻法適用于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)檢測,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測方法中的不足。

3 視頻圖像法的應(yīng)用

視頻法在土木工程檢測行業(yè)有了較為廣泛的應(yīng)用。田國偉[3]等人將視頻法技術(shù)用于振動(dòng)臺(tái)的動(dòng)態(tài)位移量測,成功的測量了板式橡膠支座變形量和支座滑動(dòng)位移參數(shù)的測量；黃文[4]將視頻法用于索模型識(shí)別模態(tài)參數(shù),成功的測得該模型的前兩階振型和頻率；張盼[5-6]運(yùn)用視頻法測得兩跨連續(xù)梁模型的模態(tài)參數(shù),測得索模型的前三階振型和頻率以及阻尼比；任張晨[7]運(yùn)用視頻圖像法做了簡支梁的動(dòng)靜載試驗(yàn),進(jìn)一步論證了視頻圖像法在橋梁檢測的優(yōu)勢；徐旻杰[8]運(yùn)用視頻圖像法檢測了斜拉橋的索力,證明橋梁在檢測大型橋梁更具有優(yōu)勢。

由于視頻法相對(duì)傳統(tǒng)法具有很大優(yōu)勢。該技術(shù)近幾年來發(fā)展迅速,已有很多學(xué)者將該技術(shù)運(yùn)用在土木檢測行業(yè)上,例如裂縫檢測、混凝土變形檢測、橋梁變形檢測、鋼結(jié)構(gòu)撓度變形檢測[9]等。雖然上述試驗(yàn)做出了一些成果,但還有更多的理論研究需要進(jìn)一步開發(fā)和研究。

4 視頻圖像法的發(fā)展

技術(shù)的發(fā)展主要來源于人的需求,有需求才有動(dòng)力繼而才推動(dòng)著發(fā)展。正是由于傳統(tǒng)法的耗材大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等不足,視頻圖像法才得應(yīng)運(yùn)而生。視頻圖像法則是運(yùn)用圖像作為載體,對(duì)圖像進(jìn)行分析、處理、計(jì)算等的一種較方便的測量方法。由于視頻圖像法具有傳統(tǒng)法無可比擬的優(yōu)勢,使得視頻圖像法近年來得到了快速的發(fā)展,并已經(jīng)運(yùn)用到很多工程領(lǐng)域。其中,在土木工程領(lǐng)域中所用到的地方有鋼結(jié)構(gòu)變形檢測、橋梁變形檢測、混凝土裂縫檢測[9]等。然而,對(duì)于結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測方面還運(yùn)用的較少,目前只停留在試驗(yàn)階段,若要運(yùn)用到實(shí)際工程,還需進(jìn)行更多的探討和研究。

5 結(jié)語

通過對(duì)橋梁的檢測可以判斷橋梁的運(yùn)營狀態(tài),確保其安全使用。傳統(tǒng)的檢測技術(shù)在精度和便捷性上相對(duì)弱勢。而視頻圖像法作為近幾年新興的檢測技術(shù)。在檢測的同時(shí),既保證了檢測精度,又節(jié)約了檢測成本。并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,橋梁檢測將日趨智能化、快速化、系統(tǒng)化。同時(shí),各學(xué)科之間的聯(lián)系也越來越緊密,一些高新技術(shù)的結(jié)合必將推動(dòng)橋梁檢測的發(fā)展。