基于圖像處理技術(shù)的橋梁線形識別方法

舒小娟，趙 洋，劉 浩

（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭 411201）

橋梁線形監(jiān)測是橋梁運營過程中重要的評估指標(biāo)之一，一般采用全站儀、水準(zhǔn)儀的光學(xué)儀器進行線形數(shù)據(jù)的采集，此項工作需要布置較多的測點，測量耗時較長，受環(huán)境影響較大，而且有時需封閉交通，難以適應(yīng)未來快速監(jiān)測的需求。隨著非量測數(shù)碼相機的不斷普及，利用非量測數(shù)碼相機進行結(jié)構(gòu)監(jiān)測的研究成果越來越 多[1?2]，高旭光等[3?7]應(yīng) 用近景攝影測量方法進行結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測，丁威等[8?12]利用利用數(shù)字圖像處理的相關(guān)技術(shù)進行裂縫的識別，取得了不錯的研究成果。因此，基于近景攝影測量原理和數(shù)字圖像處理技術(shù)的線形識別方法有很大的發(fā)展優(yōu)勢。

1 室內(nèi)實驗簡介

實驗中采用自由下垂的、直徑為12 mm 的鋼絲繩模擬拉索，固定于水平滑輪之間，滑輪間距為4.5 m。由于拉索與滑輪之間存在一定的接觸面積，會影響拉索兩端的變形，所以拉索有效研究長度取4 m。實驗場地布置在某天臺，使其更接近橋梁所處的實際環(huán)境條件，實驗用的人工標(biāo)志置于拉索的正中心下方。實驗裝置，見圖1。

圖1 實驗裝置

2 獲取拉索的線形方程

實驗采用徠卡TS30全站儀采集被測拉索的三維空間坐標(biāo)，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲取拉索在同一平面內(nèi)的二維坐標(biāo)，利用MATLAB 軟件擬合出拉索的曲線方程。

自由下垂的拉索在重力作用下其線形為懸鏈線，拉索中心線擬合的目標(biāo)方程采用懸索橋工程中常用的形式：

式中：a為懸鏈系數(shù)。

通過軟件擬合后的拉索線形方程，見圖2。

圖2 拉索實際線形

3 非量測數(shù)碼相機的線形識別

3.1 基于近景攝影測量原理

對于常規(guī)數(shù)碼相機，其內(nèi)方位元素是未知的，即焦距和像主點O的圖像坐標(biāo)均是未知的。另外，由于相機在制造過程中的誤差，導(dǎo)致非量測相機的光學(xué)畸變差很大，需通過標(biāo)定試驗獲取其內(nèi)方位元素和光學(xué)畸變系數(shù)。平面標(biāo)定法確定相機的內(nèi)方位元素和徑向光學(xué)畸變系數(shù)[13]，其標(biāo)定結(jié)果，見表1。

表1 相機標(biāo)定結(jié)果

在已知內(nèi)方位元素的條件下，利用基于共線方程式的單像空間后方交會解法[14]，求得其外方位元素，見表2。

表2 外方位元素計算結(jié)果

單張照片的外方位參數(shù)確定后，采集多張照片，根據(jù)基于共線條件方程式的空間前方交會解法求解，得到拉索中線各測點的三維坐標(biāo)，進一步通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到二維平面坐標(biāo)。曲線擬合后的拉索曲線方程為：

從式（2）可知，懸鏈線系數(shù)為21.948，較全站儀測量結(jié)果而言，其垂度誤差為?0.33 mm。

3.2 基于數(shù)字圖像處理技術(shù)

通過圖像灰度化、圖像濾波、邊緣提取等步驟獲取被測對象的像平面坐標(biāo)，再通過圖像轉(zhuǎn)換系數(shù)獲取被測對象的實際平面坐標(biāo)，實現(xiàn)被測對象的線形識別工作。

由于拍攝角度、鏡頭距物體的距離不一致導(dǎo)致空間實際長度和成像中的長度不一致，具有特定的比例關(guān)系，故選用圓形人工標(biāo)志獲取轉(zhuǎn)換系數(shù)[15]。圓形人工標(biāo)志，見圖3。

圖3 圓形標(biāo)志圖

由于各種影響因素的作用，圓形標(biāo)志在成像后均以橢圓的形式出現(xiàn)。拍攝角度與圓形標(biāo)志透鏡成像變形，見圖4。

圖4 透鏡成像變形圖

以C（x0，y0）為中心、長半軸長度為a、短長半軸長度為b、長軸與x軸的夾角為θ作橢圓，見圖5。

圖5 橢圓

令x=x0，y=y0，獲取x軸和y軸方向的長度Lx、Ly：

若圓形標(biāo)志直徑為d，可以得出水平方向和豎直y方向的轉(zhuǎn)換系數(shù)vx、vy：

邊緣提取主要是利用灰度值的不同來提取被測物體的邊緣。對于拉索而言，經(jīng)圖像處理后提取到的坐標(biāo)是其上下緣坐標(biāo)。由于實驗的目的是獲取拉索中心的坐標(biāo)，利用提取的數(shù)據(jù)求平均值作為拉索中心線的坐標(biāo)，進一步通過曲線擬合得到拉索的懸鏈線方程。本次實驗相機主光軸垂直于物平面，距拉索距直線離為4 m，通過計算得到拉索的方程為：

從式（5）可知，拉索的懸鏈線的系數(shù)a為21.858，經(jīng)計算，其垂度誤差為0.05 mm。

3.3 計算結(jié)果分析

上述兩種線形識別方法結(jié)果匯總，見表3。

表3 拉索線形識別結(jié)果對比

表3可以看出，兩種線形識別方法結(jié)果的誤差均在毫米級，精度很高。

4 實例驗證

某景觀橋（見圖6），其結(jié)構(gòu)為上承式無鉸拱拱橋，在豎向荷載作用下線形可按照懸鏈線方程進行擬合。懸鏈線方程基本形式為：

圖6 景觀橋立面圖

利用上述室內(nèi)試驗所用方法對拱橋拱軸線進行識別，試驗結(jié)果，見表4。

表4 主拱圈下緣線形結(jié)果

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，兩種非接觸式線形識別方法精度均較室內(nèi)實驗結(jié)果低。這是因為在相機的像素的不變的情況下，被測對象越大，需要拍攝距離也就越大，相同長度的物體經(jīng)邊緣檢測后得到的邊緣像素點的數(shù)量也會相應(yīng)的減小，圓形人工標(biāo)志直徑的大小受到限制，而且隨著拍攝距離的增大，由圓形人工標(biāo)志得到的轉(zhuǎn)換系數(shù)的誤差也會增大，從而造成線形識別的精度降低。

基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的識別效果仍然優(yōu)于基于近景攝影測量原理的方法。

5 結(jié)語

（1）室內(nèi)拉索線形識別試驗結(jié)果表明，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)和基于近景攝影測量原理的兩種線形識別方法識別精度都很高，可以進行線形識別，且前者的識別效果優(yōu)于后者。

（2）現(xiàn)場實驗結(jié)果表明，兩者線形識別方法在實際工程均有較高的識別精度，滿足工程測量精度要求，可以應(yīng)用于橋梁線形的快速監(jiān)測。