非接觸測(cè)量系統(tǒng)在某鋼桁架橋變形測(cè)量中的應(yīng)用研究

焦明東

(上海同濟(jì)檢測(cè)技術(shù)有限公司 上海 200082)

引言

為了保證橋梁施工過程的可測(cè)、可控，施工過程中主梁線形的測(cè)量顯得尤為必要，根據(jù)簡(jiǎn)支梁橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，線形測(cè)量多選擇橋梁支點(diǎn)、1/4跨和跨中等位置。當(dāng)橋梁跨越道路或河流等不方便支表測(cè)量情況下，多采用全站儀、水準(zhǔn)儀和GPS等設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，雖能檢測(cè)橋梁線形，但存在檢測(cè)速度慢、作業(yè)環(huán)境惡劣、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量大和影響交通通行等問題，而且數(shù)據(jù)量較小無法形成科學(xué)、準(zhǔn)確、可溯源的病害數(shù)據(jù)庫(kù)，無法滿足現(xiàn)代橋梁施工監(jiān)控的要求。因此采用非接觸攝影測(cè)量方法測(cè)量橋梁變形成為當(dāng)前橋梁施工監(jiān)控、健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域共同研究的課題。文永生[1]通過試驗(yàn)采用基于時(shí)間基線法的攝影測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)了橋梁靜載變形的測(cè)量，且精度滿足工程要求；張松雷[2]通過布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)，基于單反相機(jī)Canon FEOSF6D 和全站儀得到監(jiān)控點(diǎn)坐標(biāo)，通過DLT 算法對(duì)監(jiān)控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到橋梁的立面測(cè)繪圖；王偉等[3]介紹了瀘沽安寧河大橋利用近景攝影測(cè)量做變形觀測(cè)的試驗(yàn)過程,并對(duì)其測(cè)定精度進(jìn)行了分析研究；據(jù)可查文獻(xiàn)[4-5]，當(dāng)前對(duì)于橋梁變形測(cè)量多集中在豎向變形，對(duì)于二維位移測(cè)量的研究相對(duì)較少。鑒于這種現(xiàn)狀，本文在基于時(shí)間基線法的基礎(chǔ)上介紹了非接觸攝影測(cè)量理論，對(duì)于非接觸攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用從軟硬件組成和測(cè)量分析流程方法進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后依托于某簡(jiǎn)支下承式鋼桁架橋梁施工監(jiān)控項(xiàng)目，對(duì)于非接觸攝影測(cè)量技術(shù)的工程應(yīng)用與全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果顯示非接觸攝影測(cè)量技術(shù)在橋梁二維位移測(cè)量方面能夠滿足工程要求。本文系統(tǒng)分析了非接觸攝影測(cè)量技術(shù)在橋梁施工監(jiān)控中的應(yīng)用，對(duì)于非接觸攝影測(cè)量技術(shù)的推廣應(yīng)用和橋梁線形測(cè)量技術(shù)的技術(shù)迭代更新起到一定的促進(jìn)作用。

1 非接觸攝影測(cè)量原理

作為攝影測(cè)量的一個(gè)學(xué)科分支，非接觸攝影測(cè)量主要是通過攝影手段來確定測(cè)量目標(biāo)的變形和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)測(cè)量原理不同，近景攝影測(cè)量技術(shù)分為時(shí)間基線法、立體攝影測(cè)量法2類，本文選擇時(shí)間基線法。

1.1 時(shí)間基線法

時(shí)間基線法是在攝站固定、攝像平面與被攝物平面相互平行、內(nèi)外方位元素不變情況下，相隔一定時(shí)間間隔拍攝2張圖片，通過測(cè)量圖片中變形點(diǎn)的視差，根據(jù)攝影比例尺計(jì)算得到物體變形位移量ΔY和ΔZ，具體如下：

(1)

式中：X為攝影中心到物平面間的距離；

f為相機(jī)焦距；

Δpy和Δpz為圖片中左右視差和上下視差。

1.2 位移換算測(cè)量

理想狀態(tài)下，在物距X和相機(jī)焦距f已知情況下，根據(jù)式(1)可直接得到變形量值。但實(shí)際測(cè)量過程中，物距X和相機(jī)焦距f的精確測(cè)量是不現(xiàn)實(shí)的；同時(shí)攝像平面與被攝物平面不可避免存在夾角，一定程度上導(dǎo)致傾斜投影變形，夾角大小的精確測(cè)量同樣存在較大困難。根據(jù)時(shí)間基線法的基本原理，進(jìn)行圖上距離與實(shí)際距離轉(zhuǎn)換，需要借助物平面上已知距離進(jìn)行比照，從而可以直接得到物平面中圖上距離與實(shí)際距離的轉(zhuǎn)換系數(shù)，通過轉(zhuǎn)換系數(shù)即可得到實(shí)際距離。

變形反映在圖片上的距離，即式(1)中的Δpy和Δpz，可以通過對(duì)變形前、后的數(shù)字圖片，以包含標(biāo)志物的圖塊作為模板，進(jìn)行數(shù)字圖像匹配運(yùn)算得到，從而根據(jù)式(1)即可得到被測(cè)量物的二維變形量。

2 非接觸攝影測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用分析

非接觸攝影測(cè)量即將靶標(biāo)的大小與位置由光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，同時(shí)采用圖像智能算法對(duì)靶標(biāo)的位置進(jìn)行精確識(shí)別從而完成豎直和水平位移的測(cè)量。

2.1 硬件、軟件構(gòu)成

非接觸攝影測(cè)量系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩個(gè)部分組成，具體如下：

(1)硬件部分

硬件部分包括CCD攝像機(jī)、連續(xù)變倍物鏡、彩色顯示器、視頻十字線顯示器、精密光柵尺、多功能數(shù)據(jù)處理器、數(shù)據(jù)測(cè)量軟件與高精密工作臺(tái)結(jié)構(gòu)(圖1)，主要用于變形圖像數(shù)據(jù)的采集。

圖1 硬件構(gòu)成圖

(2)軟件部分

軟件部分則是建立在CCD攝像機(jī)采集影像基礎(chǔ)上，依托于計(jì)算機(jī)圖像測(cè)量技術(shù)和空間幾何運(yùn)算能力產(chǎn)生的。快速讀取光學(xué)尺的位移數(shù)值，通過建立在空間幾何基礎(chǔ)上的軟件模塊進(jìn)行運(yùn)算，短時(shí)間內(nèi)得到二維變形數(shù)據(jù)。

2.2 非接觸攝影測(cè)量系統(tǒng)工作流程分析

非接觸攝影測(cè)量系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)物二維位移測(cè)量中的應(yīng)用，根據(jù)圖2可知，測(cè)試流程具體如下：

圖2 測(cè)量流程圖

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)位置安裝攝像機(jī)，在被測(cè)對(duì)象的測(cè)量位置安置標(biāo)定板，完成系統(tǒng)組裝；

(2)采集標(biāo)定板圖像并進(jìn)行灰度變換、濾波、二值化、開運(yùn)算和區(qū)域標(biāo)識(shí)等圖像處理操作，最終得到各標(biāo)定點(diǎn)重心的像平面坐標(biāo)(單位：像素)；

(3)把各標(biāo)定點(diǎn)的像平面坐標(biāo)和已知的物平面坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)，形成標(biāo)定樣本并進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，從而得到兩坐標(biāo)間的映射關(guān)系；

(4)采集測(cè)量點(diǎn)圖像并進(jìn)行相應(yīng)圖像處理，得到各測(cè)量點(diǎn)重心的像平面坐標(biāo)，再利用已得到的映射關(guān)系映射出測(cè)量點(diǎn)的物平面坐標(biāo)，各點(diǎn)物平面坐標(biāo)減去各自的初始值，便得到各測(cè)點(diǎn)相應(yīng)的物平面位移。

3 案例分析

3.1 工程概況

某橋梁主橋?yàn)楹?jiǎn)支下承式鋼桁架結(jié)構(gòu)，跨徑布置為(20+92.16+20)m，主桁采用三角形桁架，主桁中心間距11m，名義桁高為11m，上弦共8個(gè)節(jié)間，下弦共9個(gè)節(jié)間。主橋主墩為矩形墩+矩形承臺(tái)、多排鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.2m摩擦樁。橋梁現(xiàn)場(chǎng)情況見圖3。

圖3 橋梁立面圖

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)簡(jiǎn)支梁橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)位布設(shè)原理，主橋線形測(cè)點(diǎn)分別選擇在端頭、4分點(diǎn)和跨中，攝像機(jī)位置選擇布置在1#墩墩柱處，并與靶標(biāo)1～4中心平行，測(cè)點(diǎn)具體布置見圖4，施工現(xiàn)場(chǎng)布置見圖5。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意圖(尺寸單位：cm)

圖5 非接觸攝影測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖片

根據(jù)圖4可知，橋梁線形測(cè)量過程如下：

(1)首先將CCD攝像機(jī)安裝在1#墩，根據(jù)經(jīng)緯儀進(jìn)行定向，采用正直、等傾攝像模式。

(2)觀測(cè)前，在橋梁L/4、跨中、3L/4及端頭處設(shè)置靶標(biāo)，通過全站儀測(cè)量坐標(biāo)；

(3)測(cè)量過程中，使用CCD攝像機(jī)拍照，像素為4096×2160，采用偏中心平均測(cè)距模式。

(4)經(jīng)過相對(duì)定向、絕對(duì)定向、誤差改正等內(nèi)業(yè)處理，得到觀測(cè)點(diǎn)位的物方三維坐標(biāo)；

(5)用傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器校核獲得檢測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最終得到攝影測(cè)量與全站儀測(cè)得坐標(biāo)的差值△X和△Z，如誤差滿足工程要求則認(rèn)為非接觸攝影測(cè)量系統(tǒng)安裝成功。

3.3 橋梁變形數(shù)據(jù)分析

根據(jù)非接觸攝影測(cè)量系統(tǒng)在橋梁變形測(cè)量中的應(yīng)用和本橋橋梁測(cè)點(diǎn)布置，選擇全站儀進(jìn)行橋梁豎向位移和橫橋向位移的對(duì)比測(cè)試，具體結(jié)果見表1。

表1 測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表(mm)

通過表1數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果如下：

(1)拆除支架和橋面系施工，橋梁橫橋向(Y向)位移變化較小，可能是由于支架拆除過程存在橫向施工不對(duì)稱引起的，但總體變化量不大，非接觸攝影測(cè)量系統(tǒng)和全站儀測(cè)量值之間最大偏差為0.3mm，位于跨中測(cè)點(diǎn)處，即測(cè)點(diǎn)2。

(2)拆除支架和橋面系施工，橋梁豎向(Z向)位移變化較大；非接觸攝影測(cè)量系統(tǒng)和全站儀測(cè)量值之間最大偏差為0.6mm，位于跨中測(cè)點(diǎn)處，即測(cè)點(diǎn)2。

通過對(duì)比數(shù)據(jù)結(jié)果可知，發(fā)現(xiàn)非接觸攝影測(cè)量與全站儀測(cè)量結(jié)果存在一定的差異，其可能是由于相機(jī)不穩(wěn)定或傳統(tǒng)測(cè)量誤差所致，所以非接觸攝影測(cè)量系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度，能夠滿足橋梁施工監(jiān)控中橋梁變形監(jiān)測(cè)要求。

4 結(jié)論

橋梁線形測(cè)量是評(píng)價(jià)橋梁剛度的關(guān)鍵參數(shù)，橋梁跨越結(jié)構(gòu)的復(fù)雜條件導(dǎo)致線形測(cè)量顯得尤為困難，因此選擇非接觸攝影測(cè)量成為當(dāng)前專家和學(xué)者共同研究的課題。本文首先對(duì)于非接觸攝影測(cè)量的原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，然后對(duì)于非接觸攝影測(cè)量的軟硬件構(gòu)成、坐標(biāo)分析過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后依托于某下承式簡(jiǎn)支鋼桁架橋，分析了非接觸圖像測(cè)量的測(cè)點(diǎn)布置和應(yīng)用流程，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)與全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果顯示非接觸攝影測(cè)量結(jié)果與全站儀測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差，但精度滿足施工要求。非接觸攝影測(cè)量技術(shù)在橋梁線形測(cè)量中的成功應(yīng)用，對(duì)于未來橋梁施工、檢測(cè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供一種新的線形測(cè)量思路。