建筑施工模板支架垂直度檢測(cè)方法研究

溫 鎖 林

(上海隧道工程有限公司，上海 200032)

建筑施工模板支架垂直度檢測(cè)方法研究

溫 鎖 林

(上海隧道工程有限公司，上海 200032)

介紹了建筑施工模板支架垂直度傳統(tǒng)檢測(cè)方法的缺點(diǎn)，提出了一種利用將立桿從空間位置投影到圖像平面、圖像處理與人機(jī)交互相結(jié)合等方式檢測(cè)立桿垂直度的技術(shù)方法，指出該方法適應(yīng)性強(qiáng)，安全性高，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息化管理。

立桿，垂直度，檢測(cè)方法，坐標(biāo)變換，圖像處理

0 引言

立桿作為腳手架體系中最主要的部件，是傳遞垂直施工荷載的承壓桿件。立桿在安裝時(shí)若有過(guò)大的垂直度偏差，其受力狀態(tài)會(huì)受到極大地影響，腳手架的承載能力也會(huì)隨之降低，甚者會(huì)因承載力損失而發(fā)生坍塌。國(guó)內(nèi)外曾有許多腳手架坍塌的安全事故，影響非常惡劣，諸多事故中立桿垂直度偏差較大是原因之一。

JGJ 130—2011建筑施工鋼管扣件式腳手架安全技術(shù)規(guī)范中規(guī)定，腳手架立桿垂直度偏差要求為不大于3‰，檢測(cè)方法為用經(jīng)緯儀或吊線(xiàn)和鋼尺，按3%比例抽檢。規(guī)范雖然對(duì)垂直度偏差及檢測(cè)方法等有明確規(guī)定，但采用現(xiàn)有技術(shù)檢測(cè)難度較大。首先是現(xiàn)有技術(shù)效率不高，無(wú)論經(jīng)緯儀還是吊線(xiàn)，操作都很繁瑣，每次只能檢測(cè)一根立桿，當(dāng)腳手架面積較大時(shí)工作量非常大；其次現(xiàn)有技術(shù)要求必須有人員爬到立桿頂部打點(diǎn)或吊線(xiàn)，當(dāng)腳手架體較高時(shí)，人員上下無(wú)專(zhuān)用安全通道，有很大安全隱患；再次，現(xiàn)有規(guī)范中規(guī)定了腳手架安裝完成后立桿垂直度要求，但在腳手架安裝完成后立桿與水平桿、剪刀撐等連成整體，如立桿垂直度偏差不符合規(guī)范要求，調(diào)整難度非常大，因此必須在腳手架安裝過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)立桿垂直度，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

因此，為解決現(xiàn)有檢測(cè)方法效率低、人工成本高以及適應(yīng)性差的缺點(diǎn)，研制了一種能夠快速、準(zhǔn)確檢測(cè)立桿垂直度的技術(shù)方法。

1 立桿從空間位置投影到圖像平面的過(guò)程

攝像機(jī)拍攝腳手架照片時(shí)，立桿的整個(gè)成像過(guò)程是由4個(gè)坐標(biāo)系組成：世界坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系、成像平面坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系。從世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的變換由平移和旋轉(zhuǎn)組成，旋轉(zhuǎn)矩陣R由3個(gè)旋轉(zhuǎn)角度確定，分別是繞攝像機(jī)坐標(biāo)系x軸旋轉(zhuǎn)角度α、繞y軸旋轉(zhuǎn)角度β、繞z軸旋轉(zhuǎn)角度γ，旋轉(zhuǎn)矩陣均為正交矩陣。立桿在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xc,yc,zc)，在世界坐標(biāo)

系下的參數(shù)坐標(biāo)為(xw,yw,zw)，具體變換關(guān)系為：

其中，t為平移矩陣，R和t中的參數(shù)是攝像機(jī)的外部參數(shù)，由攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間關(guān)系決定。攝像機(jī)坐標(biāo)系下立桿投影到成像平面坐標(biāo)系中的過(guò)程為：

其中，f為攝像機(jī)焦距。綜上所述，立桿在圖像坐標(biāo)系上的坐標(biāo)就能變換到世界坐標(biāo)系中：

其中，sx,sy均為比例縮放因子，表示在水平和垂直方向上相鄰圖像像素之間的物理距離；(u0,v0)表示圖像的光心點(diǎn)。事先標(biāo)定好攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，就可以通過(guò)立桿在圖像上的坐標(biāo)求出立桿上點(diǎn)的世界坐標(biāo)值，當(dāng)計(jì)算出來(lái)的點(diǎn)越多，就越能更好地?cái)M合出立桿垂直的情況，如圖1所示。

2 圖像處理與人機(jī)交互相結(jié)合計(jì)算垂直度

圖像處理的主要工作是獲取拍攝圖像時(shí)手機(jī)的姿態(tài)，同時(shí)結(jié)合人機(jī)交互、圖像壓縮、直線(xiàn)擬合等方法，計(jì)算出待測(cè)立桿的實(shí)際垂直度。單個(gè)立桿存在于整個(gè)腳手架當(dāng)中，拍攝立桿圖像時(shí)由于立桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)、其他立桿遮擋等因素，用戶(hù)從整個(gè)圖像上無(wú)法看清立桿的垂直度情況，需要將立桿的大致區(qū)域提取出來(lái)，進(jìn)行壓縮顯示。

用戶(hù)在腳手架圖像上手動(dòng)點(diǎn)擊一下，選擇貨架桿所在大致區(qū)域，獲得該區(qū)域的數(shù)字圖像信息。手機(jī)屏幕大小為Ix×Iy，立桿大致區(qū)域的大小為Dx×Dy，則X軸壓縮倍數(shù)為：A=Ix/Dx，Y軸壓縮倍數(shù)為：B=Iy/Dy，將待測(cè)立桿的大致區(qū)域的像素轉(zhuǎn)換為手機(jī)屏幕區(qū)域進(jìn)行顯示(如圖2所示)。

壓縮后的圖像每h個(gè)像素作為一個(gè)水平條，對(duì)每個(gè)水平條垂直投影(水平條大小為Ix×h，h為水平條每列的像素個(gè)數(shù))，則:

其中，p(j)為水平條中第j列所有像素的灰度值垂直投影值;c(i,j)為水平條內(nèi)(i,j)處的像素灰度值，j=1,2,…,Ix。根據(jù)p(j)曲線(xiàn)上波峰確定立桿區(qū)域，區(qū)域中心作為定位點(diǎn)。假設(shè)ρ表示原點(diǎn)到直線(xiàn)的垂直距離，θ表示直線(xiàn)的法線(xiàn)方向，x,y為平面直線(xiàn)坐標(biāo)系上定位點(diǎn)的坐標(biāo)，可采用如下參數(shù)方程表示立桿直線(xiàn)：

ρ=xcosθ+ysinθ。

曲線(xiàn)峰值計(jì)算出來(lái)定位點(diǎn)數(shù)量較多，并不是每個(gè)定位點(diǎn)都適合參與直線(xiàn)擬合計(jì)算，可以采用人工干預(yù)的方式去除不合適的定位點(diǎn)，合適定位點(diǎn)擬合出來(lái)的直線(xiàn)投影到距離與法線(xiàn)空間上，找出法線(xiàn)方向分布峰值，然后再求出立桿垂直度(如圖3所示)。具體步驟如下：

1)用戶(hù)在立桿所處壓縮圖的頂部和底部，各標(biāo)記兩個(gè)點(diǎn)。

2)分別找出與這兩個(gè)點(diǎn)距離上較近的兩組定位點(diǎn)集合P和Q。每組定位點(diǎn)與另一組所有點(diǎn)相連組成直線(xiàn)，對(duì)于集合P和Q上任意兩個(gè)點(diǎn)p(xi,yi),q(xi,yi)，由上式以及平面兩點(diǎn)共線(xiàn)原理可知，這兩點(diǎn)映射到(ρ,θ)參數(shù)平面上的兩條正弦曲線(xiàn)必定會(huì)交于某點(diǎn)(ρ0,θ0)：

ρ0=xicosθ0+yisinθ0；

ρ0=xjcosθ0+yjsinθ0。

上式變換可得θ0=arctan(xi-xj/yj-yi)，計(jì)算出一對(duì)(ρ0,θ0)參數(shù)值。

4)將壓縮圖中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為原圖坐標(biāo)：

從而計(jì)算立桿的斜率α=arctg(y2-y1/x2-x1)，最后結(jié)合拍攝時(shí)攝像機(jī)的滾角得到立桿實(shí)際垂直度β。

3 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)方法相比，本技術(shù)具有成本低、效率高、計(jì)算精度較高的優(yōu)點(diǎn)，且可在智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備上運(yùn)行，通用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便，檢測(cè)與施工可同步進(jìn)行，適應(yīng)性強(qiáng)、安全性高，通過(guò)wifi還可將檢測(cè)結(jié)果上傳至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息化管理。

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Study on verticality detection methods of building construction template support

Wen Suolin

(ShanghaiTunnelEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200032,China)

The paper introduces disadvantages of traditional verticality detection methods of building construction template support, and puts forward a kinds of upright verticality detecting technology method of projecting the upright from spatial location into image plane and combining image processing with man-machine interaction, and finally points out its merits, such as strong adaptability, high security and realizing remote information management and so forth.

upright, verticality, detection method, coordinate transformation, image processing

1009-6825(2017)22-0102-02

2017-05-26

溫鎖林(1981- )，男，碩士，高級(jí)工程師

TU755.2

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