基于相機(jī)組網(wǎng)測量的大型結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用

于起峰 關(guān)棒磊 胡彪 孫鵬舉 張躍強(qiáng) 尹義賀 尚洋

（1 國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院，長沙 410073;2 圖像測量與視覺導(dǎo)航湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410073;3 深圳大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，深圳 518060）

0 引言

攝像測量是形貌變形與運(yùn)動(dòng)測量的有效手段，是科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工程監(jiān)測、自動(dòng)化、導(dǎo)航制導(dǎo)等的重要方式與內(nèi)容，具有高精度、非接觸、自動(dòng)智能等優(yōu)勢[1]。然而，與許多其他觀測手段一樣，攝像測量也存在觀測范圍或觀測物距與觀測分辨率及精度之間的固有矛盾，這在很大程度上限制了攝像測量的應(yīng)用[2]。許多大型基礎(chǔ)設(shè)施，如橋梁、隧道、公路、鐵路等工程設(shè)施的高精度變形監(jiān)測，通常采用應(yīng)變片、全站儀等技術(shù)手段，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本較高，并且需要中斷這些設(shè)施的運(yùn)營[1,3-7]。傳統(tǒng)的攝像測量系統(tǒng)構(gòu)造方式無法解決上述觀測范圍與觀測精度之間的矛盾，測量范圍與測量精度之間的尺度跨度很難突破5 個(gè)數(shù)量級(jí)。

本文提出了相機(jī)組網(wǎng)這一類新的攝影測量構(gòu)型方式，包括并聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)、位移傳遞串聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)、位姿傳遞串聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)、串并聯(lián)相機(jī)混合網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)等攝像測量等新方法[8-11]。根據(jù)測量需求對(duì)相機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)觀測，能夠?qū)崿F(xiàn)基于不穩(wěn)定觀測平臺(tái)，對(duì)不通視觀測點(diǎn)、大范圍大量散布測點(diǎn)等運(yùn)動(dòng)變形的精密動(dòng)態(tài)觀測，并突破了觀測范圍與測量精度之間的固有矛盾，測量范圍與測量精度間的尺度跨度達(dá)到了6 到7 個(gè)數(shù)量級(jí)。這相對(duì)于傳統(tǒng)的攝像測量做法是驚人的性能提升，大大拓展了攝像測量的能力和應(yīng)用前景[8-9]。

1）橋梁大型結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測需求與現(xiàn)狀

隨著越來越多的廣域基礎(chǔ)設(shè)施（橋梁、隧道、公路、鐵路等）的建設(shè)、運(yùn)營以及接近預(yù)期壽命，其結(jié)構(gòu)損傷、破壞甚至坍塌正變得日益頻繁[12]。這使得全面、及時(shí)、精確的監(jiān)測位移和變形參數(shù)的需求尤為重要，不僅能在建設(shè)過程中確保質(zhì)量和效率，還能通過結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和健康監(jiān)測進(jìn)行損傷和破壞預(yù)警，以防止災(zāi)難性事故。然而，目前因?yàn)楸O(jiān)測手段的限制，大范圍高精度的變形觀測常常在周期長、效率低、工作量大和測量成本高等問題中舉步維艱，這使得廣域基礎(chǔ)設(shè)施的全面及時(shí)的健康監(jiān)測成為一個(gè)挑戰(zhàn)[13-15]。在結(jié)構(gòu)位移的測量方法中，我們通常分為接觸式和非接觸式兩類，但由于技術(shù)原理、經(jīng)濟(jì)性等因素，現(xiàn)有方法均難以滿足位移的多點(diǎn)同步、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、精密測量的需求[16]。因此，現(xiàn)階段迫切需要發(fā)展實(shí)時(shí)精密的基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測新方法?；谟?jì)算機(jī)視覺的基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測方法因其眾多優(yōu)點(diǎn)，如遠(yuǎn)距離、非接觸、高精度等，越來越受到科研和工程人員的注重[17]。然而，它也存在著一些問題，例如像素分辨率不足、相機(jī)位置選擇等問題，這些都極大地限制了其在實(shí)際工程中的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性與可行性[18]。因此，本文旨在解決上述問題，以推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)位移的實(shí)時(shí)精密監(jiān)測技術(shù)發(fā)展。

2）風(fēng)電葉片變形監(jiān)測需求與現(xiàn)狀

風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔能源，其商業(yè)化應(yīng)用已受到廣泛關(guān)注。其中，風(fēng)電葉片是影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)整體運(yùn)行及能效的核心部件，其變形特性和穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行有直接影響[19]。因此，對(duì)風(fēng)電葉片的檢測與維護(hù)需求迫切，實(shí)現(xiàn)其安全健康監(jiān)測對(duì)保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，降低系統(tǒng)成本極為重要。目前，已有許多研究關(guān)注風(fēng)電葉片的檢測技術(shù)，涌現(xiàn)出一些新的檢測方法。例如，通過數(shù)值模擬法研究風(fēng)場脈動(dòng)對(duì)風(fēng)電設(shè)備的影響[20]；利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)軸和齒輪箱進(jìn)行狀態(tài)檢測，提前發(fā)現(xiàn)和分離故障信號(hào),結(jié)合振動(dòng)測試和頻域分析，診斷傳動(dòng)軸和齒輪箱故障[20]]。然而，大型風(fēng)力發(fā)電葉片的在線測量技術(shù)仍面臨挑戰(zhàn)[21-22]。例如，聲發(fā)射方法局限性大，只適用于生產(chǎn)環(huán)境下的檢測[23]；光纖光柵傳感器雖能進(jìn)行在線檢測，但需預(yù)埋于生產(chǎn)過程中，不適用于已投入使用的葉片，且可能存在自身老化或損壞問題[24-25]。近年來，光學(xué)視頻測量技術(shù)發(fā)展迅速，通過高速相機(jī)和圖像相關(guān)算法，成功應(yīng)用于獲取飛行器結(jié)構(gòu)件表面應(yīng)變片的空間坐標(biāo)[26]，風(fēng)電葉片的在線檢測設(shè)定了基礎(chǔ)[27]。

面對(duì)橋梁變形監(jiān)測需求及存在的挑戰(zhàn)，相機(jī)網(wǎng)絡(luò)具有極大的優(yōu)勢[28-30]。這種非接觸、無損的測量方式可實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度的變形測量，長時(shí)間動(dòng)態(tài)監(jiān)測，且不要求基礎(chǔ)設(shè)施中斷運(yùn)營[31]。本文將成功將其應(yīng)用于大型橋梁的多測點(diǎn)變形和動(dòng)態(tài)撓度測量，有效解決了相關(guān)國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中的困難問題[32]，針對(duì)風(fēng)電葉片的觀測難題，本文提出的全局測量站和局部測量站組網(wǎng)觀測，能夠同時(shí)獲取風(fēng)電葉片的全局運(yùn)動(dòng)和局部變形。

1 橋梁沉降變形監(jiān)測

傳統(tǒng)路基沉降測量要求測量儀器安裝在穩(wěn)定平臺(tái)的限制，本文提出了位移傳遞像機(jī)網(wǎng)絡(luò)攝像測量方法。該方法可同時(shí)測量得到路基沉降變化、俯仰變化以及旋轉(zhuǎn)變化，并可通過設(shè)計(jì)不同形式的位移傳遞鏈路和測量單元將該方法用于測量不同結(jié)構(gòu)類型的橋梁變形，適用范圍廣[1,10]。

1.1 基本原理

針對(duì)大型橋梁等線狀結(jié)構(gòu)特征以及存在的大尺度測量范圍和高精度測量要求，本研究提出了廣域基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)變形的相機(jī)組網(wǎng)測量方法。主要包括位移傳遞串聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)、并聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)、位姿傳遞串聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)、串并聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)和車載動(dòng)聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)五類方法，可滿足橋梁等廣域基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)變形多點(diǎn)同步、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、精密測量需求。

位移傳遞串聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)是將兩個(gè)相機(jī)尾對(duì)尾固定成雙頭相機(jī)測站，此時(shí)雙頭相機(jī)的位移和轉(zhuǎn)角具有一致性，形成固連約束；相鄰雙頭相機(jī)測站間放置多個(gè)測量點(diǎn)，成像于不同相機(jī)的同一測量點(diǎn)真實(shí)位移變化，形成同名標(biāo)志約束。沿待測線狀結(jié)構(gòu)長度方向布設(shè)多個(gè)雙頭相機(jī)測站，測站間由合作標(biāo)志點(diǎn)連接，當(dāng)存在兩個(gè)或兩個(gè)以上控制點(diǎn)或已知點(diǎn)時(shí)，基于上述約束在測量基站不穩(wěn)定條件下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)大范圍時(shí)空多點(diǎn)高精度靜動(dòng)態(tài)測量與監(jiān)測。

并聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)針對(duì)橋面、邊坡等面狀結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)監(jiān)測范圍在測量平臺(tái)上布置一個(gè)或多個(gè)測量相機(jī)看向待測結(jié)構(gòu)，同時(shí)在平臺(tái)上布置兩個(gè)或多個(gè)校準(zhǔn)相機(jī)看向基準(zhǔn)控制點(diǎn)，基于首創(chuàng)的不穩(wěn)定平臺(tái)的靜態(tài)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換方法，確定相機(jī)坐標(biāo)系Ci與平臺(tái)坐標(biāo)系B的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而將Ci中的測量點(diǎn)位移變化轉(zhuǎn)換至基準(zhǔn)控制點(diǎn)坐標(biāo)系W下，實(shí)現(xiàn)不穩(wěn)定平臺(tái)亞毫米級(jí)靜動(dòng)態(tài)變形自校準(zhǔn)測量，有效解決單一相機(jī)測量尺度與精度之間的固有矛盾。位姿傳遞串聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)針對(duì)高架橋轉(zhuǎn)彎段等不通視結(jié)構(gòu)特征，用相機(jī)和標(biāo)志物組合成傳遞站構(gòu)造折線光路，通過靜態(tài)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換方法，將傳遞站平臺(tái)坐標(biāo)系B轉(zhuǎn)換至前一站相機(jī)坐標(biāo)系C1下，傳遞站中的相機(jī)坐標(biāo)系C2與B的位姿參數(shù)可預(yù)先標(biāo)定得到，而實(shí)現(xiàn)C1與C2的坐標(biāo)系統(tǒng)一，將空間任意區(qū)域柔性地聯(lián)系起來，測量不通視空間任意區(qū)域目標(biāo)間相對(duì)位置、姿態(tài)及其變化等，有效解決不可通視點(diǎn)的變形測量問題。

串并聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)針對(duì)長大結(jié)構(gòu)特征，實(shí)際工程中除了關(guān)注橋梁整體沉降或偏移外，橋梁斷面的收斂變形也是其結(jié)構(gòu)狀態(tài)的重要指標(biāo)。多個(gè)測站串聯(lián)傳遞位移、姿態(tài)，單個(gè)測站中相機(jī)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)全場變形信息覆蓋，實(shí)現(xiàn)長距離大斷面基礎(chǔ)設(shè)施的時(shí)空雙維度高精度動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

動(dòng)聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)針對(duì)長大結(jié)構(gòu)變形檢測需求，可將上述四類網(wǎng)絡(luò)放置在車載平臺(tái)上。以位移傳遞串聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)為例，將多像機(jī)系統(tǒng)固定在可移動(dòng)的平臺(tái)上，單次巡測過程中，隨著平臺(tái)的連續(xù)移動(dòng)，整個(gè)長大線狀工程結(jié)構(gòu)的全局特征都會(huì)被采集到。為解決平臺(tái)運(yùn)動(dòng)問題，同樣構(gòu)建固連約束和同名標(biāo)志約束兩個(gè)基本約束，根據(jù)任意兩次巡測時(shí)采集到的特征點(diǎn)像素變化即可獲取結(jié)構(gòu)各個(gè)特征點(diǎn)在兩次巡測時(shí)間間隔內(nèi)的相對(duì)變形。

1.2 實(shí)驗(yàn)

橋梁靜動(dòng)態(tài)撓度監(jiān)測是橋梁工程基礎(chǔ)性需求，本文以中國某一大跨度懸索橋多點(diǎn)靜動(dòng)態(tài)撓度監(jiān)測為例，論述所提出位移傳遞串聯(lián)相機(jī)網(wǎng)絡(luò)方法與系統(tǒng)的可行性與優(yōu)越性。如圖1 所示，該懸索橋全長1038 米，在橋梁鋼箱梁內(nèi)部布設(shè)了有雙頭相機(jī)測量與合作標(biāo)志（棱鏡）組成的串聯(lián)相機(jī)鏈路，共10 個(gè)相機(jī)測站和33 個(gè)合作標(biāo)志。其中，兩個(gè)主塔位置處的測點(diǎn)作為控制點(diǎn)，基于上述方法原理，可獲取橋梁43 個(gè)點(diǎn)位的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位移量，實(shí)現(xiàn)橋梁靜動(dòng)態(tài)撓度精細(xì)監(jiān)測。圖2(a)首先給出了在橋梁1/4 跨、1/2 跨、3/4 跨的準(zhǔn)靜態(tài)精度驗(yàn)證結(jié)果，其中位移真值同樣由上述高精度位移臺(tái)提供，易得不同條件下，相機(jī)測量結(jié)果與位移臺(tái)真值吻合良好，差值優(yōu)于1.0 mm。圖2(b)進(jìn)一步對(duì)比了所提出的視覺測量系統(tǒng)（SCN-Dis）與徠卡全自動(dòng)測量機(jī)器人（RTS）長期測量結(jié)果，易得兩者在變化趨勢上具有一致性，且能捕獲車輛載荷引起的撓度瞬時(shí)變化值。此外，與SCN-Dis相比，RTS 所得的撓度波動(dòng)明顯更大，部分可達(dá)10 mm 的波動(dòng)，這主要是因?yàn)镽TS 是布置于橋梁上側(cè)，受大氣抖動(dòng)影響明顯。需要注意的是，由于SCN-Dis 不需要布置于嚴(yán)格穩(wěn)定的平臺(tái)，因此系統(tǒng)可以布置于主梁上，通過布設(shè)于鋼箱梁中，可有效避免大氣抖動(dòng)、極端天氣等環(huán)境的影響，這在此體現(xiàn)了所提出SCN-Dis 的優(yōu)越性，大幅擴(kuò)展了視覺測量方法的使用場景和使用思路。

圖1 現(xiàn)場條件與監(jiān)測方案Fig.1 Field conditions and monitoring scheme

圖2 撓度實(shí)驗(yàn)Fig.2 Deflection experiment

最終，圖2(c)給出了重卡通過時(shí)所監(jiān)測的橋梁全跨動(dòng)態(tài)撓度響應(yīng)特征，可以看到一個(gè)很明顯的正弦波形演化規(guī)律，這主要得益于上述43 個(gè)測點(diǎn)，可以為橋梁監(jiān)測評(píng)估提供精細(xì)的幾何線形與動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。這是首次直接利用相機(jī)測得大跨度橋梁時(shí)空雙維度多點(diǎn)撓度動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果，在千米級(jí)測量范圍實(shí)現(xiàn)柔性懸索橋全跨多點(diǎn)動(dòng)態(tài)撓度壓毫米級(jí)測量精度。

2 風(fēng)電葉片變形測量

傳統(tǒng)攝影測量方法難以滿足風(fēng)電葉片健康檢測的需求，本文將相機(jī)網(wǎng)絡(luò)攝像測量方法應(yīng)用在風(fēng)電葉片的監(jiān)測任務(wù)中。利用相機(jī)組網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)電葉片這種大型結(jié)構(gòu)的大尺度運(yùn)動(dòng)與大位移的全局測量以及小應(yīng)變、裂紋損傷等微小尺度的高分辨率檢測，并且能夠完成這兩種極端對(duì)立條件下的同時(shí)在線測量，并對(duì)測量得到的葉片運(yùn)動(dòng)全局運(yùn)動(dòng)和局部影像形貌與變形參數(shù)。通過頻域和空間域等處理分析方法檢測、評(píng)估風(fēng)電機(jī)組葉片的健康狀態(tài)，可應(yīng)用于平臺(tái)晃動(dòng)、海面等不穩(wěn)定測量平臺(tái)對(duì)風(fēng)電葉片和塔柱等運(yùn)動(dòng)耦合多目標(biāo)在線三維測量。

2.1 基本原理

在工作時(shí)，將局部隨動(dòng)測量站分別放置于全局測量站的附近,同時(shí)對(duì)同一風(fēng)電葉片組網(wǎng)觀測，位置示意圖如圖3 所示。

圖3 風(fēng)電葉片監(jiān)測相機(jī)位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the position of wind turbine blade monitoring camera

全局運(yùn)動(dòng)測量站基于立體視覺原理，采用雙站形式測量風(fēng)力機(jī)葉片的三維運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中在風(fēng)電葉片上制作若干個(gè)興趣點(diǎn)標(biāo)志，通過全局站高速相機(jī)的獲取的圖像以及對(duì)圖像的測量分析，能夠獲得風(fēng)電葉片的三維運(yùn)動(dòng)曲線。局部測量站通過跟蹤葉片不同位置的轉(zhuǎn)動(dòng)拍攝葉片的局部損傷情況。通過圖像實(shí)時(shí)跟蹤算法控制隨動(dòng)云臺(tái)跟蹤葉片不同局部的轉(zhuǎn)動(dòng)，拍攝葉片不同區(qū)域在不同受力狀態(tài)下的高清晰度圖像。利用葉片上的紋理等特征點(diǎn)匹配，測量葉片局部在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中由于受力狀態(tài)變化而產(chǎn)生的相對(duì)變形，依據(jù)變形量的大小判別葉片局部結(jié)構(gòu)的安全性。

2.2 實(shí)驗(yàn)

全局運(yùn)動(dòng)測量站由兩個(gè)測量站和站間數(shù)據(jù)同步模塊組成，每個(gè)測量站由相機(jī)測量單元、姿態(tài)感知單元、測距單元、運(yùn)動(dòng)控制單元和數(shù)據(jù)處理單元組成。相機(jī)測量單元由一個(gè)高速CMOS 相機(jī)組成，最高分辨率為5120×5120 像素，滿幀條件下最高幀率為80fps，可根據(jù)不同的測量要求搭配25mm-500mm 的鏡頭，實(shí)現(xiàn)距離在500m 范圍內(nèi)的測量。目標(biāo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片長度為 47 m，旋轉(zhuǎn)直徑可達(dá) 94 m，在風(fēng)電葉片表面制作了10個(gè)興趣點(diǎn)標(biāo)志，通過高速相機(jī)獲取的圖像，分析圖像上的興趣點(diǎn)標(biāo)志，能夠獲取風(fēng)電葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可以獲取興趣點(diǎn)的三位運(yùn)動(dòng)曲線，如圖4(a)所示。

圖4 風(fēng)電葉片全局運(yùn)動(dòng)和局部變形測量Fig.4 Monitoring of wind turbine blade movement and local deformation

局部隨動(dòng)高分辨率測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)雙站局部變形測量、葉片掃描拼接以及根據(jù)局部應(yīng)變場識(shí)別葉片裂紋。局部隨動(dòng)測量站由圖像反饋控制的伺服雙軸云臺(tái)和安裝200mm-500mm 定焦鏡頭的高分辨率高速相機(jī)(80Hz)構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)20rpm以下的局部跟蹤。通過拍攝葉片局部的圖像。通過跟蹤拍攝葉片局部在旋轉(zhuǎn)過程中多個(gè)位置的圖像，通過對(duì)圖像上紋理特征的變形分析，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片的變形的測量。如圖4(c)所示，由于葉片中間位置處有橫向裂紋，通過對(duì)比無裂紋和有裂紋情況下應(yīng)變場分布可以明顯識(shí)別出葉片裂紋。

3 結(jié)論

針對(duì)大型工程和結(jié)構(gòu)等廣域基礎(chǔ)設(shè)施靜動(dòng)態(tài)變形大尺度、高精度測量需求，本文提出了一種新的視覺測量方法與技術(shù)：相機(jī)網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)，保留了視覺測量無損非接觸、自動(dòng)化、高精度、高動(dòng)態(tài)等傳統(tǒng)優(yōu)勢，同時(shí)彌補(bǔ)了大尺度測量像素空間分辨率低、工程環(huán)境條件要求高等不足。相機(jī)組網(wǎng)還能進(jìn)行水下測量任務(wù)，例如航行體截面載荷研究[33]?？舍槍?duì)廣域基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)全域靜動(dòng)態(tài)變形高精度檢測與監(jiān)測，有效解決大尺度結(jié)構(gòu)精密測量難題。本文所提出的相機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論、方法與技術(shù)具有極高的擴(kuò)展性，可與其他監(jiān)測方法綁定融合，包括但不僅限于微波雷達(dá)、激光掃描、光纖光柵，形成新的測量手段或測量系統(tǒng)。相關(guān)成果可為結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測提供新理論和新方法，為結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估提供新參數(shù)和新理念，為基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)安全領(lǐng)域提供理論指導(dǎo)和應(yīng)用驗(yàn)證依據(jù)測。此外，相機(jī)組網(wǎng)測量技術(shù)還有望與無人機(jī)等空中平臺(tái)相結(jié)合，解決海上風(fēng)電葉片等大型工程監(jiān)測的難題。