基于图像技术的桥梁位移遥测系统

郝凤彬

摘 要：本研究提出的系统利用数码图像处理技术对桥梁的动态位移进行远程测量，该系统具有高分辨力动态测量、遥感、经济有效、实时性、可视性、易于安装操作、无电磁干扰等创新特征。配有伸缩装置的数码摄像机对测量区的目标进行动态图像拍摄，目标位移通过图像处理技术进行计算。该技术需要一套目标识别运算法则、捕捉图像投射、利用目标几何数据和像素移动数量计算的实际位移。为了验证效果，先后进行了实验室振动台测试以及某箱梁桥的实地测试，测试结果在频率和振幅两方面均显示了充分的动态分辨力。

关键词：基于图像的系统；位移测量；遥感；实时；桥梁结构

1 前言

桥梁健康监控已发展成为当下结构工程研究一支重要的推力，本项研究一直受到结构物所有者需求以及其它因素的激励。结构物所有者需要获得测量得出的结构物反应来核实结构物行为在假定外部干扰情况下是否充分，进而防止受损、老化、环境导致的退化以及其它可能的异常状况的发生。在这方面，正在出现的和传统的传感器应用领域已相当广泛。然而，尽管这些应用对荷载或外部环境作用情况下结构物行为的描述具有重要作用，却缺少位移传感器的应用。原因通常在于既有位移传感器不易于以一种经济有效的方式牢固安装到桥梁上，因为多数桥梁都跨过活动的高速公路、河流、海峡或山地。

线性差动变换器（LVDT）、指示表等传统结构位移传感器在桥梁的某个测量点进行位移测量，通常可以选取任何角度并且能夠达到结构测量的分辨率要求。然而这种装置要求一个靠近测量点的静态平台作为参照，传感器的两端将分别固定到测量点和参照点。由于传感器本身机制的原因，这些点之间的距离不易于调整。有时会利用连接线来克服困难，却降低了准确性。这是制约利用线性差动变换器（LVDT）测量桥梁位移的问题所在。

还有些最近产生的其它类型的非接触式位移测量系统，例如比较出名的高科技范例包括全球定位系统（GPS）[3-7]和激光多普勒振动仪[8]。多数发表的关于GPS的研究显示，其水平方向误差为±1cm，垂直方向误差为±2cm。高准确度、高抽样率的GPS定位比本文提出的基于图像的系统成本要高得多。激光多普勒振动仪效果较好但是同样比本文提出的系统昂贵得多，同时用于我们预想遥感距离（75m，甚至100m以上）的激光密度可能达到危险的程度。

有人建议，通过相应数字二重积分加速时间关系曲线建立位移时间关系曲线，并对基线进行适当更正[9]。这个办法原则上是正确的。它方便、节约、具有诱惑力，但是根据我们的经验，这个方法很少能够提供可靠的数据，特别是在实地测试中。通过应变数据计算位移[10]对噪音是非常敏感的，而且需要沿着一条有意义的力学线路在尽量多的点上测量桥面张力和压力，以便对桥梁的挠曲形状进行准确估算。有人曾使用具有成像能力的微波干涉仪对一座真比例尺建筑进行了测量[11]，图像是通过合成孔径干涉测量雷达获取的，合成微波图像的相位信息被用于探测照亮的结构。然而，这些设施都非常昂贵而且不易于运用。

基于图像的方法为桥梁位移测量提供了有效的替代办法[12，13]。然而现有系统中仍然还有需要应对的挑战，比如特制的光学装置[12]，离线复杂信号处理技术[13]等。事实上还有用于遥测桥梁位移的经济有效性稍差的传感器系统，同时具有可靠性、准确性、便于使用性、实时性等特点。出于此原因，本研究提出了一套利用实时数码图像处理技术测量桥梁动态位移的系统。这种技术极其经济有效、易于操作，同时具有高水准分辨率动态位移测量的优点。

2. 基于图像的位移测量系统

2.1 概述

图-1显示的是基于图像的桥梁实时位移测量系统的示意图和流程图。首先，用已知几何数据的目标面板标记测量点；在与桥梁有一定距离的固定点（例如，岸上）或桥墩（桥台）上安装一台具有伸缩镜头的商务数码摄像机，安装点可以视为固定点；然后摄像机拍摄测量点目标的动态图像。同时，目标的动态（桥梁的位移）通过图像处理技术进行计算，该技术需要一套目标识别运算法则、捕捉图像投射、利用目标几何数据和像素移动数量计算的实际位移。

利用数码图像处理技术基于图像位移测量系统的硬件包括：一个目标物、一个伸缩镜头、一台数码摄像机、一个IEEE1394端口和一台笔记本电脑；软件包括：连续图像捕捉技术、目标识别运算法则、对捕捉到的图像进行三角转换计算、通过在线图像数据计算实际位移以及对计算出位移的可视化和储存。本研究采用了一台30倍光学变焦、720*480分辨率、30帧/秒帧频的商务电子摄像机，一组安装在摄像机上用于跟踪目标的具有8倍光学变焦能力的镜头，一台用于处理实时数据配置为奔腾M 1.6Ghz处理器、512M内存笔记本电脑。全部装备费用总和不超过2000美元，这种花费对于一套能够实时跟踪桥梁位移测量的系统是非常划算的（图-2a）。实时位移测量软件的界面如图-2b所示，目前支持对图像捕捉装置、视频格式和30帧/秒以内实时图像几个方面的手动选择。

2.2 利用图像处理技术的位移测量

图-3所示的目标有4个已知几何数据的白点和黑色背景。水平长度（Lx）和垂直长度（Ly）的选取需综合考虑预期测量位移的最大值以及数码摄像机、伸缩镜头的性能。为了能够辨认出目标上的白点，以背景和目标区的亮度为基础计算出黑色和白色图像的阈值：

θ=median[μB+3бB，μT-3бT] （1）

其中μB和бB分别为背景区亮度的平均差和标准差，μT和бT分别为目标区亮度的平均差和标准差。

四个白点的中心可以通过黑色和白色图像确定，与水平和垂直方向对应的方向向量（[x1 y1]T， [x2 y2]T）就被确定出来了。三角转换矩阵（T）和比例因数（SFx， SFy）计算过程如下：

T=， SFx=， SFy= （2）

其中[X1 Y1]T=[x1 y1]T/， [X2 Y2]T=[x2 y2]T/，实际位移（[dx dy]T以目标移动像素数量（[xy]T为基础进行计算，转换矩阵和比例因数为：

[dx dy]T=T[x y]T （3）

3. 震动台试验验证

为了验证本办法，进行了实验室振动台测试。通过图像处理技术测出的位移与接触式传感器，线性差动变换器（LVDT）得出的数据进行了比照。图-4显示的是测试设备以及装有伸缩镜头摄像机拍到的图片。分别在距目标16m远垂直于和20°偏斜于目标的地方对2Hz和4Hz刺激频率下的目标进行了位移测量。图-5显示了对比结果，本方法与传统传感器得出的结果非常接近，而且最大值误差要低3%。

4 结语

本研究提出了利用数字图像处理技术基于图像的动态位移测量系统，该方法的可操作性和有效性在实验室振动台测试和钢制箱梁实地测试中得到了验证。在实验室测试中，本系统测得的位移与接触式传感器，线性差动变化器（LVDT）得出的数据进行了对比，结果与传统传感器相近，最大值误差却低3%。在实地测试中，不同载重和行走速度的自卸车被用于车辆荷载测试。本文提出的系统测得的位移与激光振动仪得出的结果相近，而测量噪音却要小得多。测试结果在振幅和频率方面都显示了充分的动态分辨力。

这些结果反应出本方法能够成功地以高分辨力测量桥梁位移。基于图像的实时位移测量系统具有创新性、较强的经济有效性、易于安装，并且具有高分辨力动态测量的优势。因此，可以期待的是本技术能够为传感器和桥梁监控领域增加一项高级而强大的补充。本文提出的基于图像的桥梁位移遥测的系统不受空气温度、湿度影响。但是有些环境条件还是可能造成很大的麻烦。例如，风力会导致摄像机震动，而震动中的摄像机捕捉到的目标动作将会被极大地放大。因此，在桥梁现场安装摄像机时须使用防风设备。为了能够在夜间或多云时辨别目标，可以利用光源对目标区进行照明。在任一种情况下，都需谨慎操作。

本文翻译自Jong Jae Lee和Masanobu Shinozuka于2006年发表在NDT&E International期刊上的文章A Vision-based System for Remote Sensing of Bridge Displacement。

致谢

本研究是在国家科技基金赞助下完成的，号码为CMS 0509018和CMS 0112665，非常感谢国家科技基金给予的大力支持。

参考文献

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