数字近景摄影测量在桥梁变形观测中的应用

张国建,于承新

(1.山东科技大学,青岛 266590;2.山东建筑大学,济南 250101)



数字近景摄影测量在桥梁变形观测中的应用

张国建1,于承新2

(1.山东科技大学,青岛 266590;2.山东建筑大学,济南 250101)

摘要：针对传统的变形监测手段的不足,采用数字近景摄影测量对动态桥梁进行瞬间实时变形监测。首先布设人工标志的参考点和变形点,其次用经过直接线性变换法检定的数码相机对动态桥梁进行瞬间的抓拍,获取承载变形信息的照片,最后根据空间时间基线视差法,对采集的数据进行处理,并将结果以图形的形式展现出来。数据表明，利用数字近景摄影测量对动态桥梁结构进行变形监测,易操作,能同时获取多个观测点的瞬间变形信息,成果精度达到3/1 000.对桥梁的变形监测研究具有重要的参考价值。

关键词：数字近景；摄影测量；桥梁变形；监测动态

0引言

随着社会的进步和科技的发展,桥梁监测已逐渐成为土木工程学科的热门研究方向,尤其是对桥梁结构的动态生产运转进行监测。桥梁作为一种复杂的建筑结构,容易受风、车辆、温度和地震等外界因素的影响,为保证桥梁的安全运转,对桥梁进行瞬间实时的监测成为研究的热门方向。目前用于结构监测的仪器主要有:全站仪、精密水准仪、位移传感器、加速度传感器和激光测试方法等,这些仪器也在桥梁的变形监测中得到了应用,如,肖根旺使用全站仪自动变形监测系统在招宝山大桥进行变形监测[1],胡现辉使用电子水平仪进行桥梁变形监测[2],熊友谊使用激光扫描对三山南桥进行载荷变形监测研究[3],王小敏利用GPS技术对大跨度桥梁变形监测[4],何永琦使用倾斜传感器进行桥梁变形监测[5]]，韩厚增采用GPS与加速度计相结合的方法进行桥梁变形监测[6],朱彦利用基于GPS技术的实时动态监测系统进行大跨桥梁变形监测[7]等,然而这些测量手段,一般只能部分的反映结构的当前状态,很难全面的反映大桥整体的状况,也没办法捕捉大桥瞬间的变形信息,无法实现对大桥的瞬间实时监测。数字近景摄影测量是一门集摄影技术、信息技术、图像处理技术于一体的新兴交叉学科,随着数字化时代的推进,数字近景摄影测量的研究有了长足的发展。在国外,利用摄影机得到的影像进行人体的重建[8];利用摄影得到的高精度的人脸模型[9];近景摄影测量中数码相机的缺陷校正[10]等等。 在国内,吴纯洁提出了主动近景摄影测量的观点[11];王国辉等提出了无固定测站式的近景摄影测量方法[12];张祖勋院士研究出了Lensphoto近景摄影测量软件[13]等等。

目前,在数字近景摄影测量中,采用的是价格不菲的专业测量相机或摄影机和专业的数据处理设备,使得监测成本偏高,无法广泛的应用,传统的测量手段依然是进行变形监测的主要方法,然而传统的变形监测手段无法完成对结构的瞬间实时监测,而本文使用经过直接线性变换法检定的普通数码相机进行数据的采集,利用空间时间基线视差法并结合卡尔曼滤波[14]进行数据的处理,并将结果实时的以图形的形式呈现出来,在提升变形观测效率的同时,满足了桥梁变形监测的精度要求[15]。

1研究方法

普通数码相机因为其易操作、成本低的特点,使得数字近景摄影测量的应用更加广泛。但作为非专业测量相机,无框标和定向设备,摄影时无法获取内外方位元素的初始值,再加上自身结构和使用的方式,也会导致采集数据时的内外方位元素值的轻微变动,传统的解算模型已不再适用。目前,适用于普通数码相机数据处理的方法主要有时间基线视差法和直接线性变换法。时间基线视差法无法完成三维空间结构的数据解算,本文在桥梁的变形观测试验过程中探讨了空间时间基线视差法,并研究了数学模型。

基本数学模型为

(1)

式中: x,z为变形观测点在像坐标系下的像点坐标; X、Y、Z为物方空间坐标;Δx,Δz为变形观测点在像坐标系下的像点坐标系统误差改正量; Xs,Ys,Zs为摄影站物方空间坐标; ai,bi,ci(i=1,2,3)为外方位元素角元素的函数。

把式(1)线性化展开得:

(2)

式中: aij(i=1,2,…6)为系数项,它是摄影机主距、物方空间坐标、外方位元素、像坐标系像点坐标等元素的函数。x0,z0是采用待求值的近似值计算得到的像点坐标值。用头标“Ⅰ”、“Ⅱ”来区别两期各自的元素,代入式(2)中,兼顾

(3)

从而得到两期观测点像点坐标的误差方程式,

(4)

(5)

视差公式为

(6)

式中: p为左右视差; q为上下视差。

若假设成立,则可近似地理解为,观测各周期的变形点的像坐标系下的像点坐标,被系统误差干扰的强度是一致的:假如把同一摄影站点上在同一方向上抓拍的像片,按照固定的方式重叠在一起,则各观测像片上的像点几乎是重合的,或相差很小,甚至可以忽略不计。可得:

(7)

将式(7)代入式(6)中则有:

(8)

即:若假设成立,前后两周期所量测的误差或单张像片测得的坐标之差获得的视差值则不会受系统误差的影响或受影响较弱。

以上内容讲述:系数aij及x0、z0是物方空间坐标、像坐标系像点坐标以及外方位元素、摄影机主距的函数。在近似值x0、z0、Xso、f不变的情况下,则有:

(9)

(10)

将式(4)、式(5)作差,并兼顾式(8)、式(9)及式(10)

则有:

(11)

即:

V=AΔX+BδXs-L.

(12)

2桥梁变形监测现场试验过程

2.1桥梁概况

黄台码头人行桥位于航运路与二环东路之间,跨越小清河。桥位处小清河规划宽度130 m,主河槽宽90 m,断面型式为复式河槽。

黄台码头桥结构型式为三跨双斜塔单索面无背索斜拉桥,桥面宽10 m,跨径布置20+80+20 m,斜塔处于横断面的中间位置,宽1.8 m,栏杆基座0.2 m,如图所示。

图1　黄台码头桥

2.2试验标志的选取

考虑到试验现场的情况及不同角度所摄影像中标志的区分,准备了两种试验标志，如图2所示,试验中,对所有变形控制点采用了直径30 cm的圆形标志,对参考点采用了30×30 cm的方形标志。

图2　实验标志

2.3仪器设备

采用4台经过校正的数码相机和两台笔记本电脑,在用数码相机采集数据之后,使用三维时间基线视差法编制的软件进行数据处理、图形的显示和成果的输出。

2.4试验过程

因为该桥为行人桥,所以采用人力动力试验,实验时安排15人在桥梁7个不同位置同时进行连续不间断跳跃,跳跃将使桥梁产生震动变形,然后通过高精度数码相机扑捉变形点的位移,从而研究其变型特征。

按实验要求,将制作好的即时贴变形标志粘贴于待测桥梁的主体桥面结构上;将参考点标志粘贴于桥两侧的斜拉基础上,粘贴好标志后,应对其进行编号,自左至右(实地为自南向北)为U1、C1-C7、U2。试验开始安排15人(按70 kg/人计算,总重量=15人×70 kg=1050 kg),自桥的南端第一个变形观测点开始,原地跳跃1～2 分钟,期间由指挥者统一发令,协调四个拍摄人瞬间同时完成拍摄。一个点拍摄完成后,依次到下一个观测点完成拍摄,共进行7次拍摄。

其中,BS 01、BS02为小清河南岸的两台观测相机;BN01、BN02为布置于小清河北岸的两台观测相机。B1为位于桥南端斜拉基础上的参考点,B2为位于桥体上中间的变形点,B3为位于桥北端斜拉基础的参考点)。

图3　黄台码头桥相机布置平面示意图

2.5试验数据处理与分析

黄台码头人行桥变形曲线图,如图4、图5所示,黄台码头东二桥变形点像素坐标值如表1所示。

图4　U0-U5号点瞬间变形曲线

片号荷载dx0dz0dx1dz1dx2dz2dx3dz3dx4dz4dx5dz5dx6dz6dx7dz7211.00-1102-1013-963-954-935-935-936-969221.00-1184-1083-1046-1025-1006-996-997-1039231.00-111-2-103-1-981-98-1-951-941-943-985241.00-1202-1113-1054-1043-1015-1015-1016-1058251.00-1200-1131-1072-1052-1033-1022-1033-1066261.00-1142-1081-1001-1012-983-982-974-1016271.00-1162-1081-1011-1012-993-983-984-1026281.00-112-4-105-2-96-3-98-2-96-1-96-1-951-993

图5　U6-U8号点瞬间变形曲线

根据上述变形图和像素坐标变化表可知,各个变形点点位的位移变化量在毫米范围内波动,黄台马头桥满足载重和稳定性的要求。

3结束语

采用数字近景摄影测量对动态桥梁进行瞬间实时变形监测结果表明:

1) 由各个变形点的瞬间变形曲线图以及像素坐标变化可知,在施加荷载的瞬间观测点像素坐标发生明显的变化,之后观测点的像素变化不大,位移的变化在毫米以内,没有明显的变化,黄台马头桥满足了稳定性的要求。

2) 利用空间时间基线视差法对采集的数据进行实时的处理和修正,并把结果以图形的形式实时的展现出来,实现了对桥梁健康状况的瞬间实时观测。

3) 实验表明,采用普通数码相机可以获取桥梁的瞬间变形信息,并能同时观测多个观测点。

4) 在试验中,采用经过检定的普通数码相机进行数据采集,采用空间时间基线视差法进行数据处理,使得观测成果的精度达到了3/1000,达到了对桥梁变形观测的要求。

参考文献

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张国建(1989-),男,山东济宁人,硕士生,研究方向大地测量学与测量工程。

于承新(1961-),男,山东烟台人,教授,主要从事工程测量教学和研究。

The Application of Digital Close-Range Photogrammetry in the Deformation Observation of Bridge

ZHANG Guojian1,YU Chengxin2

(1.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.ShandongJianzhuUniversity,Jinan250101,China)

Abstract:In the light of the shortcomings of traditional monitoring methods of the deformation observation, this paper adopts digital close-range photogrammetry for the deformation observation of the bridge in the dynamic real-time moments: at the first, laying the reference points and the deformation points with the artificial marks, then,using the digital cameras verified with the direct linear transformation method to capture the dynamic bridge at the moment and obtain the pictures which bears deformation information, at last,according to the space time baseline parallax method, processing the collected data, and showing out the results graphically. Data shows that: using digital close-range photogrammetry to observe the deformation of the dynamic bridge structure is easy to operate and can also obtain the deformation information of a number of observation points in the blink of an eye, the accuracy of the results reached 3/1000. The study has important reference value for the deformation observation of the bridge.

Keywords:Digital close-range; photogrammetry; bridge deformation; observation dynamic

作者简介

中图分类号：TU317

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2016)01-0091-05

收稿日期：2015-09-19

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.019

资助项目： 山东省科技计划项目(编号：2010GZX20125)

联系人： 张国建E-mail: 494088845@qq.com