[發明專利]基于數字圖像處理技術的結構二維位移及應變監測方法

有效

• 申請號: 201410201870.5
• 申請日: 2014-05-13
• 公開（公告）號: CN103994724B
• 公開（公告）日: 2019-07-02
• 發明（設計）人: 滕軍;盧偉;崔燕;李祚華
• 申請（專利權）人: 滕軍
• 主分類號: G01B11/03
• 分類號: G01B11/03;G01L1/00
• 代理公司: 重慶強大凱創專利代理事務所(普通合伙) 50217
• 代理人: 黃書凱

本方法提出一種基于數字圖像處理技術的結構二維位移和應變監測方法，其特征是：標靶采用圓形圖案，以確保進行結構物理量監測時標靶截面的無方向性；選取圓形的圓心作為標靶圖像特征，并運用數字圖像讀取、基于迭代法選取閾值的圖像二值化、抗噪性多尺度數學形態學邊緣檢測、基于面積跟蹤算法的圖像進一步去噪、基于最小半徑法的邊緣精定位和非迭代快速圓心擬合法，來提取圓心二維像素坐標；采用邊長已知的方形圖案作為標定板來進行當前視覺監測系統的系統標定；所述系統標定是指通過運用數字圖像讀取、基于迭代法選取閾值的圖像二值化分割和基于面積跟蹤算法的圖像進一步去噪，來尋找方形圖案四個頂點，進而確定像素邊長值和實際邊長值之間的對應關系。最后，利用系統雙向分辨率和標靶圓心幀差法計算結構測點二維位移；利用標靶中相鄰兩圓心的像素坐標和平均應變計算公式，確定結構局部平均應變。

技術領域

本發明公開一種非接觸式結構二維位移及應變監測方法，特別是一種基于數字圖像處理的非接觸式結構二維位移及應變監測方法以及該方法的實現流程。

背景技術

為確保結構安全及人民的生命財產和安全，進行結構的健康監測是十分必要的。結構健康監測的內容很多，如載荷監測、溫度監測、加速度監測、位移監測、應變監測等等。其中，結構的位移及應變監測更是結構健康監測的重要內容。通過對在建結構的位移及應變監測，可以知道結構是否滿足設計要求，并在出現較大位移或應變時做到及時糾正；通過對已有建筑的位移及應變監測，可以判斷結構是否處于安全狀態，以便能及時對其進行加固等處理。此外，結構的位移信息還是進行結構實驗和分析的極其有價值的原始數據，是結構動態特性之一。

結構位移(應變)監測方法有：傳統的非圖像監測方法和基于數字圖像的位移監測方法。其中，傳統的非圖像監測方法又包括有線、無線傳感器監測方法和非接觸式監測方法。但就目前的這些位移監測方法來看：基于傳感器的方法定會有傳感器與待測點的接觸。而對于結構的一些難以接近的位置無法放置傳感器，從而無法進行位移或應變的監測；其次，大型土木結構一般情況下均需放置幾百個傳感器，所以實際工程中的傳感系統非常復雜，布置工作量大；最后，基于有線傳感器的方法會有過多的信號傳輸線存在，而基于無線傳感器雖未用傳輸線但數據信號卻易受到環境干擾，往往測得的數據不完備且夾雜有較明顯的噪聲。傳統的非接觸式測量方法，如電子全站儀和GPS衛星測量法，在實驗及一些實際工程中也有成功的先例，但它們都需要采用很昂貴的機器設備及專業人士操作，且采集到的信號受環境干擾大。

由于傳統非圖像監測方法的缺點和問題，近年來許多的專家學者開始研究基于數字圖像處理的位移監測方法，并且取得了不少的成績。如華中科技大學的趙文光等提出的基于標定板CCD圖像處理技術的土木工程二維位移監測方法，通過對某公路橋梁的跑車和跳車試驗表明該方法能夠測量出橋梁在動載和靜載作用下橫向和豎向位移，且能夠實時輸出。其視覺監測系統安裝示意圖如圖1所示：

同濟大學的周奇才等提出利用定點放置的目標點光源的數字圖像進行隧道橫縱向變形監測方法，通過模擬實驗表明該方法能夠得到隧道的變形量，且變形監測結果是比較精確、可靠的。同時，該學者還提出在實際的隧道變形監測中，會每隔適當距離在隧道壁上安裝一個圖像傳感器并在其正前方固定目標點光源，從而實現對站間地鐵隧道的變形監測。其地鐵隧道變形監測系統示意圖如圖2所示：中國地震局工程力學研究所的張濤提出利用黑白雙色標靶的數字圖像進行光學位移測量，并進行了水平振動臺振動位移測量和橋墩靜力試驗下的位移測量試驗，兩次試驗結果均表明其所提出的光學位移測量法能很好地實現對結構二維位移的測量。其黑白雙色標靶如圖3所示：

學者Jong Jae Lee等提出利用尺寸已知且含四白色斑點的目標面板進行二維位移監測。他們以黑色背景下含4白色斑點的目標面板作為拍攝對象，以4斑點中的任一點作為監測目標來進行對橋梁的二維位移監測。由鋼箱梁橋試驗表明利用二維位移視覺監測法所得橋梁位移時程曲線能與激光測振器所得橋梁位移時程曲線較好地吻合。其目標面板示意圖如圖4所示：