專利名稱：一種基于數(shù)字圖像的高層結(jié)構(gòu)動態(tài)位移監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位移監(jiān)測方法，具體來說，是涉及一種對高層結(jié)構(gòu)的動態(tài)位移監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
所謂變形監(jiān)測，就是利用專門的儀器和設(shè)備測定建(構(gòu))筑物及其地基在建(構(gòu)) 筑物收到外力作用下隨時間而變形的測量工作。變形監(jiān)測包括內(nèi)部監(jiān)測和外部監(jiān)測兩部分。內(nèi)部監(jiān)測主要是對建(構(gòu))筑物的內(nèi)部應(yīng)力、溫度變化的監(jiān)測，以及動力特性和加速度的測定等。外部監(jiān)測主要是對建(構(gòu))筑物的沉降、位移觀測、傾斜觀測、裂縫觀測、撓度觀測等。變形監(jiān)測按照結(jié)構(gòu)變形或位移的狀態(tài)可以分為靜態(tài)和動態(tài)。動態(tài)變形或位移是指外力作用下產(chǎn)生的變形或位移，它是以外力為函數(shù)來表示的動態(tài)系統(tǒng)對于時間的變化，其觀測結(jié)果是表示建筑物在某個時刻的瞬時變形或位移。建(構(gòu))筑物產(chǎn)生變形或位移的因素是多方面的，而且多數(shù)變形或位移是由客觀自然條件及其變化所造成的，因此建(構(gòu))筑物產(chǎn)生變形或位移是不可避免的。當(dāng)建(構(gòu)) 筑物在施工和運(yùn)營過程中，產(chǎn)生了不利于建(構(gòu))筑物穩(wěn)定的變化因素時，變形或位移就必然要發(fā)生。當(dāng)變形或位移值超過允許的極限值后，建(構(gòu))筑物就可能出現(xiàn)危險甚至破壞， 給人們的生命財產(chǎn)造成極大的損失。對于高層結(jié)構(gòu)，特別是超高層結(jié)構(gòu)，在正常情況下處于與其固有頻率相關(guān)的擺動和扭動之中，在外載荷——如大風(fēng)，地震，地基下沉等的作用下，其擺動和扭動的對稱性將發(fā)生變化；或者由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞或老化，其擺動和扭動的頻率也將發(fā)生變化。因此，通過動態(tài)位移監(jiān)測系統(tǒng)對高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測，可以對高層結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)作出科學(xué)的分析與判斷。近年來，信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展大大帶動了結(jié)構(gòu)變形測量技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)了許多新技術(shù)和新方法。這些方法在精度上有一定程度的提高，有些方法可以實(shí)現(xiàn)自動測量。但是在量程、環(huán)境影響、成本控制方面還有許多的不足。目前新型的測量方法有利用全站儀、 精密水準(zhǔn)儀、百分表等的人工測量方法，以及傾角儀、激光光斑、光電成像、GPS、慣性等自動測量方法。顯然，人工測量方法不適用于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期監(jiān)測。而目前主要的自動測量方法的精度一般在厘米量級，達(dá)不到監(jiān)測要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對結(jié)構(gòu)測量系統(tǒng)和方法的不足，我們研制了一種基于數(shù)字圖像測量原理，精確測量高層結(jié)構(gòu)動態(tài)位移的長期監(jiān)測方法，該方法能夠?qū)Ω邔咏Y(jié)構(gòu)的動態(tài)位移進(jìn)行長期、高精度、實(shí)時的自動監(jiān)測，且具有安裝簡便，易于推廣應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)一種基于數(shù)字圖像的高層結(jié)構(gòu)動態(tài)位移監(jiān)測方法，包括圖像采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；所述圖像采集系統(tǒng)安裝于待監(jiān)測構(gòu)筑物的測定點(diǎn)上，且其鏡頭面向地面，鏡頭方向與豎直方向的夾角為θ，采集地面的圖像數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)根據(jù)采集到的地面圖像數(shù)據(jù)計算構(gòu)筑物測定點(diǎn)的平動位移和扭轉(zhuǎn)角；所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)計算過程如下1)測得測定點(diǎn)離地面的距離為h，監(jiān)測構(gòu)筑物的橫截面長度為L，寬度為W，以構(gòu)筑物的中心點(diǎn)0為圓心建立直角坐標(biāo)系，測定點(diǎn)到中心的距離為R ；2)當(dāng)高層結(jié)構(gòu)未發(fā)生位移時，采集初始圖像數(shù)據(jù)，矩形AB⑶為采集圖像的窗口大小，AB⑶分別表示窗口四個角的位置，在圖像窗口中任意選擇地面上的η個特征點(diǎn)作為分析目標(biāo)(1，2，…，i，…)；通過數(shù)字圖像處理方法對特征點(diǎn)進(jìn)行識別、定位，在以所述構(gòu)筑物中心的0為原點(diǎn)，矩形的AB邊為X軸，AD邊為Y軸坐標(biāo)系XOY中，特征點(diǎn)在圖像中的像素坐標(biāo)分別為(X1J1), (x2，y2)，…，(Xi, Yi),...；3)當(dāng)高層結(jié)構(gòu)發(fā)生位移后，監(jiān)測儀器隨監(jiān)測點(diǎn)同步移動，矩形窗口 AB⑶即移動到矩形A’ B’ C’ D’位置；采集變形后的圖像數(shù)據(jù)，由于所述特征點(diǎn)為地面特征，其位置不動， 通過數(shù)字圖像處理方法對特征點(diǎn)進(jìn)行識別、定位，其在以所述構(gòu)筑物移動后的中心0’為原點(diǎn)，矩形的A’ B’邊為X軸，A’D’邊為Y軸坐標(biāo)系X’0’ Y’中，其坐標(biāo)分別為(χ'
權(quán)利要求
1. 一種基于數(shù)字圖像的高層結(jié)構(gòu)動態(tài)位移監(jiān)測方法，其特征在于包括圖像采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；所述圖像采集系統(tǒng)安裝于待監(jiān)測構(gòu)筑物的測定點(diǎn)上，且其鏡頭面向地面，鏡頭方向與豎直方向的夾角為θ，采集地面的圖像數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)根據(jù)采集到的地面圖像數(shù)據(jù)計算構(gòu)筑物測定點(diǎn)的平動位移和扭轉(zhuǎn)角；所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)計算過程如下1)以構(gòu)筑物的中心點(diǎn)0為圓心建立直角坐標(biāo)系；2)當(dāng)高層結(jié)構(gòu)未發(fā)生位移時，采集初始圖像數(shù)據(jù)，矩形ABCD為采集圖像的窗口大小， AB⑶分別表示窗口四個角的位置，在圖像窗口中任意選擇地面上的η個特征點(diǎn)作為分析目標(biāo)(1，2，…，i，…)；通過數(shù)字圖像處理方法對特征點(diǎn)進(jìn)行識別、定位，在以所述構(gòu)筑物中心的0為原點(diǎn)，矩形的AB邊為X軸，AD邊為Y軸坐標(biāo)系XOY中，特征點(diǎn)在圖像中的像素坐標(biāo)分另 1J為(X1, Y1)，(x2，y2)， ··· U1, Y1),...；3)當(dāng)高層結(jié)構(gòu)發(fā)生位移后，監(jiān)測儀器隨監(jiān)測點(diǎn)同步移動，矩形窗口ABCD即移動到矩形 A’ B’ C’ D’位置；采集變形后的圖像數(shù)據(jù)，由于所述特征點(diǎn)為地面特征，其位置不動，通過數(shù)字圖像處理方法對特征點(diǎn)進(jìn)行識別、定位，其在以所述構(gòu)筑物移動后的中心0’為原點(diǎn)，矩形的A’ B’邊為X軸，A’ D’邊為Y軸坐標(biāo)系X’ 0’ Y’中，其坐標(biāo)分別為(χ'(χ' 2， ι' 2)，…，(χ' i，y' i)...；4)將兩次拍攝的圖像合并到同一圖像中，即按照特征點(diǎn)在窗口ABCD中的相對位置依次將其標(biāo)記在窗口 A’ B’ C’ D’中，并且認(rèn)為由于構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的變形，在窗口 A’ B’ C’ D’中， 特征點(diǎn)1，2，…i，…移動到了特征點(diǎn)1，，2，，…i，，…；5)扭轉(zhuǎn)角計算將任意特征點(diǎn)1、2以及1’、2’連接起來，兩條線的夾角為e· _ Q2 - X1 )(y'2 -y[) - (x'2 - x[)(y2 -γ,)δΙΙΙ UC — ιι^](x1-x2f+(y1-y2)2^ (χ； -x'2f + (y[-y'2)2α以順時針為正c = arcsin ; ( 乂-力―力化 _乂) (-π<α<π)⑴V(X1-X2)2+u-^2)2 VK-^)2+(X-^)2角度α即為結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角；6)平動位移計算由于高層結(jié)構(gòu)位移包括平動位移和扭轉(zhuǎn)，在計算出扭轉(zhuǎn)角后，需要去除扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的平動位移，將特征點(diǎn)1，2以0’為中心，按照扭轉(zhuǎn)角度α相反的方向旋轉(zhuǎn)，在圖像窗口 A’B’C’D’中得到新的特征點(diǎn)1”、2”，在以所述構(gòu)筑物移動后的中心0’為原點(diǎn)，矩形的A’B’ 邊為X軸，A’D’邊為Y軸坐標(biāo)系Χ’0’Υ’中，其坐標(biāo)分別為(χ" 1； y" (x" 2，y" 2)； 新的特征點(diǎn)的坐標(biāo)滿足關(guān)系式χ'- X1 coscir- V1 sinCir,、1 1力(2)X1 sin a+ yx cos aX2 - x2 cos Cir-^2 sin a(3 )y" = x2 sin a+ y2 cos a此時特征點(diǎn)1’、2’移動到1”、2”即為平動位移，即Ax1 = X" rx‘ π ΔΥι = y" ry' (4)Δχ2 = x" 2-x' 2，Ay2 = y" 2_y' 2(5)每個特征點(diǎn)均可以計算出平動位移，通過所有點(diǎn)的計算結(jié)果取平均，以減小計算誤差，即Δ χ = (Δ X1+Δ χ2)/2, Ay= ( Δ Υι+Δ y2) /2(6)上述得到的結(jié)果為圖像中移動的像素大小，并不是實(shí)際的移動長度；下面需要將圖像坐標(biāo)變?yōu)閷?shí)際長度的坐標(biāo)；在地面上選擇上、下、左、右四個特征點(diǎn)ρτ、PB> PL> Pk，測量出上、 下特征點(diǎn)間的距離Ltb和左、右特征點(diǎn)間的距離Lui，所述距離Ltb和Lui的單位為毫米；對初始狀態(tài)時采集的圖象數(shù)據(jù)，精確提取上述四個特征點(diǎn)在圖像中的像素位置，分別為(xT，yT)、(χΒ，yB)、(xL, yL)> (xE, yE)；計算圖象上下特征點(diǎn)間的距離Itb和左右特征點(diǎn)間的距離Iui，所述距離Itb和Iui的單位為象素，則兩個方向上的成象比例，即毫米/象素分別為kTB — LTB//Itb(J)^le — LLE//Ile(8)其中，Itb和Ile分別為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字圖像的高層結(jié)構(gòu)動態(tài)位移監(jiān)測方法，其特征在于所述圖像采集系統(tǒng)安裝時，鏡頭方向與豎直方向的夾角為0-10°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于數(shù)字圖像的高層結(jié)構(gòu)動態(tài)位移監(jiān)測方法，其特征在于6)平動位移計算中，所述在地面上選擇的上下特征點(diǎn)連線與左右特征點(diǎn)連線相互垂直。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于數(shù)字圖像的高層結(jié)構(gòu)動態(tài)位移監(jiān)測方法，屬于一種位移監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。包括圖像采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；所述圖像采集系統(tǒng)安裝于待監(jiān)測構(gòu)筑物的測定點(diǎn)上，且其鏡頭面向地面，鏡頭方向與豎直方向的夾角為θ，采集地面的圖像數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)根據(jù)采集到的地面圖像數(shù)據(jù)計算構(gòu)筑物測定點(diǎn)的平動位移和扭轉(zhuǎn)角。該方法能夠?qū)Ω邔咏Y(jié)構(gòu)的動態(tài)位移進(jìn)行長期、高精度、實(shí)時的自動監(jiān)測，且具有安裝簡便，易于推廣應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01B11/26GK102506744SQ20111037479
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者劉肖琳, 譚湘倩 申請人:劉肖琳