一种基于监控视频的桥梁结构模态分析方法

本发明涉及到一种桥梁结构模态分析方法。

背景技术：

桥梁结构，特别是大跨桥梁，由于持续和短暂负荷的影响，包括自重、预应力、交通、温度变化和损伤引起的应力重分布等，会使得结构经历长期的挠度变化。部分桥梁由于设计理论不完善，建造期间材料的限制，施工质量缺陷以及超载突发灾害等影响，在运营过程中存在较大的安全隐患。桥梁材料疲劳老化，桥梁垮塌事故不断涌现，造成了大量经济损失和人员伤亡，因此桥梁安全运营和健康监测越来越受到重视。

在桥梁监测中，结构模态是一项重要的安全指标，表征结构刚度的变化，可广泛应用于结构健康监测，可以由振动分析得到。现有的桥梁结构振动测量方法有如下几种：

使用接触式传感器进行监测，通常需要在结构上粘贴或者嵌入光纤光栅等位移传感器或压电式、电容式等加速度传感器，从而将位移量或者加速度值转换为电量，实现对结构振动的监测。在实际工程应用中，接触式传感器有着非常重要的作用，该方法精度较高，但是安装、维修困难，同时会对原有结构造成损害，存在较大的局限性；

通过移动车辆来识别桥梁模态的方法，在试验前需要封道处理，排除其他车辆的干扰。试验过程中，驾驶安装有加速度传感器的检测车通过目标桥梁，记录车辆在桥面上行驶过程中的振动数据。该方法通常用于桥梁结构的检测，由于检测频率较低，难以应用于结构的长期监测中。此外，检测时封道处理会影响车辆通行，在交通繁忙的路段难以实施。

计算机视觉方法作为一种新型的位移测量方法，可以有效避免上述接触式和非接触式位移测量方法的弊端，其远距离、非接触、低成本、高精度、抗电磁干扰的优点已经得到了广大土木工程研究人员的关注和认可。

以往的计算机视觉方法为了实现对桥梁全桥结构的监测，通常在远离桥梁的地点安置摄像头，测量的精度难以保证；而在桥上调用监控摄像头则存在两个问题：监控摄像头难以实现对桥梁的覆盖；同时位于近处的监控摄像头拍摄的图片存在较大的畸变，影响对桥梁位移的识别。

技术实现要素：

基于上述分析，本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种基于监控视频的桥梁结构模态分析方法。

本发明提出的基于监控视频的桥梁结构模态分析方法，该方法利用多个连续的摄像头实现对桥梁结构位移的高精度监测。首先，在各个摄像头的视角内选择若干区域，计算这些区域图像与实际位移的转换关系；其次，将摄像头拍摄图像的图上位移转化为其实际位移，得到目标相对于摄像头的位移；从桥台地面开始，将相邻摄像头的位移依次差值传递，得到所有摄像头本体的位移；最后，计算所有目标相对于桥台地面的位移，并计算桥梁结构的模态。

本发明的一种基于监控视频的桥梁结构模态分析方法，包括如下步骤：

a.安装摄像头，标定监测点、参照点；

a1.在待测桥梁上，安装若干摄像机，并保证相邻摄像机在其监控区域内；

a2.考察待测桥梁，综合考虑路面、栏杆、监控摄像机的位置和监控区域，根据需要选择监测点和参照点，选点时保证所有点位和监控摄像机之间没有任何障碍物遮挡，并选取至少四个参照点；

a3.对监测点和参照点进行标记，标记后点应与周围背景在存在较大差别，使其易于计算机识别；

a4.在桥梁路面上设立坐标系，测量参照点的空间坐标；

b.计算监测点初始位置；

b1.利用监控摄像机采集该桥梁表面图像，获取第一帧图像；

b2.经过b1步骤得到了监控点在监测图像上的位置。但是由于监控摄像机获取的图像存在畸变，无法直接获取图像和实际的比例关系。根据事先确定的参照点实际坐标和它们在监测图上的图像上的位置，计算桥梁结构上的点空间坐标和图像上的位置的转化关系；

b3.由b2得到的转化关系和监测点在图像上的位置计算所有监测点的起始坐标；

c.监测点位移监测；

c1.在第一帧图像内选择监测点作为追踪模板，预估每个测点在监测期间可能产生的位移量，给每个监测点设定可能的位移区域；

c2.在动态位移监测过程中，监测点的位置会发生变化，通过持续监测得到各个监测点在对应时间的监控图像上的位置；

c3.从安装在桥台上，假定不发生位移的摄像头开始，根据b2的转化关系,依次计算其监测范围内摄像头相对于前一个摄像头的位移，计算出所有摄像头本身的位移；

c4.计算每一帧图像上每一个监测点的在实际空间上的空间坐标，加上摄像头本身的位移，作为监测点的空间坐标，与起始坐标对比，得到该时刻监测点的位移；

d.结构模态分析；

d1.根据c4各点位的位移时间关系，建立全桥振动模型；

d2.截取最近一分钟内的振动数据，使用傅里叶变换、小波变换等时频分析方法获取模态频率和模态振型；

d3.储存d2的数据及其对应时间，作为桥梁结构长期模态监测的频率和振型数据。

与现有的技术相比，本技术有几下几个优点：

1.本方法由于采用视频图像检测，非接触式监测方法，适用范围广，监测准确率不受温度、湿度、酸碱性等环境因素影响。

2.利用现有的监控摄像机，不需要安装新的监测设备，大大减少各类传感器，特别是加速度传感器的数量。

3.仪器设备简单，安装方便，不对结构本身或交通情况造成影响。

4.本方法通过同步桥梁各段的监控视频，重建结构响应的完整视图。

5.解决了基于计算机视觉的方法计算空间坐标或位移时遇到的结构畸变的问题，还原了真实图像，提高监测精度和准确性。

6.仪器使用寿命长，能适应长期的监测需要。

附图说明

图1是实施本发明方法的仪器布置示意图。

图2a～图2b是本发明的畸变还原示意图，其中，图2a是监控摄像头获取的原始图像，图2b是畸变还原之后的图像。

图3是本发明的实施流程图。

图例说明：

1——待测桥梁；

2——桥台；

3——监控摄像头；

4——监测点；

5——参照点。

具体实施方式

以下结合图1中所示的仪器布置示意图、图2所示的畸变还原示意图和图3中所示的实施流程图进一步阐述本发明的具体实施方式。其具体步骤如下：

a.安装摄像头，标定监测点、参照点；

a1.在待测桥梁1上，安装若干摄像机3，并保证相邻摄像机在其监控区域内；

a2.考察待测桥梁，综合考虑路面、栏杆、监控摄像机的位置和监控区域，根据需要选择监测点4和参照点5，选点时保证所有点位和监控摄像机之间没有任何障碍物遮挡，并选取至少四个参照点；

a3.对监测点和参照点进行标记，标记后点应与周围背景在存在较大差别，使其易于计算机识别；

a4.在桥梁路面上设立坐标系，测量参照点的空间坐标；

b.计算监测点初始位置；

b1.利用监控摄像机采集该桥梁表面图像，获取第一帧图像；

b2.经过b1步骤得到了监控点4在监测图像上的位置。但是由于监控摄像机获取的图像存在畸变，无法直接获取图像和实际的比例关系。根据事先确定的参照点5实际坐标和它们在监测图上的图像上的位置，计算桥梁结构上的点空间坐标和图像上的位置的转化关系；

b3.由b2得到的转化关系和监测点在图像上的位置计算所有监测点的起始坐标；

c.监测点位移监测；

c1.在第一帧图像内选择监测点4作为追踪模板，预估每个测点在监测期间可能产生的位移量，给每个监测点设定可能的位移区域；

c2.在动态位移监测过程中，监测点的位置会发生变化，通过持续监测得到各个监测点在对应时间的监控图像上的位置；

c3.从安装在桥台2上，假定不发生位移的摄像头开始，根据b2的转化关系,依次计算其监测范围内摄像头相对于前一个摄像头的位移，计算出所有摄像头本身的位移；

c4.计算每一帧图像上每一个监测点的在实际空间上的空间坐标，加上摄像头本身的位移，作为监测点的空间坐标，与起始坐标对比，得到该时刻监测点的位移；

d.结构模态分析；

d1.根据c4各点位的位移时间关系，建立全桥振动模型；

d2.截取最近一分钟内的振动数据，使用傅里叶变换、小波变换等时频分析方法获取模态频率和模态振型；

d3.储存d2的数据及其对应时间，作为桥梁结构长期模态监测的频率和振型数据。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。