一种桥梁变形监测方法

本发明属于桥梁工程领域，具体涉及一种桥梁变形监测方法。

背景技术：

1、我国桥梁和特大桥梁的建设越来越多，然而随着跨度增加，工程建设中不确定的因素增大，导致大跨径桥梁在施工过程中存在较大的风险。据统计的桥梁坍塌事故中，桥梁在建设阶段的坍塌风险最大，而其中由于施工不合理而导致的坍塌数目最大。桥梁的变形控制是施工阶段的一个重要控制因素，桥梁变形监控是确保桥梁施工宏观质量的关键、桥梁建设的安全保证。

2、目前，桥梁常用的传统变形监测方法主要是接触式测量，包括百分表测量、水准测量、全站仪测量等，受到现场施工条件影响较大。此外，桥梁变形主要由现场监控人员每隔一段时间测量一次，两次测量之间存在空白窗口期，在此期间内桥梁变形状态是未知的，增加了施工过程中的潜在风险。如果在施工阶段时桥梁变形出现异常，传统方法较难在短时间内快速找出异常原因并及时采取补救措施，大大增加了桥梁施工坍塌风险的可能性。

3、目前，非接触测量方法为基于机器视觉的数字摄影测量技术。该测量技术能够实现对结构的实时测量，但是基于机器视觉的数字摄影测量技术由于受传感器尺寸的限制，当桥梁跨度非常大时，获得桥梁的全景图像较为困难，且由全景图像解算的变形值精度不高。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种桥梁变形监测方法。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种桥梁变形监测方法，包括如下步骤：

4、确定待测桥梁的标志点、支座参考点及多个测点；

5、获取待测桥梁的正视图像及旋转图像；

6、以所述正视图像为基准图像，以所述正视图像与旋转图像的重叠区域同名点为约束，将旋转图像向基准图像进行投影变换，得到等效正视图像；

7、使用sift算法对基准图像及等效正视图像进行特征匹配，获得同名点；

8、根据所述同名点并结合光束平差法获得等效正视图像的相对方位元素；

9、根据所述相对方位元素对所述基准图像和等效正视图像进行拼接，得到待测桥梁的全景图像；

10、根据所述全景图像、标志点及支座参考点计算得到待测桥梁多个测点的变形值，得到变形曲线。

11、优选的，获取待测桥梁的正视图像及旋转图像之前，还包括对相机标定，所述相机标定将要获取的待测桥梁的正视图像及旋转图像的像素坐标转化为实际空间坐标，以重构待测桥梁的空间状态。

12、优选的，将要获取的待测桥梁的正视图像及旋转图像的像素坐标转化为实际空间坐标包括对世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系和像素坐标系之间的转化，具体的关系式为：

13、

14、式中，u、v为图像坐标系中的坐标，单位为mm；x、y、z为世界坐标系中的坐标，单位为像素；k为相机内参，是一个3×3矩阵，其作用是将坐标由相机坐标系转换到图像坐标系，再转换到像素坐标系；r、t为相机外参，r是一个3×3矩阵，表示在x、y、z方向上的旋转变换，t是一个3×1的矩阵，代表在x、y、z方向上的平移变换。

15、优选的，以所述正视图像为基准图像，以所述正视图像与旋转图像的重叠区域同名点为约束，将旋转图像向基准图像进行投影变换，得到等效正视图像之前，还包括对所述正视图像及旋转图像进行径向畸变校正、切向畸变校正及畸变叠加组合，以得到校正后的正视图像及旋转图像。

16、优选的，所述径向畸变校正的公式为：

17、

18、式中：k1、k2、k3均为径向畸变系数，(x，y)为理想光心系统下无畸变的图像坐标，(x＇，y＇)是实际应用中的图像坐标，r是该点到成像中心的距离。

19、优选的，所述切向畸变校正的公式为：

20、

21、优选的，所述畸变叠加组合的公式为：

22、

23、所述旋转图像拍摄的最大旋转角不超过14°。

24、优选的，所述全景图像包括待测桥梁变形前的第一图像和待测桥梁变形后的第二图像。

25、优选的，根据所述全景图像、标志点及支座参考点计算得到待测桥梁多个测点的变形值，包括如下步骤：

26、以所述标志点及支座参考点所在平面为测量平面；

27、计算所述第一图像和第二图像对应特征点在所述测量平面的像素坐标，计算纵向坐标差值；

28、还原纵向坐标差值在世界坐标系中的实际距离，根据实际距离确定多个测点的实际变形量，通过多个测点的实际变形量形成待测桥梁的变形曲线。

29、本发明提供的桥梁变形监测方法具有以下有益效果：

30、本发明通过对获取的旋转图像进行投影变化，能够得到等效正视图像，通过对等效正视图像进行提取特征，能够获得基准图像及等效正视图像的高精度同名点，并使旋转图像与基准图像精准对接，从而能够将等效正视图像与基准图像拼接为全景图像；通过全景图像、标志点及支座参考点能够获取待测桥梁多个测点的变形值，得到变形曲线；本发明的变形监测方法为非接触式测量方法，经室内试验和工程实践证明，本发明效率高且具有良好的精度，能满足工程监测的要求，保证桥梁施工的质量和安全性。

技术特征：

1.一种桥梁变形监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的桥梁变形监测方法，其特征在于，获取待测桥梁的正视图像及旋转图像之前，还包括对相机标定，所述相机标定将要获取的待测桥梁的正视图像及旋转图像的像素坐标转化为实际空间坐标，以重构待测桥梁的空间状态。

3.根据权利要求2所述的桥梁变形监测方法，其特征在于，将要获取的待测桥梁的正视图像及旋转图像的像素坐标转化为实际空间坐标包括对世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系和像素坐标系之间的转化，具体的关系式为：

4.根据权利要求1所述的桥梁变形监测方法，其特征在于，以所述正视图像为基准图像，以所述正视图像与旋转图像的重叠区域同名点为约束，将旋转图像向基准图像进行投影变换，得到等效正视图像之前，还包括对所述正视图像及旋转图像进行径向畸变校正、切向畸变校正及畸变叠加组合，以得到校正后的正视图像及旋转图像。

5.根据权利要求4所述的桥梁变形监测方法，其特征在于，所述径向畸变校正的公式为：

6.根据权利要求4所述的桥梁变形监测方法，其特征在于，

7.根据权利要求4所述的桥梁变形监测方法，其特征在于，所述畸变叠加组合的公式为：

8.根据权利要求1所述的桥梁变形监测方法，其特征在于，所述旋转图像拍摄的最大旋转角不超过14°。

9.根据权利要求1所述的桥梁变形监测方法，其特征在于，所述全景图像包括待测桥梁变形前的第一图像和待测桥梁变形后的第二图像。

10.根据权利要求9所述的桥梁变形监测方法，其特征在于，根据所述全景图像、标志点及支座参考点计算得到待测桥梁多个测点的变形值，包括如下步骤：

技术总结
本发明提供了一种桥梁变形监测方法，属于桥梁工程领域，包括如下步骤：确定待测桥梁的标志点、支座参考点及多个测点；获取待测桥梁的正视图像及旋转图像；以正视图像为基准图像，以正视图像与旋转图像的重叠区域同名点为约束，将旋转图像向基准图像进行投影变换，得到等效正视图像；使用SIFT算法对基准图像及等效正视图像进行特征匹配，获得高精度同名点；根据高精度同名点并结合光束平差法获得等效正视图像的精确相对方位元素；根据精确相对方位元素对基准图像和等效正视图像进行拼接，得到待测桥梁的全景图像；根据全景图像、标志点及支座参考点获取待测桥梁多个测点的变形值，得到变形曲线。

技术研发人员：单海涛,刘书奎,杨声,张闵书,蔡文军,刘克梁,陈晨,柳志军,赵青,王其昂
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16