CN106092059B

CN106092059B - 一种基于多点拟合的结构物平面位移监测方法

Info

Publication number: CN106092059B
Application number: CN201610476238.0A
Authority: CN
Inventors: 蓝章礼; 陈巍; 杨扬; 黄芬; 王可欣
Original assignee: Chongqing Jiaotong University
Current assignee: Chongqing Jiaotong University
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2018-07-20
Anticipated expiration: 2036-06-27
Also published as: CN106092059A

Abstract

本发明提供的大型结构物位移监控方法，在待测结构物的侧面上设置多个待测点靶标，参考点靶标和相机，计算机获取相机首次拍摄的图像后，将该图像设为模板图像；当计算机获取相机拍摄的实时图像，并结合模板图像对实时图像进行分析处理，得到待测结构物的平面位移。该方法利用在待测结构物的侧面上设置的多个待测点靶标拟合得到待测结构物的平面位移，能够用于对待测结构物的平面位移进行测量，同时在待测点靶标和相机之间设有的参考点靶标，相机发生偏转时，用参考点靶标修正对待测点靶标位移检测的误差，提高了整个监控精度，***成本造价低。

Description

一种基于多点拟合的结构物平面位移监测方法

技术领域

本发明涉及摄影测量技术，尤其涉及使用工业摄影器材进行结构物平面位移监测以及山体滑坡、地面沉降或移动监测的方法。

背景技术

现有技术主要通过全站仪、位移传感器或GPS位移测量***来对大型结构物沉降和位移、形变进行监测。全站仪虽然精度高，但是售价昂贵，成本花费太大，且全站仪是精密光学电子仪器，对恶劣条件难以应用，主机安置点也要求有较大空间。位移传感器虽然能够通过测量结构物一些重要部位相对于某一基准位置变化来了解整个物体的变形，但是要求位移传感器必须安装在某一垂直于被测对象变形而且与被测对象比较接近的基准位置上，且建立这个基准位置需要消耗大量人力物力，一般还不能长时间保留，有时根本无法建立。GPS位移测量法采用卫星定位，受天气影响小，测量位移自动化程度高，定位快，相对精度高，但是GPS卫星测量法容易受多路效应、卫星可视条件、卫星几何图形强度变化、区域电子干扰等因素的影响而导致效率降低，同时使用GPS设备的成本较高。

中国专利“CN 103105140 A”名为“大型建筑物变形监测以及其监测的方法”将激光发射器安装在接近被测对象的一个相对给定的基准点上，将激光接收器安装在变形面的被测点上，激光接收器在垂直于变形面方向的线位移，是此点的变形值。但是在测量的过程中，激光发射器的安装位置一旦发生位移后，激光发射器发出的激光光斑的位移发生明显变化，使激光接收器难以根据获得的数据判断是结构物发生位移还是激光发射器发生移动，影响监测效果。

中国专利“CN 103542893 A”名为“一体化山体滑坡监测传感器”利用传感器对山体岩层与土壤内水分含量、对被测点加速度和力进行数据采集并通过天线来发送数据，以此来对山体滑坡进行监测。但是该方法中使用的天线受太阳噪声影响很大，这也影响数据的精确性。

中国专利“CN 104794860 A”名为“基于物联网技术的山体滑坡监测预警装置及其控制方法”将传感器监测的数据通过天线传送到物联网基地，物联网基地通过移动通信基站将信号无线传输到移动终端。该方法中需要设立物联网基地，这将消耗大量的人力和财力，同时也存在资源的浪费问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明专利目的在于利用摄影测量技术提供一种结构物位移监控方法，能够对待测结构物的平面位移进行测量，成本低，精度高，解决了现有技术的检测方法存在成本高、精度不够等问题。

为解决上述技术问题，实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于多点拟合的结构物平面位移监测方法，包括以下步骤：

A）在待测结构物的一侧面上设置多个待测点靶标，在该侧面的前方依次设有参考点靶标和相机；

B）分别计算所有待测点靶标、参考点靶标与相机的距离；标定待测点靶标与其在相机中成像像素的比值；

C）配置一与相机连接的计算机，设置相机的采样时间；

D）计算机获取相机首次拍摄的图像后，将该图像设为模板图像并保存；

E）当相机的采样时间到达时，计算机获取相机拍摄的实时图像，并结合模板图像对实时图像进行分析处理，得到实时图像中所有待测点靶标的位移；

F）计算机结合实时图像中所有待测点靶标的位移，得到待测结构物的平面位移监测结果。

进一步，所述步骤D具体为：计算机获取相机首次拍摄的图像后，将该图像设为模板图像，分别得到该模板图像中所有待测点靶标的质心和参考点靶标的质心，并保存。

进一步，所述步骤E具体为：当相机的采样时间到达时，计算机获取相机拍摄的实时图像，分别得到实时图像中所有待测点靶标的质心和参考点靶标的质心，并结合模板图像对实时图像进行分析处理；

如果实时图像中参考点靶标的质心和模板图像中参考点靶标的质心重合，说明相机没有发生偏转，待测结构物的平面位移由实时图像中待测点靶标和模板图像中待测点靶标得到；

如果实时图像中参考点靶标的质心相对于模板图像中参考点靶标的质心发生了位移，说明相机发生偏转，此时首先对实时图像中待测点靶标的质心进行校正，得到实时图像中待测点靶标的校正质心，待测结构物的平面位移为实时图像中校正后待测点靶标和模板图像中待测点靶标得到。

进一步，所述如果相机没有发生偏转，实时图像中每个待测点靶标的位移为实时图像中该待测点靶标的质心与模板图像中该待测点靶标的质心的差值；即Δx_ai=x_ai2- x_ai1，Δy_ai=y_ai2- y_ai1；并在获得实时图像中所有待测点靶标的位移后，对所有待测点靶标的位移进行多点拟合，得到待测结构物的平面位移；

如果相机发生偏转，计算机对实时图像中待测点靶标的质心进行校正，得到实时图像中第i个待测点靶标的校正质心为A_i0（x_ai0，y_ai0），x_ai0=x_ai1+M_i/N*(x_b2-x_b1)，y_ai0=y_ai1+M_i/N*(y_b2-y_b1)，实时图像中每个待测点靶标的位移为实时图像中该待测点靶标的校正质心与模板图像中该待测点靶标的质心的差值；即Δx_ai=x_ai2- x_ai0，Δy_ai=y_ai2- y_ai0；并在获得实时图像中所有待测点靶标的位移后，对所有待测点靶标的位移进行多点拟合，得到待测结构物的平面位移；

其中，Δx_ai和Δy_ai分别为实时图像中第i个待测点靶标在横坐标方向上和纵坐标方向上的位移分量，x_ai0和y_ai0分别为实时图像中第i个待测点靶标的校正质心A_i0的横坐标和纵坐标，x_ai1和y_ai1分别为模板图像中第i个待测点靶标的质心A_i1的横坐标和纵坐标，x_ai2和y_ai2分别为实时图像中第i个待测点靶标的质心A_i2的横坐标和纵坐标，x_b1和y_b1分别为模板图像中参考点靶标的质心B₁的横坐标和纵坐标，x_b2和y_b2分别为实时图像中参考点靶标的质心B₂的横坐标和纵坐标，M_i为第i个待测点靶标到相机的距离，N为参考点靶标到待测点靶标的距离。相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明提供的结构物位移监控方法，利用在待测结构物的侧面上设置的多个待测点靶标拟合得到待测结构物的平面位移，能够用于对待测结构物的平面位移进行测量，同时在待测点靶标和相机之间设有的参考点靶标，用参考点靶标修正相机发生偏转时，对待测点靶标位移检测的误差，提高了整个监控精度，***成本造价低。

附图说明

图1为实施例中结构物位移监控方法的结构示意图。

图2为实施例中待测结构物的侧面设置的待测点靶标的示意图。

图3为实施例中将相机拍到的模板图像和实时图像重叠的示意图。

图中，待测点靶标1-4、参考点靶标5、相机6、计算机7。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

由于山体只有暴露在外表面上的坡面能够安装监测装置，所以本方法还适用于检测山体的位移。如图1、2所示，其特征在于，包括以下步骤：

A）在待测结构物的一侧面上设置多个待测点靶标（例如图1中设了4个待测点靶标1、2、3、4），在该侧面的前方依次设有参考点靶标5和相机6；其中在选择待测点靶标时可以选择一待测点靶标为中心，其他待测点靶标围绕在中心的待测点靶标的周边设置。

B）分别计算所有待测点靶标、参考点靶标与相机的距离；标定待测点靶标与其在相机中成像像素的比值；例如：第i个待测点靶标和相机的距离M_i，参考点靶标到待测点靶标的距离N，第i个待测点靶标与其在相机中成像像素的比值R_i。

C）配置一与相机连接的计算机7，设置相机的采样时间；采样时间可根据具体情况确定，具体实施时，可以是计算机检测到采样时间到达时，控制相机进行拍摄，相机拍摄完后将图像回传给计算机。或者是设置相机为定时拍摄，当相机自动拍摄完后，将图像回传给计算机。

D）计算机获取相机首次拍摄的图像后，将该图像设为模板图像并保存；具体为：计算机获取相机首次拍摄的图像后，将该图像设为模板图像，分别得到该模板图像中所有待测点靶标的质心和参考点靶标的质心，并保存。模板图像认为是待测结构物未发生位移时的状态，保存模板图像是为了方便后面和相机实时拍摄的图像进行对比，得出待测结构物的位移量。待测点靶标的质心和参考点靶标的质心可以选择靶标的中心。例如，可以得到模板图像中第i个待测点靶标的质心A_i1（x_ai1，y_ai1）和参考点靶标的质心B₁（x_b1，y_b1），

E）当相机的采样时间到达时，计算机获取相机拍摄的实时图像，并结合模板图像对实时图像进行分析处理，得到实时图像中所有待测点靶标的位移；根据某时刻的实时图像可以得到该时刻所有待测点靶标的位移。

具体为：当相机的采样时间到达时，计算机获取相机拍摄的实时图像，分别得到实时图像中所有待测点靶标的质心和参考点靶标的质心，例如：可以得到实时图像的第i个待测点靶标的质心A_i2（x_ai2，y_ai2）和参考点靶标的质心B₂（x_b2，y_b2）。并结合模板图像对实时图像进行分析处理；某时刻的待测结构物的平面位移是指该时刻下待测点靶标的位置相对于原始位置（模板图像中待测点靶标的位置）发生的位移。

如果实时图像中参考点靶标的质心和模板图像中参考点靶标的质心重合，说明相机没有发生偏转，此时，实时图像中待测点靶标发生的位移就仅仅是待测结构物发生的位移，实时图像中每个待测点靶标的位移为实时图像中该待测点靶标的质心与模板图像中该待测点靶标的质心的差值；即Δx_ai=x_ai2- x_ai1，Δy_ai=y_ai2- y_ai1；并在获得实时图像中所有待测点靶标的位移后，对所有待测点靶标的位移进行多点拟合，得到待测结构物的平面位移；

如果实时图像中参考点靶标的质心相对于模板图像中参考点靶标的质心发生了位移，如图3所示，图3中以其中一个待测点靶标举例说明，B₁和B₂没有重合，说明该监测子***中相机发生偏转，此时，实时图像中待测点靶标发生的位移包括了待测结构物发生的位移和相机的偏移带来的误差。首先对实时图像中所有待测点靶标的质心进行校正，消除相机偏移带来的误差，得到实时图像中待测点靶标的校正质心A_i0（x_ai0，y_ai0），x_ai0=x_ai1+M_i/N*(x_b2-x_b1)，y_ai0=y_ai1+M_i/N*(y_b2-y_b1)，实时图像中每个待测点靶标的位移为实时图像中该待测点靶标的校正质心与模板图像中该待测点靶标的质心的差值；即Δx_ai=x_ai2- x_ai0，Δy_ai=y_ai2- y_ai0；并在获得实时图像中所有待测点靶标的位移后，对所有待测点靶标的位移进行多点拟合，得到待测结构物的平面位移。

其中，Δx_ai和Δy_ai分别为实时图像中第i个待测点靶标在横坐标方向上和纵坐标方向上的位移分量，x_ai0和y_ai0分别为实时图像中第i个待测点靶标的校正质心A_i0的横坐标和纵坐标，x_ai1和y_ai1分别为模板图像中第i个待测点靶标的质心A_i1的横坐标和纵坐标，x_ai2和y_ai2分别为实时图像中第i个待测点靶标的质心A_i2的横坐标和纵坐标，x_b1和y_b1分别为模板图像中参考点靶标的质心B₁的横坐标和纵坐标，x_b2和y_b2分别为实时图像中参考点靶标的质心B₂的横坐标和纵坐标，M_i为第i个待测点靶标到相机的距离，N为参考点靶标到待测点靶标的距离。

F）计算机结合实时图像中所有待测点靶标的位移，将得到的所有待测点靶标的位移拟合到平面坐标上，得到待测结构物的平面位移量，从而将该平面位移量定义为平面位移监测结果。计算第i个待测点靶标得到的（Δx_ai，Δy_ai）的值等于该待测点靶标在相机中按一定成像比例缩放后形成的位移，此时计算Ri*（Δx_ai，Δy_ai）为该待测点靶标的真实位移。

以四边形法为例说明在设置四个待测点靶标的情况下，待监测面上其他任意点B（u，v）的位移，根据四边形法，和A_i1（x_ai1，y_ai1）、A_i0（x_ai0，y_ai0），列出方程x_ai1=a*x_ai0+b* y_ai0+c* x_ai1*y_ai1+d，y_ai1=e*x_ai0+f* y_ai0+g* x_ai1*y_ai1+h，求出待定系数a，b，c，d，e，f，g。B点移动到了B’（u’，v’），根据u=a*u’+b*v’+c*u*v+d，u=e*u’+f*v’+g*u*v+h，求出B’（u’，v’），计算ΔB（Δu，Δv），其中Δu=u’-u，Δv=v’-v，ΔB*R即为待监测面上任意一点的实际位移，R为所标定的待测点靶标的R_i的平均值。待测点靶标数目为其他数目时，可根据类似方法按照多边形法则进行处理，得到待测面任意点的位移。

该方法可在远距离非接触的情况下结构物的平面位移，测量精度高，能够实时显示结构物的位移或者沉降，克服了由于摄像机安装结构变形带来的测量错误和误差，也可以在监测***基础上加装远程通信设备，实现远程在线监测。应用中影响本方法测量精度主要包括以下几点：1、工业数码相机像素越高，分辨率越高，更能测量出微小的位移。2、待测点靶标，参考点靶标与镜头的距离越近，每个像素代表的实际长度越大，精度就越低。3、监测***最好放在避风的位置，牢固固定。4、可在靶标和被测点上安装LED灯，提高监测亮度，方便监测。5、尽量不要把工业数码相机直接暴露在太阳光中测量，尽量使镜头与观测点的光线保持不变。6、尽量避免安装在经常附近有车辆经过，风力过大的环境中。7、尽可能选择结构物中相互垂直的两条边界线上的中心点。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于多点拟合的结构物平面位移监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

C）配置一与相机连接的计算机，设置相机的采样时间；

该步骤具体为：当相机的采样时间到达时，计算机获取相机拍摄的实时图像，分别得到实时图像中所有待测点靶标的质心和参考点靶标的质心，并结合模板图像对实时图像进行分析处理；

如果实时图像中参考点靶标的质心相对于模板图像中参考点靶标的质心发生了位移，说明相机发生偏转，此时首先对实时图像中待测点靶标的质心进行校正，得到实时图像中待测点靶标的校正质心，待测结构物的平面位移为实时图像中校正后待测点靶标和模板图像中待测点靶标得到；

所述如果相机没有发生偏转，实时图像中每个待测点靶标的位移为实时图像中该待测点靶标的质心与模板图像中该待测点靶标的质心的差值；即Δx_ai=x_ai2- x_ai1，Δy_ai=y_ai2-y_ai1；并在获得实时图像中所有待测点靶标的位移后，对所有待测点靶标的位移进行多点拟合，得到待测结构物的平面位移；

其中，Δx_ai和Δy_ai分别为实时图像中第i个待测点靶标在横坐标方向上和纵坐标方向上的位移分量，x_ai0和y_ai0分别为实时图像中第i个待测点靶标的校正质心A_i0的横坐标和纵坐标，x_ai1和y_ai1分别为模板图像中第i个待测点靶标的质心A_i1的横坐标和纵坐标，x_ai2和y_ai2分别为实时图像中第i个待测点靶标的质心A_i2的横坐标和纵坐标，x_b1和y_b1分别为模板图像中参考点靶标的质心B₁的横坐标和纵坐标，x_b2和y_b2分别为实时图像中参考点靶标的质心B₂的横坐标和纵坐标，M_i为第i个待测点靶标到相机的距离，N为参考点靶标到待测点靶标的距离；

2.如权利要求1所述的基于多点拟合的结构物平面位移监测方法，其特征在于，所述步骤D具体为：计算机获取相机首次拍摄的图像后，将该图像设为模板图像，分别得到该模板图像中所有待测点靶标的质心和参考点靶标的质心，并保存。