CN108106801B - 桥隧病害非接触检测***及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥隧病害非接触检测***及检测方法，解决传统人工接触式挠度测量效率低，裂缝跟踪测量无有效手段等方面的弊端，为桥梁结构检测技术智能化提供支持，其技术方案要点是包括非接触检测仪、激光投射子***、以及用于处理测量数据并呈现数据处理结果的数据处理器，采用图像获取以及图像处理的方式，对桥隧裂缝及挠度进行检测。

Description

桥隧病害非接触检测***及检测方法

技术领域

本发明涉及土木工程利用摄影测量技术，应用到工程实体维护的检测技术领域，特别涉及桥隧病害非接触检测***及检测方法。

背景技术

我国是一个多山的国家，为了提高公路、铁路运输的经济时速，在山地等区域建设公路通常会采取桥梁、隧道的形式。截止到2013年末，我国桥梁隧道等已经超过73万座，总长度居世界第一，我国也成为世界上隧道和地下工程最多、最复杂、发展最快的国家。然而随着交通运输业的快速发展，尤其是超限(超重、超高、超宽、超长)车辆的激增，严重威胁到桥梁与隧道的安全，随之而来的坍塌事故近年来时有发生，造成人民财产和生命的严重损失。

当前桥梁常见病害分别有以下几个方面：不同部位出现裂缝；混凝土强度不均匀；混凝土渗水；露钢筋及锈蚀；梁的拱度过大、过小(预应力过大、过小)；预应力孔道压浆不饱满，钢丝锈蚀；梁体冻裂等。如不及时检测和发现将会带来严重后果。

目前，国内对隧道的病害检测大多采取人工检测，利用桥梁检测车等平台将检测人员输送到桥梁结构表面，由人工肉眼对桥梁表观的裂缝、空洞与锈蚀等进行观测与识别，并借助便携式仪器进行裂缝宽度、长度等测量。靠人工目测观察方法，把隧道关闭，然后开一台带升降机的车，把人升到6～7米高的隧道顶上，拿锤子一点一点地敲，听声音或者打孔，看里面有没有空洞，大约1公里的隧道，要20人耗时4小时才能完成检测。

传统检测技术存在缺陷：1、人工长时间高空作业，客观性差，长时间高空、仰视作业人员易疲劳；2、检测平台占用行车通道，影响交通；3、高耸结构与隐蔽部位难到达，适应性差。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供桥隧病害检测***及检测方法，解决传统人工接触式挠度测量效率低，裂缝跟踪测量无有效手段等方面的弊端，为桥梁结构检测技术智能化提供支持。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种桥隧病害非接触检测***，包括非接触检测仪、激光投射子***、以及用于处理测量数据并呈现数据处理结果的数据处理器，非接触检测仪包括高清数码相机、长焦数码相机、无棱镜激光测距仪、数控云台与支架；

其中，长焦数码相机与高清数码相机相连接，用于获取远距离结构表观图像；

数控云台安装在高清数码相机下方，用于供高清数码相机获取桥隧的不同部位的图像以及空间角度信息；

无棱镜激光测距仪用于测量被检测对象物理距离；

激光投射子***包括激光指示器阵列、高精度控制云台与高稳定性支架；

其中，激光指示器阵列用于在桥梁表面投射若干空间位置固定的激光指示点，通过高精度控制云台的水平与竖向旋转动态调整激光点位置，高稳定性支架用于支撑激光指示器阵列。

通过上述设置，在桥隧荷载试验中，在无需搭设施工平台、无需到达桥梁表面进行棱镜与应变传感器安装的情况下进行桥梁多点变形与裂缝宽度、长度跟踪测量，可提高荷载试验的工作效率。

作为本发明的具体方案可以优选为：还包括无人机***，无人机***包括四旋翼遥控机、增稳云台、无线图传通信模块以及高清相机；高清相机通过增稳云台安装于四旋翼遥控机上，高清相机电连接无线图传通信模块，无线图传通信模块与数据处理器进行图像数据传输。

通过上述设置，采用无人机***，可以近距离拍摄桥隧图像，可以远程遥控，避免拍摄死角，使得桥隧图像的获取更加全面。

一种桥隧病害非接触检测方法，采用上述的桥隧病害非接触检测***进行操作，包括如下步骤：

对扰度或裂缝两者同时或者分别进行检测包括如下步骤：

A扰度检测步骤

步骤A1：通过激光投射子***形成激光指示点，于每一个预设区域采用激光指示的方式确定一个固定的“参考点”；

步骤A2：加载前采用长焦数码相机与高清数码相机，获取远距离结构表观图像，选取表面参考点，通过无棱镜激光测距仪获取被检测对象物理距离；通过采用数控云台调整图像以及空间角度，摄像机通过云台运动对多个预设区域的检测；

步骤A3：加载后利用步骤A2的方法对不同点位进行检测；

步骤A4：通过加载前后参考点与梁底的垂直距离位移变化作为相应点挠度变化。

B裂缝测量步骤

步骤B1：采用长焦数码相机与高清数码相机，获取远距离结构表观图像，选取表面特征点，通过无棱镜激光测距仪获取被检测对象物理距离；

通过采用数控云台调整图像以及空间角度，摄像机通过云台运动对桥隧表面检测；

步骤B2：通过结构表观图像获取裂缝图像。

通过上述设置，将长焦数码相机和高清数码相机相互结合，获取远距离的桥隧的结构表观图像，同时采用数控云台，可以增大图像获取的范围，通过激光定点的方式，以提高图像获取的精度，然后通过图像分析，得出裂缝的信息。

作为本发明的具体方案可以优选为：步骤A2或B1可以替换为：采用无人机***获取被检测对象物理距离、结构表观图像。

通过上述设置，对于图像的获取，可以由无人机***进一步辅助。

作为本发明的具体方案可以优选为：在步骤A2或B1中，对于无棱镜激光测距仪获取的数据处理，包括：获取裂缝图形在图像中所占像素数与实际物理宽度之间的坐标转换公式，CCD的面积为a×b，图像分辨率为s₁×s₂，代入相机成像CCD的相关参数计算裂缝实际宽度，横向长度为：L=[（u-f）/f]·(am₁/s₁)；纵向长度为：L=[（u-f）/f]·(bm₂/s₂)；

其中，a为相机成像CCD的长边尺寸，b为相机成像CCD的短边尺寸，s₁为长边像素，s₂为短边像素，u为物距，f为焦距，m₁为裂缝宽度在图像中所占的像素数，m₂为裂缝长度在图像中所占的像素数；l₁=am₁/s₁，l₂=bm₂/s₂。

通过上述设置，可以获取裂缝的实际宽度。

作为本发明的具体方案可以优选为：通过数控云台获取三个方位的相对偏转角度：α_X、α_Y、α_Z，对l₁，l₂进行修正：l₁=cosα_X、Y、Z·（am₁/s₁），l₂=α_X、Y、Z·（bm₂/s₂）。

通过上述设置，可以修正偏转角度的改变发生的裂缝实际宽度的偏差，提高精确程度。

作为本发明的具体方案可以优选为：对焦距f误差进行修正，f=（mbu）/（mb+s₂L），b和s₂已知，L通过实际测量获得。

通过上述设置，通过对焦距f误差的修正，可以进一步提高精确程度。

作为本发明的具体方案可以优选为：在图像中利用测距技术测量两幅图像中激光点到下缘距离I_前与=I_后，则梁体在测量点的垂直变位为：Δu=I_后-I_前；在桥梁不同特征点位分别拍摄施加荷载前后两幅包含相应激光点与外轮廓的图像，同样利用测距技术测出其垂直位移Δu_i，则最终梁体挠度计算公式f=∑（Δu_i/n）。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

（1）将变形测量、外观检测及应变观测功能集于一体，使用一种设备即可完成多项工作，避免检测现场携带多种专业设备，大大提升工作效率。

（2）采用图像测量的方式获取结构变形信息，无需在结构上安装反光棱镜等外附设备，设备使用简便，携带方便，大大减少了变形测量的工作量，而且可随时对结构进行测量，无需前期准备工作。

（3）通过使用长焦镜头来提升设备远距离获取图像的能力，相比于非接触检测仪，可进行自动对焦，且体积远远小于天文望远镜镜筒。

（4）通过结构表观图像即可测量应变，无需人工在结构表面安装传感器，避免了繁琐的线缆排布工作及昂贵的采集设备，可对结构任意部位进行观测。

附图说明

图1为实施例1的设备连接的结构示意图；

图2为实施例2的成像关系的原理示意图；

图3为实施例2的CCD成像原理示意图；

图4为实施例2的角度误差修正的原理示意图；

图5为实施例3的无人机***结构框图；

图6为实施例2的桥隧变形非接触测量示意图；

图7为实施例2的桥隧变形前激光点与梁体轮廓的关系；

图8为实施例2的桥隧变形后激光点与梁体轮廓的关系图；

图9为实施例2的挠度计算流程图。

图中：1、非接触检测仪；11、高清数码相机；12、长焦数码相机；13、无棱镜激光测距仪；14、数控云台；15、支架；2、激光投射子***；21、激光指示器阵列；22、高精度控制云台；23、高稳定性支架；3、数据处理器；4、无人机***；41、四旋翼遥控机；42、增稳云台；43、无线图传通信模块；44、高清相机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

一种桥隧病害非接触检测***，如图1所示，包括非接触检测仪1、激光投射子***2、以及用于处理测量数据并呈现数据处理结果的数据处理器3，非接触检测仪1包括高清数码相机11、长焦数码相机12、无棱镜激光测距仪13、数控云台14与支架15。其中，长焦数码相机12与高清数码相机11相连接，用于获取远距离结构表观图像；数控云台14安装在高清数码相机11下方，用于供高清数码相机11获取桥隧的不同部位的图像以及空间角度信息；无棱镜激光测距仪13用于测量被检测对象物理距离。

激光投射子***2包括激光指示器阵列21、高精度控制云台22与高稳定性支架23；其中，激光指示器阵列21用于在桥梁表面投射若干空间位置固定的激光指示点，通过高精度控制云台22的水平与竖向旋转动态调整激光点位置，高稳定性支架23用于支撑激光指示器阵列21。

在桥梁荷载试验中，在无需搭设施工平台、无需到达桥梁表面进行棱镜与应变传感器安装的情况下进行桥梁多点变形与裂缝宽度、长度跟踪测量，可提高荷载试验的工作效率。

实施例2：

一种桥隧病害非接触检测方法，结合图2、图3和图4所示，采用上述的桥隧病害非接触检测***进行操作，对扰度或裂缝两者同时或者分别进行检测包括如下步骤：

A扰度检测步骤

步骤A1：通过激光投射子***2形成激光指示点，于每一个预设区域采用激光指示的方式确定一个固定的“参考点”；

步骤A2：加载前采用长焦数码相机12与高清数码相机11，获取远距离结构表观图像，选取表面参考点，通过无棱镜激光测距仪13获取被检测对象物理距离；通过采用数控云台14调整图像以及空间角度，摄像机通过云台运动对多个预设区域的检测；

步骤A3：加载后利用步骤A2的方法对不同点位进行检测；

步骤A4：通过加载前后参考点与梁底的垂直距离位移变化作为相应点挠度变化。

B裂缝测量步骤

步骤B1：采用长焦数码相机12与高清数码相机11，获取远距离结构表观图像，选取表面特征点，通过无棱镜激光测距仪13获取被检测对象物理距离；

通过采用数控云台14调整图像以及空间角度，摄像机通过云台运动对桥隧表面检测；

步骤B2：通过结构表观图像获取裂缝图像。

将长焦数码相机12和高清数码相机11相互结合，获取远距离的桥隧的结构表观图像，同时采用数控云台14，可以增大图像获取的范围，通过激光定点的方式，以提高图像获取的精度，然后通过图像分析，得出裂缝的信息。

如图2所示：实物长度L，通过透镜的像长度为l，物距u，像距v，焦距f，满足公式：v=（fu）/（u-f）。

物平面和像平面平行，则L=（u/v）l。

如图3所示，在步骤1中，对于无棱镜激光测距仪获取的数据处理，包括：获取裂缝图形在图像中所占像素数与实际物理宽度之间的坐标转换公式，CCD的面积为a×b，图像分辨率为s₁×s₂，代入相机成像CCD的相关参数计算裂缝实际宽度，横向长度为：L=[（u-f）/f]·(am₁/s₁)；纵向长度为：L=[（u-f）/f]·(bm₂/s₂)。

其中，a为相机成像CCD的长边尺寸，b为相机成像CCD的短边尺寸，s₁为长边像素，s₂为短边像素，u为物距，f为焦距，m₁为裂缝宽度在图像中所占的像素数，m₂为裂缝长度在图像中所占的像素数；l₁=am₁/s₁，l₂=bm₂/s₂。

如图3所示：拍摄时，相机光轴的三个方位x、y、z会偏转，通过数控云台获取三个方位的相对偏转角度：α_X、α_Y、α_Z，对l₁，l₂进行修正：l₁=cosα_X、Y、Z·（am₁/s₁），l₂=α_X、Y、Z·（bm₂/s₂）。α_X、Y、Z为α_X或α_Y或α_Z。

可以修正偏转角度的改变发生的裂缝实际宽度的偏差，提高精确程度。

对焦距f误差进行修正，f=（mbu）/（mb+s₂L），b和s₂已知，L通过实际测量获得。

结合图6、图7、图8和图9所示，在地面固定点上架设激光发射器，向桥梁表面特征点发射空间位置不变的激光束。激光束会在桥梁表面形成一激光点，如果桥梁不发生变形，那么激光点相对于桥梁表面特征线条（如桥梁的边缘轮廓）的距离是固定的。当桥梁发生变形时，激光点关于桥梁特征线条的距离也将发生变化，这种变化值就是桥梁的挠度值。于是我们在桥梁施加荷载前后拍摄两幅包含激光点与外轮廓的图像，在图像中利用测距技术测量两幅图像中激光点到下缘距离I_前与=I_后，则梁体在测量点的垂直变位为：Δu=I_后-I_前；在桥梁不同特征点位分别拍摄施加荷载前后两幅包含相应激光点与外轮廓的图像，同样利用测距技术测出其垂直位移Δu_i，则最终梁体挠度计算公式f=∑（Δu_i/n），从i=1，一直累加到i=n。

实施例3：

一种桥隧病害非接触检测***，与实施例1的区别在于，如图5所示，还包括无人机***4，无人机***4包括四旋翼遥控机41、增稳云台42、无线图传通信模块43以及高清相机44；高清相机44通过增稳云台42安装于四旋翼遥控机41上，高清相机44电连接无线图传通信模块43，无线图传通信模块43与数据处理器3进行图像数据传输。

对应的上述方法，步骤1可以替换为：采用无人机***4获取被检测对象物理距离、结构表观图像。对于图像的获取，可以由无人机***4进一步辅助。

采用大疆Phantom 2 Vision+的云台可以修正俯仰、侧倾、水平转向三个轴线的动作，让四旋翼遥控机不会影响到相机画面的平稳度。Phantom 2 Vision+跟一代一样，能拍摄RAW格式照片，通过Adobe Lightroom软件能把鱼眼变形效果校正成正常无变形的效果。无人机采用5400mAh锂电池，含电池重1242g，在可安全飞行的状态下，悬停精度可达到垂直0.8m，水平2.5m，最大飞行速度可达15m/s。

可以近距离拍摄桥隧图像，可以远程遥控，避免拍摄死角，使得桥隧图像的获取更加全面。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (2)

1.一种桥梁病害多功能非接触检测方法，其特征在于，采用桥梁病害多功能非接触检测***对挠度进行检测、或挠度和裂缝同时进行检测，该检测***包括非接触检测仪(1)、激光投射子***(2)、以及用于处理测量数据并呈现数据处理结果的数据处理器(3)；非接触检测仪(1)包括高清数码相机(11)、长焦数码相机(12)、无棱镜激光测距仪(13)、数控云台(14)与支架(15)；

其中，长焦数码相机(12)与高清数码相机(11)相连接，用于获取远距离结构表观图像；

数控云台(14)安装在高清数码相机(11)下方，用于供高清数码相机(11)获取桥隧的不同部位的图像以及空间角度信息；

无棱镜激光测距仪(13)用于测量被检测对象物理距离；激光投射子***(2)包括激光指示器阵列(21)、高精度控制云台(22)与高稳定性支架(23)；

其中，激光指示器阵列(21)用于在桥隧表面投射若干空间位置固定的激光指示点，通过高精度控制云台(22)的水平与竖向旋转动态调整激光点位置，高稳定性支架(23)用于支撑激光指示器阵列(21)；

还包括无人机***(4)，无人机***(4)包括四旋翼遥控机(41)、增稳云台(42)、无线图传通信模块(43)以及高清相机(44)；高清相机(44)通过增稳云台(42)安装于四旋翼遥控机(41)上，高清相机(44)电连接无线图传通信模块(43)，无线图传通信模块(43)与数据处理器(3)进行图像数据传输；

采用所述桥梁病害多功能非接触检测***进行检测的具体步骤为：

A挠度检测步骤

步骤A1：通过位置固定的激光投射子***(2)形成若干激光指示点，于每一个预设区域采用激光指示的方式确定一个空间位置固定不变的“参考点”；

步骤A2：加载前采用长焦数码相机(12)与高清数码相机(11)，获取远距离结构表观图像，选取表面参考点，通过无棱镜激光测距仪(13)获取被检测对象物理距离；通过采用数控云台(14)调整图像以及空间角度，摄像机通过云台运动对多个预设区域的图像获取；

步骤A3：加载后利用步骤A2的方法对不同预设区域进行图像获取；

步骤A4：通过加载前后激光参考点与梁底的垂直距离位移变化作为相应点挠度变化；

B裂缝测量步骤

步骤B1：采用长焦数码相机(12)与高清数码相机(11)，获取远距离结构表观图像，选取表面特征点，通过无棱镜激光测距仪(13)获取被检测对象物理距离；通过采用数控云台(14)调整图像以及空间角度，摄像机通过云台运动对桥隧表面检测；

步骤B2：通过结构表观图像获取裂缝图像；

在步骤A2或B1中，对于无棱镜激光测距仪(13)获取的数据处理，包括：获取裂缝图形在图像中所占像素数与实际物理宽度之间的坐标转换公式，CCD的面积为a×b，图像分辨率为s₁×s₂，代入相机成像CCD的相关参数计算裂缝实际宽度，横向长度为：L＝[(u-f)/f]·(am₁/s₁)；纵向长度为：L＝[(u-f)/f]·(bm₂/s₂)；其中，a为相机成像CCD的长边尺寸，b为相机成像CCD的短边尺寸，s₁为长边像素，s₂为短边像素，u为物距，f为焦距，并对焦距f误差进行修正，f＝(mbu)/(mb+s₂L)，b和s₂已知，L通过实际测量获得；m₁为裂缝宽度在图像中所占的像素数，m₂为裂缝长度在图像中所占的像素数；L₁＝am₁/s₁，L₂＝bm₂/s₂；

通过数控云台获取三个方位的相对偏转角度：α_X、α_Y、α_Z，对L₁，L₂进行修正：L₁＝cosα_X、Y、Z·(am₁/s₁)，L₂＝cosα_X、Y、Z·(bm₂/s₂)；在图像中利用测距技术测量两幅图像中激光点到下缘距离I_前与＝I_后，则梁体在测量点的垂直变位为：Δu＝I_后-I_前；在桥梁不同特征点位分别拍摄施加荷载前后两幅包含相应激光点与外轮廓的图像，同样利用测距技术测出其垂直位移Δu_i，则最终梁体挠度计算公式f＝∑(Δu_i/n)。

2.根据权利要求1所述的桥梁病害多功能非接触检测方法，其特征在于：步骤A2或B1替换为：采用无人机***(4)获取被检测对象物理距离与结构表观图像。

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