CN112923905A - 一种采集桥梁病害位置信息的方法 - Google Patents

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戴玮
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Abstract

本发明提供一种采集桥梁病害位置信息的方法，在采集桥梁病害时，借助测量工具的数字成像***完成目标病害的照准，然后通过电子罗盘测得此时镜头的方位角Head，与北方向的夹角；通过高精度全球卫星定位模块测得此时镜头的经度l、纬度b、大地高程h；通过姿态传感器测得此时镜头的俯仰角Pitch和镜头姿态翻滚角Roll；通过在不同位置多次照准同一目标，获取到每一站手机的姿态数据，然后通过三角函数计算获取到目标的平面位置和高程。本发明以一种非接触的方式获取病害位置信息，降低了桥梁检查时对抵近观察的要求，进而提高了工作效率。

Description

一种采集桥梁病害位置信息的方法
技术领域
本发明属于桥梁检测技术领域，具体涉及一种采集桥梁病害位置信息的方法。
背景技术
桥梁是道路基础设施的重要组成部分，其安全运行对维持社会的正常运转至关重要。作为一种人工构造物，桥梁会随服役时间的增长而出现性能退化，表现为在其上可观察到各种病害，如钢筋或钢构件锈蚀、混凝土结构裂缝、钢结构裂缝、渗水、构件破损等。为保障桥梁的安全运行，在桥梁的运营养护过程中，养护单位会根据相关要求按期开展各类桥梁检查，对桥梁上的病害进行记录和跟踪，以实现对病害的监控和及时维修。
在对桥梁病害进行记录时，病害的位置信息很重要，是桥梁工程师进行桥梁技术状况评估、判断病害对桥梁结构安全影响时重点关注的参数之一。桥梁结构不同于道路设施中结构形式较简单的路面、隧道等，桥梁的结构类型丰富，有梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等不同类型；一座桥梁中又包含上部结构主梁、下部结构墩台和附属防护设施等众多构件；在桥梁检查时，不仅要对桥梁构件外部的病害情况进行检查，对具备条件进入内部的构件，桥梁检查也需要覆盖。因此桥梁很难像路面、隧道一样，开发出普遍适用的自动检测设备，经由设备自动获取病害的位置、图像等信息。目前桥梁检查仍以人工方式检测为主，主要靠检查人员抵近桥梁各构件进行观察视检，对病害位置的记录，以文字描述、照片显示为主。以往有关病害位置、病害描述的信息主要记录在纸质的桥梁检测报告中，近年来随着信息技术的发展，已开始出现一些辅助桥梁检查开展的应用程序，对病害信息进行自动归档。但对病害位置的描述，仍有赖于人工干预，仍是以文字描述来记录。这些记录方法耗时耗力，所获得的病害位置数据精度不高；并且从数据存储的角度来说，这些位置数据也未进行结构化，多次桥梁检查后数据的有效管理与对比分析都较难开展。
发明内容
针对上述桥梁检查记录病害位置信息时依赖人工干预、数据精度不高、数据未结构化等问题，本发明提供一种采集桥梁病害位置信息的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案予以实现：
一种采集桥梁病害位置信息的方法，在采集桥梁病害时，借助测量工具的数字成像***完成目标病害的照准，然后通过电子罗盘测得此时镜头的方位角Head(与北方向的夹角)；通过高精度全球卫星定位模块测得此时镜头的经度l、纬度b、大地高程h；通过姿态传感器测得此时镜头的俯仰角Pitch和镜头姿态翻滚角Roll；
通过在不同位置多次照准同一目标，获取到每一站手机的姿态数据，然后通过三角函数计算获取到目标的平面位置和高程。
本发明的进一步技术：
优选的，平面位置的计算，P为目标病害点，其位置(l，b，h)未知；S1为手机照准目标测量的第1站，获取其位置(l1,b1,h1)和方位角θ1；S2为手机照准同一目标测量的第2站，获取其位置(l2,b2,h2)和方位角θ2，根据前方交会及三角函数原理，有：
Figure BDA0002921907110000031
优选的，高程的计算，α1为手机照准目标时的俯仰角，根据计算得到的目标位置经纬度值，P点的正射投影点Q的位置已知，为(l，b，h1)。根据大地测量学的经纬度换算至地心地固坐标的公式，Q的坐标为(xq,yq,zq)，S1的坐标为(x1,y1,z1)；从而计算出线段QS1的长度QS1，进而由三角函数得到PQ，得到P点的高程h；
Figure BDA0002921907110000032
其中
Figure BDA0002921907110000033
C为WGS84坐标系采用椭球的长半轴，e为偏心率
Figure BDA0002921907110000034
PQ＝tan(α1)·QS1
h＝h1+PQ。
优选的，对同一目标测量多组数据，根据方差剔除质量较差的数据，各自计算结果后，求得多组位置结果的平均数。
有益效果为：
本发明充分利用智能移动设备的定姿定位功能，与影像量测技术结合，大大降低了桥梁检查时的设备投入。在获取桥梁病害位置信息方面，区别于传统的需要人工介入的方法，本发明先按规则拍摄照片，然后通过应用程序的算法，即可完成桥梁病害位置的采集，让桥梁检查人员可以从繁杂的记录工作中解放出来。本发明以一种非接触的方式获取病害位置信息，降低了桥梁检查时对抵近观察的要求，进而提高了工作效率。此外用WGS84大地坐标系下的三维坐标来描述病害的位置，实现了病害位置数据的数字化与结构化，提高了数据的重用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为平面位置计算方案图；
图2为高程计算方案图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种采集桥梁病害位置信息的方法，在采集桥梁病害时，借助测量工具的数字成像***完成目标病害的照准，然后通过电子罗盘测得此时镜头的方位角Head(与北方向的夹角)；通过高精度全球卫星定位模块测得此时镜头的经度l、纬度b、大地高程h；通过姿态传感器测得此时镜头的俯仰角Pitch和镜头姿态翻滚角Roll；
在当前的技术水平下，大量的智能移动设备都配置有MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、GNSS全球导航卫星***定位模块。高精度GNSS定位模块方面，应用最多的是采用网络实时差分技术，如千寻定位。目前市场上大多数中高端智能手机都具备上述传感器和功能设计，满足应用需求。
通过在不同位置多次照准同一目标，获取到每一站手机的姿态数据，然后通过三角函数计算获取到目标的平面位置和高程。
平面位置的计算，P为目标病害点，其位置(l，b，h)未知；S1为手机照准目标测量的第1站，获取其位置(l1,b1,h1)和方位角θ1；S2为手机照准同一目标测量的第2站，获取其位置(l2,b2,h2)和方位角θ2，根据前方交会及三角函数原理，有：
Figure BDA0002921907110000051
高程的计算，α1为手机照准目标时的俯仰角，根据计算得到的目标位置经纬度值，P点的正射投影点Q的位置已知，为(l，b，h1)。根据大地测量学的经纬度换算至地心地固坐标的公式，Q的坐标为(xq,yq,zq)，S1的坐标为(x1,y1,z1)；从而计算出线段QS1的长度QS1，进而由三角函数得到PQ，得到P点的高程h；
Figure BDA0002921907110000061
其中
Figure BDA0002921907110000062
C为WGS84坐标系采用椭球的长半轴，e为偏心率
Figure BDA0002921907110000063
PQ＝tan(α1)·QS1
h＝h1+PQ。
对同一目标测量多组数据，根据方差剔除质量较差的数据，每两站数据组成一组，各自计算结果后，求得多组位置结果的平均数。
每组数据的方位角夹角δ(如∠S1PS2)大小占各组测量角度之和Σδ的比为pw，
Figure BDA0002921907110000064
最终平面位置
Figure BDA0002921907110000065
纬度为
Figure BDA0002921907110000066
n为分组数。每组数据的俯仰角γ大小占各组测量俯仰角之和Σγ的比为hw，
Figure BDA0002921907110000067
最终高程
Figure BDA0002921907110000068
n为分组数。
例如：由于结构特点不利于病害的位置数据采集，当采集一座桥塔上的裂缝时，使用镜头采集的实时画面，将目标病害P置于画面的中心。然后采集此时镜头位置S1的地理坐标，经度116.961752、纬度31.678595、大地高程20米；方位角20.007°、镜头姿态俯仰角5°。
变换位置到S2后，照准目标后，经度116.965588、纬度31.679826、大地高程22米；方位角304.647°、镜头姿态俯仰角5.046°。
变换位置到S3后，照准目标后，经度116.965997、纬度31.681060、大地高程22.8米；方位角277.147°、镜头姿态俯仰角5.044°
以S1、S2为组，带入平面位置的计算公式得到目标P的平面位置为116.96288130149173、31.681696532218815；带入高程计算公式得到目标P的高程为48.917米。
以S2、S3为组，带入平面位置的计算公式得到目标P的平面位置为116.96331653146107、31.681395755579747；带入高程计算公式得到目标P的高程为48.85米。
最终综合两组数据，P的平面位置为116.9629978、31.68161604，高程为48.88335米。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种采集桥梁病害位置信息的方法，在采集桥梁病害时，借助测量工具的数字成像***完成目标病害的照准，然后通过电子罗盘测得此时镜头的方位角Head，与北方向的夹角；通过高精度全球卫星定位模块测得此时镜头的经度l、纬度b、大地高程h；通过姿态传感器测得此时镜头的俯仰角Pitch和镜头姿态翻滚角Roll；
通过在不同位置多次照准同一目标，获取到每一站手机的姿态数据，然后通过三角函数计算获取到目标的平面位置和高程。
2.根据权利要求1中所述的一种采集桥梁病害位置信息的方法，其特征在于：平面位置的计算，P为目标病害点，其位置(l，b，h)未知；S1为手机照准目标测量的第1站，获取其位置(l1,b1,h1)和方位角θ1；S2为手机照准同一目标测量的第2站，获取其位置(l2,b2,h2)和方位角θ2，根据前方交会及三角函数原理，有：
Figure FDA0002921907100000011
3.根据权利要求1中所述的一种采集桥梁病害位置信息的方法，其特征在于：高程的计算，α1为手机照准目标时的俯仰角，根据计算得到的目标位置经纬度值，P点的正射投影点Q的位置已知，为(l，b，h1)。根据大地测量学的经纬度换算至地心地固坐标的公式，Q的坐标为(xq,yq,zq)，S1的坐标为(x1,y1,z1)；从而计算出线段QS1的长度QS1，进而由三角函数得到PQ，得到P点的高程h；
Figure FDA0002921907100000012
其中
Figure FDA0002921907100000021
C为WGS84坐标系采用椭球的长半轴，e为偏心率
Figure FDA0002921907100000022
PQ＝tan(α1)·QS1
h＝h1+PQ。
4.根据权利要求1中所述的一种采集桥梁病害位置信息的方法，其特征在于：对同一目标测量多组数据，根据方差剔除质量较差的数据，各自计算结果后，求得多组位置结果的平均数。
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