结构动态位移远距离摄像测量精度评价

卢成原,秦良忠,周华飞

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014；2.温州大学 建筑工程学院，浙江 温州 325035)

结构动态位移远距离摄像测量精度评价

卢成原1,秦良忠1,周华飞2

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014；2.温州大学 建筑工程学院，浙江 温州 325035)

摘要：位移是评估结构性能和安全的重要参数.摄像测量有望成为一种实用的位移测量方法，但其远距离摄像测量精度有待研究.以不同测量距离所测得的位移数据为研究对象，开展了结构动态位移远距离摄像测量精度试验，分析了测量距离对摄像测量精度的影响.结果表明：测量距离和目标点振动频率增加将对测量精度产生显著影响，导致测量精度大幅降低；摄像测量系统在510 m范围内仍具有较高的测量精度，满足工程测量的要求；对广州新电视塔位移数据分析可知，测量距离增加对结构动态位移频率测量精度的影响较小.

关键词：结构动态位移；摄像测量；远距离；精度

Accuracy assessment of long-range videogrammetrey for

structural dynamic displacements

LU Chenyuan1, QIN Liangzhong1, ZHOU Huafei2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China；

2.College of Architecture and Civil Engineering, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China)

Abstract:The displacement is an important parameter for evaluating the behavior and safety of a structure. Videogrammetry is expected to be a practical displacement measurement method, but the accuracy of long-range videogrammetrey needs to be studied. With the displacement data obtained from different measuring distances as the study objective, a measuring accuracy test of long-range videogrammetrey for the dynamic displacements of structures is conducted. The effect of the measuring distance on the measuring accuracy of videogrammetrey is analyzed. It is shown that the measuring distance and the vibration frequency of the target point have a marked effect on the accuracy of videogrammetry, resulting in a significant decrease in measuring accuracy. When the measuring distance is smaller than 510 meters, the measuring accuracy of videogrammetry is still high and meets the monitoring requirements of engineering structures. Based on the analysis of the dynamic displacement data of the Canton Tower, it is found that increasing measuring distance has little influence on the dynamic displacement frequency of structures.

Key words:structural dynamic displacement; videogrammetry; long-range; accuracy

位移是评估结构性能和安全的重要参数[1-2]，往往是健康监测不可或缺的监测内容.尽管传统的位移测量方法已有很多，但是它们不能完全满足大型结构动态位移监测的需要，如：LVDT位移传感器需要不动基准点的要求限制了它在建筑水平位移、桥梁挠度监测等方面的应用；加速度传感器属于间接测量方法，应用受到了更多限制；全球定位系统(GPS)具有测量精度高、速度快[3]，但易受卫星信号遮挡、电磁干扰和多路径效应等影响，限制了它在实际工程中的应用.因此，为了更准确地获得结构的动态位移信息，急需一种精确实用的大型结构动态位移监测方法.近十几年来，摄像测量方法已成为结构监测领域的一个新的热点，并在结构动态位移监测方面已得到了较好的应用.Lee[4]，Caetano[5]和罗洪斌[6]等将摄像测量方法应用于桥梁动态位移的监测.倪一清[7]、陈伟欢[8]等将摄像测量方法应用于高耸结构动态位移的监测.然而，在远距离摄像测量试验时，测量精度易受测量距离、目标点振动频率及大气环境因素等影响，因此评估远距离摄像测量系统的工作性能及其精度尤为重要.至今，摄像测量精度的研究仅局限于短距离[9-11]，缺少对摄像测量远距离精度的研究.

为此，笔者以不同测量距离所测得的位移数据为研究对象，对摄像测量系统远距离测量精度进行了研究.结果表明：测量距离和目标点振动频率的增加将对摄像测量精度产生显著影响，导致测量精度降低.对广州新电视塔位移数据分析可知，测量距离增加对结构动态位移频率测量精度的影响较小.

1试验仪器

1.1位移模拟装置

在进行现场实测时，由于结构的真实位移不得而知，故无法通过所测得的位移数据来评估摄像测量的精度.鉴于此，自主设计了一套位移模拟装置来产生虚拟结构位移.摄像系统测得的测量位移减去位移模拟装置产生的虚拟位移，即为测量误差.位移模拟装置主要由两根相互垂直的铝合金梁和LED标靶组成，如图1所示.横梁固定不动，为纵梁的水平运动提供轨道.横梁上还固定了一个静态LED标靶，作为静态位移监测点.纵梁可沿横梁水平运动，以模拟结构的水平位移.动态LED标靶可沿纵梁竖向运动，以模拟结构的竖向位移.纵梁水平运动和动态LED标靶竖向运动的组合则可产生任意的平面运动.位移模拟装置通过微机控制产生虚拟结构动态位移，用户可通过位移模拟软件输入振动频率低于2 Hz的任意运动轨迹，如正弦波、白噪声、圆和正方形等.

图1　位移模拟装置Fig.1　Virtual displacement generation device

1.2结构位移摄像测量系统

结构位移摄像测量系统主要由以下几个部分组成：1) 工业数字摄像机及变焦镜头；2) 千兆网卡的笔记本电脑；3) 自开发的系统软件，如图2所示.本系统采用Prosilica GigE生产的GE1050工业数字摄像机，像素为1 024×1 024，最高采样频率为60 Hz；变焦镜头的焦距为900 mm，具有较高的远距离测量精度.自开发的系统软件可自行调节相机的曝光度和采样频率，并能实时分析和储存目标点水平向和竖向的位移变化.

图2　摄像测量系统Fig.2　Videogrammetry system

2试验场地

在某一晴朗、无风天气进行远距离摄像测量精度试验.在综合考虑视线通道、行人车辆干扰等实施关键问题后，将试验场地选择在三幢五层建筑物屋顶上，并在合适位置分别布置测点1、测点2和测点3，如图3所示.由于低矮房屋在风荷载作用下水平向和竖向位移均较小，故该三幢建筑物的水平向和竖向的动态位移均可忽略.为了更好地评估摄像测量系统在不同距离下的测量精度，分别将工业数字摄像机架在测点1、测点2和测点3，并对同一个位移模拟装置进行实时监测，试验距离分别为100，240，510 m.为了捕捉到更多的位移信息，将工业数字摄像机的采样频率设置为30 Hz.

图3　试验场地Fig.3　Experiment site

3数据分析

3.1静态位移测量精度评估

在三个测点上分别架设工业数字摄像机，并对位移模拟装置中的静态LED标靶进行实时监测.图4为不同测量距离下所测得的水平向与竖向静态位移测量误差时程.由图4可见：随着测量距离增加，测量误差逐渐增大.表1为不同测量距离所测得的静态位移测量误差值比较.由表1可见：当测量距离小于240 m，水平向与竖向位移测量误差的平均值均小于0.3 mm；最大值均小于1.5 mm.随着测量距离逐渐增大，摄像测量系统的测量精度大幅降低.当测量距离增至510 m时，水平向与竖向测量误差平均值分别为1.139，1.159 mm，最大值分别为4.219，4.357 mm.

3.2动态位移测量精度评估

为了研究测量距离和目标点振动频率对摄像测量精度的影响，为此开展了摄像测量动态位移试验.位移模拟装置中动态LED标靶产生四个频率分别为0.1，0.5，1，2 Hz且幅值均为25 mm的水平向正弦波.在三个测点上分别架设工业数字摄像机，并对其进行实时监测.图5为不同测量距离及不同振动频率所测得的测量位移与虚拟位移比较.由图5可见：在距离为100，240 m所测得的测量位移与虚拟位移吻合很好.摄像测量的相对误差可定义为

(3)

图4　不同测量距离所测得的静态位移测量误差时程图Fig.4　Time histories of static displacements measurement errors under different measuring distances

测量距离/m100240510水平向误差平均值/mm0.1630.2361.139水平向误差最大值/mm0.8721.4574.219竖向误差平均值/mm0.1210.2841.159竖向误差最大值/mm0.6631.2984.357

图5　不同测量距离及不同振动频率所测得的测量位移与虚拟位移比较Fig.5　Comparison of displacement measured under different measuring distances and target point vibration frequency

式中：x可表示为位移数据中最大峰值位移、最小峰值位移及标准差；v，m分别为摄像测量系统和位移模拟装置.

根据式(3)可计算出摄像测量的相对误差，如表2所示.表2中的Amax，Amin分别为平均最大峰值位移和平均最小峰值位移.由表2可知：在同一个测量距离下，随着目标点振动频率增加，测量误差逐渐增大.在相同振动频率下，摄像测量精度随着测量距离增大而逐渐降低.当测量距离在240 m范围内，测量精度受距离变化影响较小，其相对误差均小于2%.当测量距离增至500 m，测量误差大幅提高，但摄像测量系统仍具有较高的测量精度，除了目标点振动频率达到2 Hz以外，其余所测得的相对误差均小于5%，满足工程测量的要求.

3.3广州新电视塔位移数据模拟

将GPS所测得的广州新电视塔水平向位移实测数据作为真实位移输入至位移模拟装置，并采用工业数字摄像机在三个不同测点对其进行动态位移监测.由于GPS具有较高的测量精度，因此可近视为广州新电视塔的真实位移.广州新电视塔位于中国广州市海珠区，是广州市的一个标志性建筑.新电视塔具有超高细柔、形态奇特及结构复杂等特点，在超高层建筑史上具有重要的里程碑意义.图6为不同测量距离所测得的测量位移与真实位移比较.由图6可知：在不同测量距离所测得的动态位移时程曲线与广州新电视塔真实位移时程曲线较为吻合.表3为不同测量距离所测得的测量误差比较.由表3可知：测量精度随着测量距离增大而降低.测量距离在510 m范围内，测量误差的平均值均小于1 mm.

频谱分析是动态观测时间序列研究的一个途径，该方法是将时域内的观测数据序列通过傅里叶级数转换到频域内进行分析，有助于确定时间序列的准确周期并辨别隐蔽性和复杂性的周期数据[8].分别对不同测量距离测得的位移数据和真实位移数据进行FFT分析，如图7所示.不同测量距离所测得的位移频率与真实位移频率较为接近，均为0.097 7 Hz.因此，测量距离增加对结构动态位移产生了显著影响，而对结构动态位移频率影响较小.

表2　不同测量距离及不同振动频率所测得的相对误差值比较

图6　不同测量距离所测得的测量位移与真实位移比较Fig.6　Comparison of measured and real displacement under different measuring distances

测量距离/m100240510误差平均值/mm0.2890.4770.880误差最大值/mm1.0061.4683.017误差标准差/mm0.2040.2490.637

图7　测量位移与真实位移频谱图比较Fig.7　Comparison of measured and real displacement spectrum

4结论

以不同测量距离所测得的位移数据为研究对象，开展了结构动态位移远距离摄像测量精度试验.结果表明，测量距离和目标点振动频率增加对测量精度产生了显著影响，导致测量精度降低.测量距离在240 m范围内，测量精度受距离变化影响较小；测量距离增至500 m，测量误差大幅提高，但摄像测量系统仍具有较高的测量精度，除了目标点振动频率达到2 Hz以外，其余所测得的相对误差均小于5%，满足工程测量的要求；对广州新电视塔位移数据分析可知，测量距离在510 m范围内，测量误差的平均值均小于1 mm，且测量距离增加对结构动态位移频率测量精度的影响较小.

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(责任编辑：陈石平)

文章编号：1006-4303(2015)06-0680-05

中图分类号：TU196.4

文献标志码：A

作者简介：卢成原(1964—)，男，浙江东阳人，教授，主要从事土木工程方面的研究，E-mail：zgdlucy@sina.com.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51208384)；浙江省钱江人才计划项目(2012R10071)；浙江省自然科学基金项目(LY12E08009)

收稿日期：2015-05-13