基于近景摄影测量的桥式起重机变形检测系统研究

陈志群

抚州市特种设备监督检验中心 江西抚州 344000

在应用传统方法对桥式起重机进行变形检测时，不仅自动化程度较低，检测速度较慢，而且其测量精度以及检测信息完整性更是难以得到有效保证。采用近景摄影测量方法，无须登高操作即可瞬间捕获到非常完整的检测信息，这些信息再通过相片形式呈现并且可以实现永久保存，为其他后续工作提供重要参考。鉴于近景摄影测量法在起重机变形检测中具有较高的先进科学性以及应用价值，有必要针对其应用策略进行全面系统的探究。

1 近景摄影测量方法概述

近景摄影测量是摄影测量学科与遥感学科相互结合的产物，可针对距离100m以的内被测对象进行摄影测量。在实际测量时，需要在适合位置设置1-2台相机，用于对被测量目标进行多角度拍摄，并由此获得多张立体像对；再利用计算机和数字化图像处理技术对这些相片进行信息分析，由此获得所需要的测量信息和检测数据。现阶段，在针对待测点空间三维坐标进行求解时，存在多种方法可供选择。例如直接线性变换法、空间后方交会-前方交会方法、相对定向-绝对定向方法和光束法平差方法等等。每一种方法都具有其自身特点有应用优势，具体采用何种方法，需要设备检测人员依据实际测量需求进行合理选择。从近景摄影测量法的技术特点上看，突出表现在以下几个方面：第一，可瞬间获取大量被测目标的物理信息和几何信息，并以相片影像作为信息存贮载体，可在为检查、分析、对比等环节中进行重复使用；第二，大幅减少户外作业工作量；第三，依托现代化硬件设备和软件系统，使测量精度及可靠性获得保障。

2 应用可行性分析

将近景摄影测量应用于桥式起重机变形检测当中，需要使用近景摄影测量设备从多个角度对桥式起重机主梁部位进行拍摄；此后，检测人员将拍摄到的数字化相片输入到计算机当中，由计算机当中的专用图像处理软件对其进行智能化解析，提取出起重机主梁上待测点的三维坐标信息；再进一步针对所提取的信息进行运算处理，最终获取到完整的起重机相关检测数据，帮助检测人员全面掌握桥式起重机设备的相关参数。在使用近景摄影测量检测方法主对桥式起重机梁下挠度进行检测时，其测量流程为：检测人员选择一处或者多处摄站，用对起重机进行拍照；在梁的任意一端，设置一辆空载小车，之后拍摄第一组相片；将小车移至跨中点位置，增加额定载荷，待主梁稳定之后，再拍摄第二组相片。至此环节，完成测量工作。测量人员将两组相片输入到计算机当中，由专业软件对相关数据信息进行解算，获取到所有待测点的三维坐标信息。通过针对两次空间三维坐标进行插值运算，即可求出主梁的下挠值和下挠度。如果沿着主梁跨中向两端设置多个测点，即可获得多个下挠值，针对这些数据进行拟合处理之后，还可以绘制出主梁下挠度曲线，从而更加全面、真实地反映出主梁下挠的实际情况，为桥式起重机主梁维护与安全检测工作提供更多有效信息。另外，通过大量近景摄影测量实践及测量结果表明，近景摄影测量法在测量原理方面具有更强的科学合理性，在测量精度方面可以更好地满足桥式起重机变形检测需求。因此，这种测量方法在桥式起重机变形检测中具有更强的可行性[1]。

3 国内发展现状

在我国，应用近景摄影测量法对桥式起重机进行变形检测起步于二十世纪初。最早由山东建筑工程学院于承新和武汉测绘科技大学徐芳等人利用数码相机对钢结构变形情况进行监测，最终所得到的检测结果与传统钢架力学分析检测结果相一致；随后，同济大学程效军、杨世渝等人于2002年利用近景摄影测量法对匀矿取料机梁体变形情况进行检测。在此次检测中，研究人员发现只要摄影距离不超过24m，即可将检测误差控制在4mm左右，从而获得较其他检测方法更加理想的测量精度；2005年，中国矿业大学高井祥等人结合2002年国家质检局颁布的《起重机械监督检验规程》，对近景摄影测量法的理论误差和精度评定进行了系统化研究。其研究结论是，在利用近景摄影测量法进行桥式起重机主梁变形检测时，其测量精度可达到毫米级以上。这一结论进一步说明将近景摄影测量法应用于桥式起重机变形检测当中，可以帮助设备维护人员判断起重机是否存在安全隐患问题，进而有针对性的制订起重机维修保养方案，提高相关工作的合理性与实效性[2]。

4 检测方案设计

4.1 制订检测流程

由于桥式起重机主梁上的明显特征并不多，在这种情况下，如果按照常规方法使用非量测相机进行拍摄与测量，极有可能专业软件无法针对像片当中所包含的所有桥式起重机主梁同名点进行有效识别。为了避免发生这一问题，需要采用人工方式在主梁上粘贴一些反光标志点，即可有效加强桥式起重机主梁上同名点的识别程度，达到提高测量精度的目的。另外，在使用非量测相机对桥式起重机进行拍摄之前，还需要通过标定确定其内方位元素。对此，需要检测人员对测量区域进行实地考察，选择出最佳摄站；然后，在桥式起重机主梁的合理位置上，粘贴人工标志点。以便于非量测相机对桥式起重机进行多方位拍摄，获得一组精度较高的数字图像；将这组数字图像传送至计算机当中，使用专业软件对图像进行数字化处理，获取所有标志点的坐标仪坐标，再运用光束平差法，求解桥式起重机主梁上所有标志点的物方坐标。当完成上述操作之后，使可以得出主梁变形量，为下一步开展起得机安全维护及维修保养工作提供参考依据[3]。在制订测量方案时，主要包括以下步骤：①将支架放置于桥式起重机主梁一侧，该支架与起重机之间的距离要大于2m；②调整好两个投点仪和桥式起重机之间的相对位置关系，确保两个投点仪投出的点云合理分布于被测桥式起重机主梁。调整完毕后，启动两个投点仪，使其投出点云；③使用相机对桥式起重机主梁进行拍摄，得到负载前照片；④在桥式起重机主梁上增加负载，再次进行拍摄，得到负载后照片；⑤针对相机位置进行调整并进行拍摄，得到另一组照片。⑥将所有照片导入专业软件当中，计算出桥式起重机主梁在增加负载前后的变形量[4]。

4.2 选择摄影设备

在运用近景摄影测量方法的过程中，相机是最为关键的设备。目前，用于近景摄影测量的相机主要包括以下两种类型：第一类，全数字型测量相机。此类相机的内部方位元素已经经过严格校正，可将镜头畸变量控制在最小范围之内。但是，此类设备的内部结构较为复杂，而且成本价格较高，适合用于对测量精度要求较高的检测作业当中，在普通测量工作中，使用率相对较低；第二类，非量测相机。此类设备并非测量专用相机，所以其内方位元素未知。而且与数字化相机相比，其像素值较低，镜头畸变幅度略大，测量精度相对有限。但是，针对这一问题，一方面可以采用近景摄影测量方法对相机进行标定，从而获得较为理想的测量精度。另一方面，伴随我国的电子技术、半导体技术的快速发展，非量测相机的技术含量及应用水平均提到大幅提升。另外，用非量测相机所拍摄的图像同样可以实现永久保存。因此，现代化非量测相机已经拥有极高的使用率。这种相机对的感光元件主要分为CCD和CMOS两种类型[5]。其中，CCD元件的特点是结构简单、分辨率高，而CMOS元件的特点是集成化程度高、传送速度快。虽然从理论角度上看，相机的像素越高其测量精度越高。但事实上，如果像素超出一定限值，极有可能因为进光量减少致使测量精度受到不利影响。因此，在针对桥式起重机进行变形检测时，无需对相机像素提出过高要求。通常情况下，选用像素在5000万左右的CMOS数码相机即可以满足其检测精度要求。此类相机根据感光元件大小差异，可划分为全画幅、APS-C画幅等类型，由于全画幅相机可以获得更大的进光量，从而使相片质量获得更加可靠的保障。因此，全画幅数码相机的使用率相对更高。综合以上因素，笔者建议在使用近景摄影测量方法进行桥式起重机变形量检测时，选用佳能5DSR相机作为摄影设备。该相机的有效像素可达到5060万，采用全画幅CMOS图像感应器。在拍摄过程中，在画面中显示网格线、电子水准仪等信息，辅助测量人员对拍摄效果进行白平衡、降噪处理，而且其像素可以根据拍摄需要进行调整。因此，该摄影设备具有较高的性价比和实用价值[6]。

4.3 非量测相机标定

由于非量测相机本身存在一定的光学畸变量。所以，在使用此类相机进行桥式起重机变形检测时，需要采用适合的方式对其进行标定。现阶段，主要存在二维DLT算法和三维DLT算法两种形式。其中，三维DLT算法虽然拥有较高的技术水平，但它对于控制场以及控制点布置得科学合理性存在较高要求。而二维DLT算法标定方式既可以满足测量精度要求，对于控制场及控制点布置也不存在过高要求，而且运算量相对较少。因此，笔者推荐选用二维DLT算法对非量测相机进行标定；另外，在使用DLT算法计算各个标志点的物方坐标时，存在一定的不稳定性。在消除这一弊端问题的过程中，束平差法具有一定使用价值。因此，笔者建议采取DLT算法与束平差法相结合的方式，进行标志点物方坐标的计算[7]。

5 实验测量结果分析

5.1 检测方案设计

为了进一步探析基于近景摄影测量法进行桥式起重机变形检测，本文引进以下测量实例进行辅助分析。某热电厂桥式起重机的额定起重量为20t，总跨度为23m，起升高度为20m。检测人员采用佳能5DSR对其进行拍摄，并采用二维DLT算法对其进行标定，由此确定其内方位元素。在桥式起重机主梁的适合位置上，增设了8个人工标志点。在对其进行多方位拍摄之后，获得一组相片。再借助软件获取桥式起重机上各个标志点的坐标仪坐标，再利用光束平差法分别求解8个标志点的物方坐标。当获取到所有标志点的物方坐标值以后，绘制出主梁变形曲线[8]。

5.2 测量方法对比

为了验证测量结果是否能够满足检测精度要求，检测人员分别采用近景摄影测量法、水准仪和全站仪检测方法对此辆桥式起重机的主梁变形量进行检测。在检测过程中，分别记录下3种方法所得到的测量数据。在完成所有测量工作之后，对这3次检测结果进行对比分析，以上拱度/跨度检测结果为例，水准仪的检测结果为1.19%；全站仪的检测结果为1.21%，近景摄影测量法的检测结果为1.22%。通过这一结果可以看出，基于近景摄影测量的桥式起重机变形检测，不但方法可行，而且检测精度值得信赖[9]。

6 结语

在今后的桥式起重机变形检测工作，必将朝着动态化、智能化、自动化的方向发展。而基于近景摄影测量对桥式起重机变形量进行检测，完全符合这一发展方向。通过运用这种检测方法，可以帮助检测人员对桥式起重机“健康”状态进行更加客观准确的评估，从而及时有效地开展设备维修工作，满足安全产生、延长设备使用寿命、提高生产效能等多方面需求。