非接触测量系统在某钢桁架桥变形测量中的应用研究

焦明东

(上海同济检测技术有限公司 上海 200082)

引言

为了保证桥梁施工过程的可测、可控，施工过程中主梁线形的测量显得尤为必要，根据简支梁桥结构受力特点，线形测量多选择桥梁支点、1/4跨和跨中等位置。当桥梁跨越道路或河流等不方便支表测量情况下，多采用全站仪、水准仪和GPS等设备进行测量，虽能检测桥梁线形，但存在检测速度慢、作业环境恶劣、现场作业量大和影响交通通行等问题，而且数据量较小无法形成科学、准确、可溯源的病害数据库，无法满足现代桥梁施工监控的要求。因此采用非接触摄影测量方法测量桥梁变形成为当前桥梁施工监控、健康监测领域共同研究的课题。文永生[1]通过试验采用基于时间基线法的摄影测量方法实现了桥梁静载变形的测量，且精度满足工程要求；张松雷[2]通过布设监控点，基于单反相机Canon FEOSF6D 和全站仪得到监控点坐标，通过DLT 算法对监控点坐标进行转换，得到桥梁的立面测绘图；王伟等[3]介绍了泸沽安宁河大桥利用近景摄影测量做变形观测的试验过程,并对其测定精度进行了分析研究；据可查文献[4-5]，当前对于桥梁变形测量多集中在竖向变形，对于二维位移测量的研究相对较少。鉴于这种现状，本文在基于时间基线法的基础上介绍了非接触摄影测量理论，对于非接触摄影测量技术的应用从软硬件组成和测量分析流程方法进行了详细分析，最后依托于某简支下承式钢桁架桥梁施工监控项目，对于非接触摄影测量技术的工程应用与全站仪测量结果进行了对比分析，结果显示非接触摄影测量技术在桥梁二维位移测量方面能够满足工程要求。本文系统分析了非接触摄影测量技术在桥梁施工监控中的应用，对于非接触摄影测量技术的推广应用和桥梁线形测量技术的技术迭代更新起到一定的促进作用。

1 非接触摄影测量原理

作为摄影测量的一个学科分支，非接触摄影测量主要是通过摄影手段来确定测量目标的变形和运动状态。根据测量原理不同，近景摄影测量技术分为时间基线法、立体摄影测量法2类，本文选择时间基线法。

1.1 时间基线法

时间基线法是在摄站固定、摄像平面与被摄物平面相互平行、内外方位元素不变情况下，相隔一定时间间隔拍摄2张图片，通过测量图片中变形点的视差，根据摄影比例尺计算得到物体变形位移量ΔY和ΔZ，具体如下：

(1)

式中：X为摄影中心到物平面间的距离；

f为相机焦距；

Δpy和Δpz为图片中左右视差和上下视差。

1.2 位移换算测量

理想状态下，在物距X和相机焦距f已知情况下，根据式(1)可直接得到变形量值。但实际测量过程中，物距X和相机焦距f的精确测量是不现实的；同时摄像平面与被摄物平面不可避免存在夹角，一定程度上导致倾斜投影变形，夹角大小的精确测量同样存在较大困难。根据时间基线法的基本原理，进行图上距离与实际距离转换，需要借助物平面上已知距离进行比照，从而可以直接得到物平面中图上距离与实际距离的转换系数，通过转换系数即可得到实际距离。

变形反映在图片上的距离，即式(1)中的Δpy和Δpz，可以通过对变形前、后的数字图片，以包含标志物的图块作为模板，进行数字图像匹配运算得到，从而根据式(1)即可得到被测量物的二维变形量。

2 非接触摄影测量系统的应用分析

非接触摄影测量即将靶标的大小与位置由光信号转换成数字图像，同时采用图像智能算法对靶标的位置进行精确识别从而完成竖直和水平位移的测量。

2.1 硬件、软件构成

非接触摄影测量系统主要由硬件和软件两个部分组成，具体如下：

(1)硬件部分

硬件部分包括CCD摄像机、连续变倍物镜、彩色显示器、视频十字线显示器、精密光栅尺、多功能数据处理器、数据测量软件与高精密工作台结构(图1)，主要用于变形图像数据的采集。

图1 硬件构成图

(2)软件部分

软件部分则是建立在CCD摄像机采集影像基础上，依托于计算机图像测量技术和空间几何运算能力产生的。快速读取光学尺的位移数值，通过建立在空间几何基础上的软件模块进行运算，短时间内得到二维变形数据。

2.2 非接触摄影测量系统工作流程分析

非接触摄影测量系统在结构物二维位移测量中的应用，根据图2可知，测试流程具体如下：

图2 测量流程图

(1)根据设计位置安装摄像机，在被测对象的测量位置安置标定板，完成系统组装；

(2)采集标定板图像并进行灰度变换、滤波、二值化、开运算和区域标识等图像处理操作，最终得到各标定点重心的像平面坐标(单位：像素)；

(3)把各标定点的像平面坐标和已知的物平面坐标一一对应，形成标定样本并进行系统标定，从而得到两坐标间的映射关系；

(4)采集测量点图像并进行相应图像处理，得到各测量点重心的像平面坐标，再利用已得到的映射关系映射出测量点的物平面坐标，各点物平面坐标减去各自的初始值，便得到各测点相应的物平面位移。

3 案例分析

3.1 工程概况

某桥梁主桥为简支下承式钢桁架结构，跨径布置为(20+92.16+20)m，主桁采用三角形桁架，主桁中心间距11m，名义桁高为11m，上弦共8个节间，下弦共9个节间。主桥主墩为矩形墩+矩形承台、多排钻孔灌注桩基础，桩径1.2m摩擦桩。桥梁现场情况见图3。

图3 桥梁立面图

3.2 测点布置

根据简支梁桥结构受力特点和检测点位布设原理，主桥线形测点分别选择在端头、4分点和跨中，摄像机位置选择布置在1#墩墩柱处，并与靶标1～4中心平行，测点具体布置见图4，施工现场布置见图5。

图4 测点布置示意图(尺寸单位：cm)

图5 非接触摄影测量系统现场图片

根据图4可知，桥梁线形测量过程如下：

(1)首先将CCD摄像机安装在1#墩，根据经纬仪进行定向，采用正直、等倾摄像模式。

(2)观测前，在桥梁L/4、跨中、3L/4及端头处设置靶标，通过全站仪测量坐标；

(3)测量过程中，使用CCD摄像机拍照，像素为4096×2160，采用偏中心平均测距模式。

(4)经过相对定向、绝对定向、误差改正等内业处理，得到观测点位的物方三维坐标；

(5)用传统测量仪器校核获得检测点的三维坐标，最终得到摄影测量与全站仪测得坐标的差值△X和△Z，如误差满足工程要求则认为非接触摄影测量系统安装成功。

3.3 桥梁变形数据分析

根据非接触摄影测量系统在桥梁变形测量中的应用和本桥桥梁测点布置，选择全站仪进行桥梁竖向位移和横桥向位移的对比测试，具体结果见表1。

表1 测量结果统计表(mm)

通过表1数据，测量结果如下：

(1)拆除支架和桥面系施工，桥梁横桥向(Y向)位移变化较小，可能是由于支架拆除过程存在横向施工不对称引起的，但总体变化量不大，非接触摄影测量系统和全站仪测量值之间最大偏差为0.3mm，位于跨中测点处，即测点2。

(2)拆除支架和桥面系施工，桥梁竖向(Z向)位移变化较大；非接触摄影测量系统和全站仪测量值之间最大偏差为0.6mm，位于跨中测点处，即测点2。

通过对比数据结果可知，发现非接触摄影测量与全站仪测量结果存在一定的差异，其可能是由于相机不稳定或传统测量误差所致，所以非接触摄影测量系统具有较高的测量精度，能够满足桥梁施工监控中桥梁变形监测要求。

4 结论

桥梁线形测量是评价桥梁刚度的关键参数，桥梁跨越结构的复杂条件导致线形测量显得尤为困难，因此选择非接触摄影测量成为当前专家和学者共同研究的课题。本文首先对于非接触摄影测量的原理进行了简单分析，然后对于非接触摄影测量的软硬件构成、坐标分析过程进行了详细介绍，最后依托于某下承式简支钢桁架桥，分析了非接触图像测量的测点布置和应用流程，并对测量数据与全站仪测量数据进行了对比分析，结果显示非接触摄影测量结果与全站仪测量结果存在一定的误差，但精度满足施工要求。非接触摄影测量技术在桥梁线形测量中的成功应用，对于未来桥梁施工、检测和运营维护提供一种新的线形测量思路。