一種基于多點擬合的結構物平面位移監測方法
【專利摘要】本發明提供的大型結構物位移監控方法，在待測結構物的側面上設置多個待測點靶標，參考點靶標和相機，計算機獲取相機首次拍攝的圖像后，將該圖像設為模板圖像；當計算機獲取相機拍攝的實時圖像，并結合模板圖像對實時圖像進行分析處理，得到待測結構物的平面位移。該方法利用在待測結構物的側面上設置的多個待測點靶標擬合得到待測結構物的平面位移，能夠用于對待測結構物的平面位移進行測量，同時在待測點靶標和相機之間設有的參考點靶標，相機發生偏轉時，用參考點靶標修正對待測點靶標位移檢測的誤差，提高了整個監控精度，系統成本造價低。
【專利說明】
一種基于多點擬合的結構物平面位移監測方法
技術領域
[0001]本發明涉及攝影測量技術，尤其涉及使用工業攝影器材進行結構物平面位移監測以及山體滑坡、地面沉降或移動監測的方法。
【背景技術】
[0002]現有技術主要通過全站儀、位移傳感器或GPS位移測量系統來對大型結構物沉降和位移、形變進行監測。全站儀雖然精度高，但是售價昂貴，成本花費太大，且全站儀是精密光學電子儀器，對惡劣條件難以應用，主機安置點也要求有較大空間。位移傳感器雖然能夠通過測量結構物一些重要部位相對于某一基準位置變化來了解整個物體的變形，但是要求位移傳感器必須安裝在某一垂直于被測對象變形而且與被測對象比較接近的基準位置上，且建立這個基準位置需要消耗大量人力物力，一般還不能長時間保留，有時根本無法建立。GPS位移測量法采用衛星定位，受天氣影響小，測量位移自動化程度高，定位快，相對精度高，但是GPS衛星測量法容易受多路效應、衛星可視條件、衛星幾何圖形強度變化、區域電子干擾等因素的影響而導致效率降低，同時使用GPS設備的成本較高。
[0003]中國專利“CN103105140 A”名為“大型建筑物變形監測以及其監測的方法”將激光發射器安裝在接近被測對象的一個相對給定的基準點上，將激光接收器安裝在變形面的被測點上，激光接收器在垂直于變形面方向的線位移，是此點的變形值。但是在測量的過程中，激光發射器的安裝位置一旦發生位移后，激光發射器發出的激光光斑的位移發生明顯變化，使激光接收器難以根據獲得的數據判斷是結構物發生位移還是激光發射器發生移動，影響監測效果。
[0004]中國專利“CN103542893 A”名為“一體化山體滑坡監測傳感器”利用傳感器對山體巖層與土壤內水分含量、對被測點加速度和力進行數據采集并通過天線來發送數據，以此來對山體滑坡進行監測。但是該方法中使用的天線受太陽噪聲影響很大，這也影響數據的精確性。
[0005]中國專利“CN104794860 A”名為“基于物聯網技術的山體滑坡監測預警裝置及其控制方法”將傳感器監測的數據通過天線傳送到物聯網基地，物聯網基地通過移動通信基站將信號無線傳輸到移動終端。該方法中需要設立物聯網基地，這將消耗大量的人力和財力，同時也存在資源的浪費問題。

【發明內容】

[0006]針對現有技術中存在的上述不足，本發明專利目的在于利用攝影測量技術提供一種結構物位移監控方法，能夠對待測結構物的平面位移進行測量，成本低，精度高，解決了現有技術的檢測方法存在成本高、精度不夠等問題。
[0007]為解決上述技術問題，實現發明目的，本發明采用的技術方案如下:
一種基于多點擬合的結構物平面位移監測方法，包括以下步驟:
A)在待測結構物的一側面上設置多個待測點靶標，在該側面的前方依次設有參考點靶標和相機；
B)分別計算所有待測點靶標、參考點靶標與相機的距離;標定待測點靶標與其在相機中成像像素的比值；
C)配置一與相機連接的計算機，設置相機的采樣時間；
D)計算機獲取相機首次拍攝的圖像后，將該圖像設為模板圖像并保存；
E)當相機的采樣時間到達時，計算機獲取相機拍攝的實時圖像，并結合模板圖像對實時圖像進行分析處理，得到實時圖像中所有待測點靶標的位移；
F)計算機結合實時圖像中所有待測點靶標的位移，得到待測結構物的平面位移監測結果O
[0008]進一步，所述步驟D具體為:計算機獲取相機首次拍攝的圖像后，將該圖像設為模板圖像，分別得到該模板圖像中所有待測點靶標的質心和參考點靶標的質心，并保存。
[0009]進一步，所述步驟E具體為:當相機的采樣時間到達時，計算機獲取相機拍攝的實時圖像，分別得到實時圖像中所有待測點靶標的質心和參考點靶標的質心，并結合模板圖像對實時圖像進行分析處理；
如果實時圖像中參考點靶標的質心和模板圖像中參考點靶標的質心重合，說明相機沒有發生偏轉，待測結構物的平面位移由實時圖像中待測點靶標和模板圖像中待測點靶標得到；
如果實時圖像中參考點靶標的質心相對于模板圖像中參考點靶標的質心發生了位移，說明相機發生偏轉，此時首先對實時圖像中待測點靶標的質心進行校正，得到實時圖像中待測點靶標的校正質心，待測結構物的平面位移為實時圖像中校正后待測點靶標和模板圖像中待測點革G標得到。
[0010]進一步，所述如果相機沒有發生偏轉，實時圖像中每個待測點靶標的位移為實時圖像中該待測點靶標的質心與模板圖像中該待測點靶標的質心的差值;即A Xa1=Xal2- Xa1I,Ayal=Yal2- yall;并在獲得實時圖像中所有待測點靶標的位移后，對所有待測點靶標的位移進行多點擬合，得到待測結構物的平面位移；
如果相機發生偏轉，計算機對實時圖像中待測點靶標的質心進行校正，得到實時圖像中第i個待測點革巴標的校正質心為AiQ(Xait)，yaiQ)，XaiQ=Xail+Mi/N*(Xb2_Xbl)，ya1=yaii+Mi/N*(yb2-ybl)，實時圖像中每個待測點靶標的位移為實時圖像中該待測點靶標的校正質心與模板圖像中該待測點革巴標的質心的差值；即Δ Xai=Xai2- Xa1, A yai=yai2- yaiQ;并在獲得實時圖像中所有待測點靶標的位移后，對所有待測點靶標的位移進行多點擬合，得到待測結構物的平面位移；
其中，A XajP △ yai分別為實時圖像中第i個待測點革El標在橫坐標方向上和縱坐標方向上的位移分量，XaiQ和yaiQ分別為實時圖像中第i個待測點革El標的校正質心AiQ的橫坐標和縱坐標，Xail和yail分別為模板圖像中第i個待測點靶標的質心Au的橫坐標和縱坐標，Xai2和yai2分別為實時圖像中第i個待測點靶標的質心A12的橫坐標和縱坐標，xbl和％分別為模板圖像中參考點靶標的質心B1的橫坐標和縱坐標，Xb2和yb^別為實時圖像中參考點靶標的質心B2的橫坐標和縱坐標，Mi為第i個待測點靶標到相機的距離，N為參考點靶標到待測點靶標的距離。相比于現有技術，本發明具有如下優點:
本發明提供的結構物位移監控方法，利用在待測結構物的側面上設置的多個待測點靶標擬合得到待測結構物的平面位移，能夠用于對待測結構物的平面位移進行測量，同時在待測點靶標和相機之間設有的參考點靶標，用參考點靶標修正相機發生偏轉時，對待測點靶標位移檢測的誤差，提高了整個監控精度，系統成本造價低。
【附圖說明】
[0011]圖1為實施例中結構物位移監控方法的結構示意圖。
[0012]圖2為實施例中待測結構物的側面設置的待測點靶標的示意圖。
[0013]圖3為實施例中將相機拍到的模板圖像和實時圖像重疊的示意圖。
[0014]圖中，待測點靶標1-4、參考點靶標5、相機6、計算機7。
【具體實施方式】
[0015]下面結合實施例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
[0016]實施例:
由于山體只有暴露在外表面上的坡面能夠安裝監測裝置，所以本方法還適用于檢測山體的位移。如圖1、2所示，其特征在于，包括以下步驟:
A)在待測結構物的一側面上設置多個待測點靶標(例如圖1中設了 4個待測點靶標1、2、
3、4)，在該側面的前方依次設有參考點靶標5和相機6;其中在選擇待測點靶標時可以選擇一待測點靶標為中心，其他待測點靶標圍繞在中心的待測點靶標的周邊設置。
[0017]B)分別計算所有待測點靶標、參考點靶標與相機的距離;標定待測點靶標與其在相機中成像像素的比值;例如:第i個待測點靶標和相機的距離M1，參考點靶標到待測點靶標的距離N，第i個待測點靶標與其在相機中成像像素的比值Rh
[0018]C)配置一與相機連接的計算機7，設置相機的采樣時間；采樣時間可根據具體情況確定，具體實施時，可以是計算機檢測到采樣時間到達時，控制相機進行拍攝，相機拍攝完后將圖像回傳給計算機。或者是設置相機為定時拍攝，當相機自動拍攝完后，將圖像回傳給計算機。
[0019]D)計算機獲取相機首次拍攝的圖像后，將該圖像設為模板圖像并保存;具體為:計算機獲取相機首次拍攝的圖像后，將該圖像設為模板圖像，分別得到該模板圖像中所有待測點靶標的質心和參考點靶標的質心，并保存。模板圖像認為是待測結構物未發生位移時的狀態，保存模板圖像是為了方便后面和相機實時拍攝的圖像進行對比，得出待測結構物的位移量。待測點靶標的質心和參考點靶標的質心可以選擇靶標的中心。例如，可以得到模板圖像中第i個待測點靶標的質心Ail(Xai^yail)和參考點靶標的質心B1(Xiybl),
E)當相機的采樣時間到達時，計算機獲取相機拍攝的實時圖像，并結合模板圖像對實時圖像進行分析處理，得到實時圖像中所有待測點靶標的位移;根據某時刻的實時圖像可以得到該時刻所有待測點靶標的位移。
[0020]具體為:當相機的采樣時間到達時，計算機獲取相機拍攝的實時圖像，分別得到實時圖像中所有待測點靶標的質心和參考點靶標的質心，例如:可以得到實時圖像的第i個待測點靶標的質心Ai2 (Xai2, Yai2)和參考點靶標的質心B2 ( Xb2，yb2 )。并結合模板圖像對實時圖像進行分析處理;某時刻的待測結構物的平面位移是指該時刻下待測點靶標的位置相對于原始位置(模板圖像中待測點靶標的位置)發生的位移。
[0021]如果實時圖像中參考點靶標的質心和模板圖像中參考點靶標的質心重合，說明相機沒有發生偏轉，此時，實時圖像中待測點靶標發生的位移就僅僅是待測結構物發生的位移，實時圖像中每個待測點靶標的位移為實時圖像中該待測點靶標的質心與模板圖像中該待測點革巴標的質心的差值；即Δ Xai=Xai2- Xail, A yai=yai2- yail;并在獲得實時圖像中所有待測點靶標的位移后，對所有待測點靶標的位移進行多點擬合，得到待測結構物的平面位移;
如果實時圖像中參考點靶標的質心相對于模板圖像中參考點靶標的質心發生了位移，如圖3所示，圖3中以其中一個待測點靶標舉例說明，BjPB2沒有重合，說明該監測子系統中相機發生偏轉，此時，實時圖像中待測點靶標發生的位移包括了待測結構物發生的位移和相機的偏移帶來的誤差。首先對實時圖像中所有待測點靶標的質心進行校正，消除相機偏移帶來的誤差，得到實時圖像中待測點革El標的校正質心AiQ(Xait)，yaiQ)，Xa1=Xail+Mi/N*( Xb2_Xbi)，yaiQ=yaii+Mi/N*(yb2-ybi)，實時圖像中每個待測點革El標的位移為實時圖像中該待測點革巴標的校正質心與模板圖像中該待測點革巴標的質心的差值；即Δ Xai=Xai2- Xa1, A yai=yai2-yal0;并在獲得實時圖像中所有待測點靶標的位移后，對所有待測點靶標的位移進行多點擬合，得到待測結構物的平面位移。
[0022]其中，ΔXai和Δ yai分別為實時圖像中第i個待測點靶標在橫坐標方向上和縱坐標方向上的位移分量，XaiQ和yaiQ分別為實時圖像中第i個待測點革El標的校正質心AiQ的橫坐標和縱坐標，Xail和yail分別為模板圖像中第i個待測點靶標的質心Ail的橫坐標和縱坐標，Xai2和yai2分別為實時圖像中第i個待測點革El標的質心Ai2的橫坐標和縱坐標，Xbi和ybi分別為模板圖像中參考點革G標的質心Bi的橫坐標和縱坐標，xb2和yb2分別為實時圖像中參考點革El標的質心B2的橫坐標和縱坐標，Mi為第i個待測點靶標到相機的距離，N為參考點靶標到待測點靶標的距離。
[0023]F)計算機結合實時圖像中所有待測點靶標的位移，將得到的所有待測點靶標的位移擬合到平面坐標上，得到待測結構物的平面位移量，從而將該平面位移量定義為平面位移監測結果。計算第i個待測點革E標得到的(Δ Xai, Δ yai)的值等于該待測點革E標在相機中按一定成像比例縮放后形成的位移，此時計算Ri*( △ xai，△ yai)為該待測點革E標的真實位移。
[0024]以四邊形法為例說明在設置四個待測點靶標的情況下，待監測面上其他任意點B(11，￥)的位移，根據四邊形法，和厶11(叉￡^1，5^1)丄0(叉￡^()，5^())，列出方程叉￡^1=3*叉￡^()+13* Ya1+c* xaii*yaii+d，yaii=e*xa1+f* ya1+g* xaii*yaii+h，求出待定系數a，b，c，d，e，f ,g。!?點移動到了B，(U，，V，)，根據11=8*11’+13抑’+(3*11抑+(1，11=6*11’+；1^抑’+8*11抑+11，求出13’ (U，，v’)，計算Δ Β( Δ u，Δ V)，其中Δ u=u’_u，Δ ν=ν’_ν，Δ B*R即為待監測面上任意一點的實際位移，R為所標定的待測點靶標的&的平均值。待測點靶標數目為其他數目時，可根據類似方法按照多邊形法則進行處理，得到待測面任意點的位移。
[0025]該方法可在遠距離非接觸的情況下結構物的平面位移，測量精度高，能夠實時顯示結構物的位移或者沉降，克服了由于攝像機安裝結構變形帶來的測量錯誤和誤差，也可以在監測系統基礎上加裝遠程通信設備，實現遠程在線監測。應用中影響本方法測量精度主要包括以下幾點:1、工業數碼相機像素越高，分辨率越高，更能測量出微小的位移。2、待測點靶標，參考點靶標與鏡頭的距離越近，每個像素代表的實際長度越大，精度就越低。3、監測系統最好放在避風的位置，牢固固定。4、可在靶標和被測點上安裝LED燈，提高監測亮度，方便監測。5、盡量不要把工業數碼相機直接暴露在太陽光中測量，盡量使鏡頭與觀測點的光線保持不變。6、盡量避免安裝在經常附近有車輛經過，風力過大的環境中。7、盡可能選擇結構物中相互垂直的兩條邊界線上的中心點。
[0026]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1.一種基于多點擬合的結構物平面位移監測方法，其特征在于，包括以下步驟: A)在待測結構物的一側面上設置多個待測點靶標，在該側面的前方依次設有參考點靶標和相機； B)分別計算所有待測點靶標、參考點靶標與相機的距離;標定待測點靶標與其在相機中成像像素的比值； C)配置一與相機連接的計算機，設置相機的采樣時間； D)計算機獲取相機首次拍攝的圖像后，將該圖像設為模板圖像并保存； E)當相機的采樣時間到達時，計算機獲取相機拍攝的實時圖像，并結合模板圖像對實時圖像進行分析處理，得到實時圖像中所有待測點靶標的位移； F)計算機結合實時圖像中所有待測點靶標的位移，得到待測結構物的平面位移監測結果O2.如權利要求1所述的基于多點擬合的結構物平面位移監測方法，其特征在于，所述步驟D具體為:計算機獲取相機首次拍攝的圖像后，將該圖像設為模板圖像，分別得到該模板圖像中所有待測點靶標的質心和參考點靶標的質心，并保存。3.如權利要求1所述的基于多點擬合的結構物平面位移監測方法，其特征在于，所述步驟E具體為:當相機的采樣時間到達時，計算機獲取相機拍攝的實時圖像，分別得到實時圖像中所有待測點靶標的質心和參考點靶標的質心，并結合模板圖像對實時圖像進行分析處理； 如果實時圖像中參考點靶標的質心和模板圖像中參考點靶標的質心重合，說明相機沒有發生偏轉，待測結構物的平面位移由實時圖像中待測點靶標和模板圖像中待測點靶標得到； 如果實時圖像中參考點靶標的質心相對于模板圖像中參考點靶標的質心發生了位移，說明相機發生偏轉，此時首先對實時圖像中待測點靶標的質心進行校正，得到實時圖像中待測點靶標的校正質心，待測結構物的平面位移為實時圖像中校正后待測點靶標和模板圖像中待測點革G標得到。4.如權利要求3所述的基于多點擬合的結構物平面位移監測方法，其特征在于，所述如果相機沒有發生偏轉，實時圖像中每個待測點靶標的位移為實時圖像中該待測點靶標的質心與模板圖像中該待測點革巴標的質心的差值；即Δ Xai=Xai2- Xail, A yai=yai2- yail;并在獲得實時圖像中所有待測點靶標的位移后，對所有待測點靶標的位移進行多點擬合，得到待測結構物的平面位移； 如果相機發生偏轉，計算機對實時圖像中待測點靶標的質心進行校正，得到實時圖像中第i個待測點革巴標的校正質心為AiQ(Xait)，yaiQ)，XaiQ=Xail+Mi/N*(Xb2_Xbl)，ya1=yaii+Mi/N*(yb2-ybl)，實時圖像中每個待測點靶標的位移為實時圖像中該待測點靶標的校正質心與模板圖像中該待測點革巴標的質心的差值；即Δ Xai=Xai2- Xa1, A yai=yai2- yaiQ;并在獲得實時圖像中所有待測點靶標的位移后，對所有待測點靶標的位移進行多點擬合，得到待測結構物的平面位移； 其中，A XajP △ yai分別為實時圖像中第i個待測點革El標在橫坐標方向上和縱坐標方向上的位移分量，XaiQ和yaiQ分別為實時圖像中第i個待測點革El標的校正質心AiQ的橫坐標和縱坐標，Xail和yail分別為模板圖像中第i個待測點靶標的質心Au的橫坐標和縱坐標，Xai2和yai2分別為實時圖像中第i個待測點靶標的質心A12的橫坐標和縱坐標，Xbl和％分別為模板圖像中參考點靶標的質心B1的橫坐標和縱坐標，Xb2和yb^別為實時圖像中參考點靶標的質心B2的橫坐標和縱坐標，Mi為第i個待測點靶標到相機的距離，N為參考點靶標到待測點靶標的距離。
【文檔編號】G01C11/12GK106092059SQ201610476238
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月27日
【發明人】藍章禮, 陳巍, 楊揚, 黃芬, 王可欣
【申請人】重慶交通大學