[发明专利]基于数字图像处理技术的结构二维位移及应变监测方法

说明书

本方法提出一种基于数字图像处理技术的结构二维位移和应变监测方法，其特征是：标靶采用圆形图案，以确保进行结构物理量监测时标靶截面的无方向性；选取圆形的圆心作为标靶图像特征，并运用数字图像读取、基于迭代法选取阈值的图像二值化、抗噪性多尺度数学形态学边缘检测、基于面积跟踪算法的图像进一步去噪、基于最小半径法的边缘精定位和非迭代快速圆心拟合法，来提取圆心二维像素坐标；采用边长已知的方形图案作为标定板来进行当前视觉监测系统的系统标定；所述系统标定是指通过运用数字图像读取、基于迭代法选取阈值的图像二值化分割和基于面积跟踪算法的图像进一步去噪，来寻找方形图案四个顶点，进而确定像素边长值和实际边长值之间的对应关系。最后，利用系统双向分辨率和标靶圆心帧差法计算结构测点二维位移；利用标靶中相邻两圆心的像素坐标和平均应变计算公式，确定结构局部平均应变。

技术领域

本发明公开一种非接触式结构二维位移及应变监测方法，特别是一种基于数字图像处理的非接触式结构二维位移及应变监测方法以及该方法的实现流程。

背景技术

为确保结构安全及人民的生命财产和安全，进行结构的健康监测是十分必要的。结构健康监测的内容很多，如载荷监测、温度监测、加速度监测、位移监测、应变监测等等。其中，结构的位移及应变监测更是结构健康监测的重要内容。通过对在建结构的位移及应变监测，可以知道结构是否满足设计要求，并在出现较大位移或应变时做到及时纠正；通过对已有建筑的位移及应变监测，可以判断结构是否处于安全状态，以便能及时对其进行加固等处理。此外，结构的位移信息还是进行结构实验和分析的极其有价值的原始数据，是结构动态特性之一。

结构位移(应变)监测方法有：传统的非图像监测方法和基于数字图像的位移监测方法。其中，传统的非图像监测方法又包括有线、无线传感器监测方法和非接触式监测方法。但就目前的这些位移监测方法来看：基于传感器的方法定会有传感器与待测点的接触。而对于结构的一些难以接近的位置无法放置传感器，从而无法进行位移或应变的监测；其次，大型土木结构一般情况下均需放置几百个传感器，所以实际工程中的传感系统非常复杂，布置工作量大；最后，基于有线传感器的方法会有过多的信号传输线存在，而基于无线传感器虽未用传输线但数据信号却易受到环境干扰，往往测得的数据不完备且夹杂有较明显的噪声。传统的非接触式测量方法，如电子全站仪和GPS卫星测量法，在实验及一些实际工程中也有成功的先例，但它们都需要采用很昂贵的机器设备及专业人士操作，且采集到的信号受环境干扰大。

由于传统非图像监测方法的缺点和问题，近年来许多的专家学者开始研究基于数字图像处理的位移监测方法，并且取得了不少的成绩。如华中科技大学的赵文光等提出的基于标定板CCD图像处理技术的土木工程二维位移监测方法，通过对某公路桥梁的跑车和跳车试验表明该方法能够测量出桥梁在动载和静载作用下横向和竖向位移，且能够实时输出。其视觉监测系统安装示意图如图1所示：

同济大学的周奇才等提出利用定点放置的目标点光源的数字图像进行隧道横纵向变形监测方法，通过模拟实验表明该方法能够得到隧道的变形量，且变形监测结果是比较精确、可靠的。同时，该学者还提出在实际的隧道变形监测中，会每隔适当距离在隧道壁上安装一个图像传感器并在其正前方固定目标点光源，从而实现对站间地铁隧道的变形监测。其地铁隧道变形监测系统示意图如图2所示：中国地震局工程力学研究所的张涛提出利用黑白双色标靶的数字图像进行光学位移测量，并进行了水平振动台振动位移测量和桥墩静力试验下的位移测量试验，两次试验结果均表明其所提出的光学位移测量法能很好地实现对结构二维位移的测量。其黑白双色标靶如图3所示：

学者Jong Jae Lee等提出利用尺寸已知且含四白色斑点的目标面板进行二维位移监测。他们以黑色背景下含4白色斑点的目标面板作为拍摄对象，以4斑点中的任一点作为监测目标来进行对桥梁的二维位移监测。由钢箱梁桥试验表明利用二维位移视觉监测法所得桥梁位移时程曲线能与激光测振器所得桥梁位移时程曲线较好地吻合。其目标面板示意图如图4所示：