基于图像处理技术的桥梁线形识别方法

舒小娟，赵 洋，刘 浩

（湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411201）

桥梁线形监测是桥梁运营过程中重要的评估指标之一，一般采用全站仪、水准仪的光学仪器进行线形数据的采集，此项工作需要布置较多的测点，测量耗时较长，受环境影响较大，而且有时需封闭交通，难以适应未来快速监测的需求。随着非量测数码相机的不断普及，利用非量测数码相机进行结构监测的研究成果越来越 多[1−2]，高旭光等[3−7]应 用近景摄影测量方法进行结构变形的监测，丁威等[8−12]利用利用数字图像处理的相关技术进行裂缝的识别，取得了不错的研究成果。因此，基于近景摄影测量原理和数字图像处理技术的线形识别方法有很大的发展优势。

1 室内实验简介

实验中采用自由下垂的、直径为12 mm 的钢丝绳模拟拉索，固定于水平滑轮之间，滑轮间距为4.5 m。由于拉索与滑轮之间存在一定的接触面积，会影响拉索两端的变形，所以拉索有效研究长度取4 m。实验场地布置在某天台，使其更接近桥梁所处的实际环境条件，实验用的人工标志置于拉索的正中心下方。实验装置，见图1。

图1 实验装置

2 获取拉索的线形方程

实验采用徕卡TS30全站仪采集被测拉索的三维空间坐标，再通过坐标转换获取拉索在同一平面内的二维坐标，利用MATLAB 软件拟合出拉索的曲线方程。

自由下垂的拉索在重力作用下其线形为悬链线，拉索中心线拟合的目标方程采用悬索桥工程中常用的形式：

式中：a为悬链系数。

通过软件拟合后的拉索线形方程，见图2。

图2 拉索实际线形

3 非量测数码相机的线形识别

3.1 基于近景摄影测量原理

对于常规数码相机，其内方位元素是未知的，即焦距和像主点O的图像坐标均是未知的。另外，由于相机在制造过程中的误差，导致非量测相机的光学畸变差很大，需通过标定试验获取其内方位元素和光学畸变系数。平面标定法确定相机的内方位元素和径向光学畸变系数[13]，其标定结果，见表1。

表1 相机标定结果

在已知内方位元素的条件下，利用基于共线方程式的单像空间后方交会解法[14]，求得其外方位元素，见表2。

表2 外方位元素计算结果

单张照片的外方位参数确定后，采集多张照片，根据基于共线条件方程式的空间前方交会解法求解，得到拉索中线各测点的三维坐标，进一步通过坐标转换得到二维平面坐标。曲线拟合后的拉索曲线方程为：

从式（2）可知，悬链线系数为21.948，较全站仪测量结果而言，其垂度误差为−0.33 mm。

3.2 基于数字图像处理技术

通过图像灰度化、图像滤波、边缘提取等步骤获取被测对象的像平面坐标，再通过图像转换系数获取被测对象的实际平面坐标，实现被测对象的线形识别工作。

由于拍摄角度、镜头距物体的距离不一致导致空间实际长度和成像中的长度不一致，具有特定的比例关系，故选用圆形人工标志获取转换系数[15]。圆形人工标志，见图3。

图3 圆形标志图

由于各种影响因素的作用，圆形标志在成像后均以椭圆的形式出现。拍摄角度与圆形标志透镜成像变形，见图4。

图4 透镜成像变形图

以C（x0，y0）为中心、长半轴长度为a、短长半轴长度为b、长轴与x轴的夹角为θ作椭圆，见图5。

图5 椭圆

令x=x0，y=y0，获取x轴和y轴方向的长度Lx、Ly：

若圆形标志直径为d，可以得出水平方向和竖直y方向的转换系数vx、vy：

边缘提取主要是利用灰度值的不同来提取被测物体的边缘。对于拉索而言，经图像处理后提取到的坐标是其上下缘坐标。由于实验的目的是获取拉索中心的坐标，利用提取的数据求平均值作为拉索中心线的坐标，进一步通过曲线拟合得到拉索的悬链线方程。本次实验相机主光轴垂直于物平面，距拉索距直线离为4 m，通过计算得到拉索的方程为：

从式（5）可知，拉索的悬链线的系数a为21.858，经计算，其垂度误差为0.05 mm。

3.3 计算结果分析

上述两种线形识别方法结果汇总，见表3。

表3 拉索线形识别结果对比

表3可以看出，两种线形识别方法结果的误差均在毫米级，精度很高。

4 实例验证

某景观桥（见图6），其结构为上承式无铰拱拱桥，在竖向荷载作用下线形可按照悬链线方程进行拟合。悬链线方程基本形式为：

图6 景观桥立面图

利用上述室内试验所用方法对拱桥拱轴线进行识别，试验结果，见表4。

表4 主拱圈下缘线形结果

现场试验结果表明，两种非接触式线形识别方法精度均较室内实验结果低。这是因为在相机的像素的不变的情况下，被测对象越大，需要拍摄距离也就越大，相同长度的物体经边缘检测后得到的边缘像素点的数量也会相应的减小，圆形人工标志直径的大小受到限制，而且随着拍摄距离的增大，由圆形人工标志得到的转换系数的误差也会增大，从而造成线形识别的精度降低。

基于数字图像处理技术的识别效果仍然优于基于近景摄影测量原理的方法。

5 结语

（1）室内拉索线形识别试验结果表明，基于数字图像处理技术和基于近景摄影测量原理的两种线形识别方法识别精度都很高，可以进行线形识别，且前者的识别效果优于后者。

（2）现场实验结果表明，两者线形识别方法在实际工程均有较高的识别精度，满足工程测量精度要求，可以应用于桥梁线形的快速监测。