機器視覺在橋梁健康監(jiān)測中的應用

機器視覺在橋梁健康監(jiān)測中的應用摘要基于機器視覺的橋梁監(jiān)測技術相對傳統(tǒng)監(jiān)測技術具有自動化程度高、監(jiān)測效率好、監(jiān)測成本低、不影響交通以及高聳構件監(jiān)測便捷等優(yōu)點。文中分析了采用機器視覺進行橋梁監(jiān)測的研究應用現狀;梳理了進行圖像采集、病害自動識別以及裂縫測量的技術手段與方法,并分析了每種手段與方法的優(yōu)缺點與適用范圍。最后提出了該技術的發(fā)展方向:重點發(fā)展高效的圖像獲取手段與細微裂縫的自動識別算法。關鍵詞：橋梁監(jiān)測；機器視覺；圖像處理；自動識別；裂縫目錄16372_WPSOffice_Level1第一章緒論 11.1研究的背景和意義 11.2基于機器視覺的健康監(jiān)測技術研究現狀 31.3研究的主要內容 426366_WPSOffice_Level1第二章典型橋梁監(jiān)測類型的不足 57129_WPSOffice_Level22.1橋梁應變監(jiān)測的不足 525105_WPSOffice_Level22.2橋梁裂縫監(jiān)測的不足 526366_WPSOffice_Level22.3橋梁位移及索力監(jiān)測的不足 632679_WPSOffice_Level1第三章基于機器視覺的橋梁監(jiān)測基本技術方法與算法 829904_WPSOffice_Level23.1橋梁表觀機器視覺的獲取技術 830618_WPSOffice_Level33.1.1非接觸監(jiān)測儀 1010592_WPSOffice_Level33.1.2爬壁機器人 10716_WPSOffice_Level33.1.3四旋翼飛行器 114795_WPSOffice_Level23.2基于機器視覺的裂縫自動識別理論與算法 125384_WPSOffice_Level33.2.1閾值分割識別算法 129153_WPSOffice_Level33.2.2邊緣監(jiān)測識別算法 1329411_WPSOffice_Level33.2.3區(qū)域生長種子游走算法 137946_WPSOffice_Level23.2.4基于頻域的裂縫識別方法 1427555_WPSOffice_Level23.2.5基于神經網絡的裂縫識別方法 1431136_WPSOffice_Level23.2.6基于圖像的裂縫寬度等病害程度定量化測量方法 1532638_WPSOffice_Level1第四章基于機器視覺的自動監(jiān)測系統(tǒng)的設計與應用 1731957_WPSOffice_Level24.1應變測量在軟件平臺上的實現 1715533_WPSOffice_Level34.1.1計算模塊 1726496_WPSOffice_Level34.1.2數據可視化模塊 1812832_WPSOffice_Level24.2橋梁應變監(jiān)測方案 1923887_WPSOffice_Level1第五章基于機器視覺的裂縫自動監(jiān)測的設計與應用 2319446_WPSOffice_Level25.1基于圖像處理技術的裂縫監(jiān)測原理 2311279_WPSOffice_Level25.2軟件平臺中裂縫監(jiān)測的應用 2316268_WPSOffice_Level35.2.1計算模塊 23490_WPSOffice_Level35.2.2實現數據可視化 2415291_WPSOffice_Level25.3橋梁裂縫監(jiān)測 2525913_WPSOffice_Level25.4系統(tǒng)試驗驗證 265855_WPSOffice_Level35.4.1裂縫預測試驗 267869_WPSOffice_Level35.4.2裂縫寬度監(jiān)測試驗 2831523_WPSOffice_Level1第六章基于機器視覺的位移自動監(jiān)測的設計與應用 3127297_WPSOffice_Level26.1位移監(jiān)測原理 3111274_WPSOffice_Level26.2位移監(jiān)測在軟件平臺的應用 327763_WPSOffice_Level36.2.1計算模塊的實現 3212635_WPSOffice_Level36.2.2可視化模塊的實現 3321069_WPSOffice_Level26.3橋梁位移監(jiān)測方案 346259_WPSOffice_Level1總結 376259_WPSOffice_Level1致謝 3914011_WPSOffice_Level1參考文獻 40第一章緒論1.1研究的背景和意義伴隨著最近幾十年國民經濟的快速增長，當前我國橋梁工程建設已經逐漸步入了較為成熟的時期，國內多個地區(qū)建設了較多的橋梁，在2007年我國建設了主跨度長達1650m的西堠門大橋，作為懸索橋梁在當前世界中其總長度處于第二位，在2009年建造了橋梁跨徑為552m的朝天門大橋，在當前世界范圍內屬于長度第一的拱橋，而在2010年期間建設完成了跨度長達1088m的蘇通大橋，在世界范圍當中屬于跨徑最大的斜拉橋，這些新式橋梁的出現主要是由于我國多年所積累的橋梁建筑經驗以及對橋梁的不斷研究而形成，為了提高橋梁的建造技術，需要采用大量的反饋性數據進一步實現建筑技術的提高，同時橋梁在長期使用過程中由于各種事故以及荷載效應，自然環(huán)境的侵蝕作用等都對橋梁造成了一定的損傷，使得橋梁建筑的耐久能力和承載能力都有所降低，同時如果橋梁在長期的使用過程中由于老化和事故等原因也容易造成橋梁的破壞和倒塌，如下圖1.1所示，在2009年期間位于湖南省紅旗路的橋梁發(fā)生倒塌破壞，而在2011年起降孔雀河大橋發(fā)生了吊桿斷裂破壞，進一步使得橋面發(fā)生坍塌。造成這些事故主要不但對人們的生命安全造成了威脅，同時也對當地造成了一定的經濟損失，事故發(fā)生的原因主要是由于橋梁在長期使用過程中由于老化及事故等原因所造成的損失，同時相關的監(jiān)測工作也存在問題，沒有對橋梁運行狀態(tài)進行及時的調整及反饋，綜上所述，在日常生活中對橋梁進行監(jiān)測同時對其承載能力進行評估，保證橋梁正常運行具有重要的價值。圖1.1橋梁事故現場圖片對于橋梁的監(jiān)測傳統(tǒng)方法一般選用接觸式測量，對于橋梁損傷的數據需要在現場進行，缺乏必要的自動化技術。隨著近幾年來人們對傳感技術以及數據傳輸等技術的重視，使得當前出現了一系列以計算機為主要平臺，以無損監(jiān)測技術為核心的監(jiān)測系統(tǒng)開始盛行，在這其中機器視覺技術是一種較為新型的光學測量方法，它的主要操作方式是利用圖像傳感器實現現場圖像的采集，在這個過程中通過所監(jiān)測的圖像信息對橋梁的變形特征等參數進行識別，其全部的操作過程具有全面，高效，穩(wěn)定以及無損的特點，實現了采集過程的簡單化，滿足了測量精度的需求，當前在國內一些橋梁建筑當中廣泛使用。機器視覺技術在橋架監(jiān)測當中的應用尚未實現普及，該技術在橋架監(jiān)測系統(tǒng)中的應用可以實現成本的降低，以此具有較高的經濟性。同時隨著無線傳感器以及無線視頻技術的應用，橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)也逐漸擺脫了環(huán)境的限制，以此確保無線監(jiān)測系統(tǒng)的實現。圖1.2望遠鏡人工監(jiān)測圖1.3搭設支架監(jiān)測圖1.4桁架式橋梁監(jiān)測車圖1.5吊籃式橋梁監(jiān)測車1.2基于機器視覺的健康監(jiān)測技術研究現狀機器視覺技術利用攝像設備將監(jiān)測的橋梁轉換為圖像進行呈現，同時通過系統(tǒng)中的圖像處理等系統(tǒng)將其中的像素信息轉換為數字化的信號，在這個過程當中通過相關技術獲取監(jiān)測橋梁的損傷特征，例如其中橋梁的長度，信息以及數量等，在機器視覺技術當中圖像的處理技術對其應用具有一定的應用價值，從而擴大了機器視覺的應用范圍。國外機器視覺在工程建設當中的應用時間相對較早，同時在橋梁的變形等方面國外學者Bales運用相機對連續(xù)的鋼橋進行進行了位移監(jiān)測，其數據與傳統(tǒng)性數據較為接近，國外學者Olaszek提出利用計算機平臺進行攝影技術，同時通過對橋梁標識點的拍攝獲取橋梁的位移數據，在2002年期間，國外學者A.Cuhadar采用小波變換的技術實現了對背景以及裂縫的分割，2009年期間美國的著名學者NikhilKatakam通過將裂縫分塊的方式對其中的子塊進行了細化與分割，以此獲得相關裂縫數據。較之于國外，我國在橋梁監(jiān)測當中對機器視覺的應用起步相對較晚，近幾年國內建筑企業(yè)對其較為重視，因此得到了快速的發(fā)展，哈爾濱工業(yè)大學的學者單寶華采用相機對鋼結構的位移進行了監(jiān)測，而國內學者陳俊達使用使用雙相機的方式實現了對橋梁節(jié)點應變的監(jiān)測。在橋梁裂縫的監(jiān)測方面，國內學者王靜通過圖像的處理技術實現了對橋梁裂縫的監(jiān)測，同時為了驗證其精確性，采用了實驗驗證的方式，曾燕華采用機器視覺技術實現了對橋梁表面缺陷的監(jiān)測。學者張國旗針對橋梁裂縫問題設計了一套較為先進的圖像處理技術，同時采用試驗的方式對其進行了驗證處理。1.3研究的主要內容本次研究當中基于計算機技術為平臺的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)有效彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測方式的不足，該系統(tǒng)具有數據實時分析以及遠程傳輸等優(yōu)勢，在實際工程當中利用該系統(tǒng)的成像原理實現了對橋梁的監(jiān)測，同時對橋梁長期使用過程中所出現的應變，裂縫等問題進行了監(jiān)測，由于橋梁老化或者事故等原因所造成的病害其環(huán)境以及形態(tài)特征等存在一定程度的區(qū)別，所以該系統(tǒng)這對不同的病害其監(jiān)測驗算方式各有不同。本次研究當中針對橋梁病害情況分別分析敘述了視覺技術的應用方式，同時針對不同的病害提出了相關的監(jiān)測算法，在研究中對于橋梁的不同病害形式分別闡述了該系統(tǒng)的計算模塊所實現的圖像預覽技術，對計算區(qū)域的選擇以及實時的計算等技術優(yōu)勢。針對橋梁實際監(jiān)測問題完成了方案的設計，同時對橋梁的全場應變監(jiān)測等問題進行了解決，對于橋梁當中主要裂縫的監(jiān)測問題以及變焦距和振動影響等問題提出了合理的解決方案。

第二章典型橋梁監(jiān)測類型的不足2.1橋梁應變監(jiān)測的不足對于橋梁工程而言其主要的受力部位包括有主梁，橋墩以及懸索等部位，其主要受力部位的應力分布可以實現對橋梁健康狀況的切實反應，所以針對這些關鍵節(jié)點位置處進行應力監(jiān)測具有十分重要的意義。在橋梁監(jiān)測系統(tǒng)當中一般使用壓力傳感器以及應變片等實現對橋梁結構的應力監(jiān)測。應變片最早開始在二戰(zhàn)時期應用與監(jiān)測中，本身的應力測量技術相對成熟，但是由于其具有橫切效應所以在目前已經不再應用。當前工程應力監(jiān)測當中較常使用的為箔類應變片，這種應變片本身信號較為薄弱，同時受到電磁場以及環(huán)境溫度的影響較大，從而在實際使用過程中要求將儀器進行現場的標定及調零。由于儀器本身較為復雜且測量精度不高等原因，當前僅在施工驗收過程中作為參考使用，難以在長時間的監(jiān)測中進行使用。在工程中所使用的傳感器為振弦類傳感器，本身具有穩(wěn)定性較好以及耐久性較好的特點。但是這種傳感器的使用壽命一般為一年，使用過程中會隨著鋼弦的逐漸松弛而失效。為了解決使用周期較短的問題，國外將之前螺釘固定的方式采用焊接固定進行替換，但是這種方式會造成成本的升高，同時由于儀器零件的伸縮變化以及鋼弦的松弛等同樣也會使得傳感器老化，最終由于性能的降低導致其失效，并不適合在長期監(jiān)測當中使用。目前國內外使用較多的是光纖傳感器，這種傳感器本身較為安全穩(wěn)定，同時具備較強的抗電磁作用，具有較高的靈敏度而且傳輸距離相對較遠，但是相應的光纖傳感器由于材料脆性較大所以容易造成彎折，而較小的彎曲半徑同樣會使得光纖泄露進而影響其信號功率，我國在橋梁監(jiān)測工程方面使用光纖技術相對較晚，同時該技術的提升空間相對較大，由此導致監(jiān)測成本較高。2.2橋梁裂縫監(jiān)測的不足橋梁的裂縫問題是當前橋梁病害處理研究當中的重要問題，由于受到環(huán)境以及荷載因素的影響，所以橋梁的橋身容易出現裂縫，同時隨著橋梁的不斷使用，橋身的裂縫會不斷進行擴展，當其裂縫的寬度達到一定程度后會導致橋梁破壞，當前對橋梁進行裂縫監(jiān)測主要是通過一些較為智能的設備以及人眼完成，通過肉眼對橋梁當中的裂縫進行觀察并且記錄，這種方式本身具有較強的靈活性，同時較為簡便，可以實現在不同環(huán)境條件下的監(jiān)測，同時當前采用人工方式進行監(jiān)測的同時也配備了大量的輔助性設備，例如望遠鏡以及橋梁的監(jiān)測車等。這些方式在某種程度上雖然使得橋梁監(jiān)測實現了提高，但是總體而言當前橋梁監(jiān)測仍然存在著效率較低，精度較差以及難以進行實時監(jiān)測的問題。但是當前為了節(jié)約成本，仍然采用上述方式進行監(jiān)測。當前所使用的一些智能化橋梁裂縫監(jiān)測設備本身具有具有一定的局限性，例如裂縫監(jiān)測儀雖然操作過程較為簡便，但是需要采用人工的方式確定其裂縫位置，而沖擊彈性波法雖然對橋梁內部所存在的裂縫深度具有監(jiān)測作用，但是這僅限于其表面的單條裂縫，而聲發(fā)射的方法一般僅僅只能針對于動態(tài)裂縫進行監(jiān)測，采用埋設傳感器的方法進行監(jiān)測一般容易產生誤差和遺漏的情況，而神經脈絡的監(jiān)測方法是通過在橋梁當中布設導線網的方式實現對橋梁裂縫的監(jiān)測，采用這種方法可以實現對橋梁裂縫的長期監(jiān)測，同時本身具有相對良好的經濟性，但是這種方式所采用的布設方法較為復雜并且難以循環(huán)利用，難以對裂縫的深度以及寬度等進行監(jiān)測。。2.3橋梁位移及索力監(jiān)測的不足橋梁結構在動荷載作用下其受力性能，幾何線型以及結構本身的動力特性在一定程度上都發(fā)生了改變,這同時也對橋梁建筑的整體受力情況產生了一定的影響，是橋梁本身健康狀況的重要判斷標準，橋梁建筑發(fā)生幾何變形的部位一般是在其主要的受力區(qū)域當中，包括有橋拱及橋塔的軸線，橋梁當中主梁的撓度等，在上述位置的位移一般采用位移計，測距計等設備進行監(jiān)測，傳統(tǒng)的位移監(jiān)測方式雖然也可以確保數據的可靠性，但是監(jiān)測過程長所耗費的時間較長，而且勞動強度較高，作為新型測量儀器，全站儀可以通過與其他設備相連實現對橋梁位移的實時監(jiān)測，但是這種監(jiān)測設備缺點在于容易受到氣象條件的影響，其內部的GPS設備主要是通過無線信號實現對于距離的測量，但是這種設備并不適合在跨徑相對較小的橋梁建筑當中使用，而且設備本身具有較高的價錢，在深山當中使用容易造成信號的遮擋，在一定程度上會影響設備的監(jiān)測精度。橋梁建筑在使用過程中其主要的受力構件包括有橋梁的主纜以及拉索等，橋梁拉索由于本身老化以及腐蝕等原因容易在正常使用當中因損害發(fā)生松弛現象，拉索本身作為橋梁的重要構件其破壞容易導致橋梁發(fā)生倒塌事故，在拉索產生一定的損傷之后會出現內力重分布的情況，基于此也會產生一定程度的撓度變形進而影響橋梁健康狀況。當前橋梁監(jiān)測系統(tǒng)當中針對于索力構件的監(jiān)測一般采用下述幾種方式。其一是壓力表的測試方法，該方法一般適用于施工過程中，本身測量精度一般，對于運營當中的橋梁建筑難以進行監(jiān)測，第二種方法是壓力傳感器測試法，這種方法可以承擔長期的測量任務，但是本身價格相對高昂，由于自身較重等原因使用并不簡便，同時設備在使用過程中消耗時間較長，會產生較大的勞動強度。第三種方法是頻率法，這種監(jiān)測方法是將傳感器在拉索上面進行附著，同時利用索力和自震頻率之間的關聯性得到索力數值，這種方式適合于對索力的長期監(jiān)測，同時本身消耗較低，操作較為簡單。。

第三章基于機器視覺的橋梁監(jiān)測基本技術方法與算法橋梁監(jiān)測技術作為國內外學者的重要研究方向，從早期的人工監(jiān)測到無損監(jiān)測，一直到當前的智能化監(jiān)測發(fā)展過程中人們不斷的發(fā)現問題，同時提出切實可行的研究方法。目前基于機器視覺技術所形成的監(jiān)測系統(tǒng)主要是依托計算機技術作為平臺，針對CCD相機所獲取的橋梁圖片在進行處理之后對其裂縫圖像進行識別，這種方式的優(yōu)勢在于靈活性相對較好，監(jiān)測數據更為直觀和精確，可以排除其他因素的干擾。當前機器視覺的監(jiān)測方式逐漸被人們所重視，它的主要目的是采用機器智能的方式代替人工，對橋梁實行較低成本以及較遠距離的監(jiān)測，據當前的統(tǒng)計是數據可以了解到，當前混凝土橋梁所產生的裂縫其中90%以上的損壞是由于裂縫的原因造成，因此對橋梁的監(jiān)測重點是對其裂縫的監(jiān)測。當前橋梁建筑的機器視覺監(jiān)測系統(tǒng)主要由兩個個部分所組成，分別是橋梁表觀圖像的獲取，基于相關理論及算法對圖像的病害程度進行測量量化。3.1橋梁表觀機器視覺的獲取技術橋梁建筑不同于道路具有相對較開闊的視野，橋梁的主要受力部件位于線路下方，本身具有一定的隱蔽性，在監(jiān)測過程中容易被橋墩所阻礙，同時橋梁結構不但具有低空性的結構構件，而且具有橋塔和主拱類的高聳性構件，就其受力構件的外形而言，具有錨碇等塊狀構件同時還有拉索類的線狀構件，所以想獲取其較為完整的橋梁表觀圖像本身具有較大難度。所以相關研究人員根據不同構件的監(jiān)測需求開發(fā)了多種表觀圖像的獲取技術，如下表3.1所示。表3.1橋梁表觀圖像獲取技術匯總圖像獲取設備搭載平臺精度及效果光照及拍攝要求試驗及工程應用相關局限性數碼相機+天文望遠鏡非接觸監(jiān)測儀100m/50m距離上測量精度為0.05mm/0.02mm人工補光，編號有序拍照南京長江三橋的損傷監(jiān)測等一般無法監(jiān)測橋塔側面，存在盲區(qū)普通CCD攝像機機器人移動平臺可以保證0.1mm的測量精度拍攝距離69mm以內僅是構想，無實際應用將橋檢車的機械臂進行改造，還存在許多實際問題長焦距鏡頭的相機不確定拍攝圖片可以滿足工程測量誤差范圍閃光燈配合相機拍攝，拍攝距離20m以內從橋梁獲取96張裂縫圖片進行試驗高聳構件、支座等結構均無法獲取，監(jiān)測范圍有限高清攝像頭爬壁機器人可以分辨寬度為0.2mm的裂縫外加照明源，能跨越5mm凸起以及2cm縫隙在南京長江二橋等現場進行評估速度慢，續(xù)航時間有限，只能在單一平面內進行監(jiān)測全向攝像機四旋翼飛行器可以發(fā)現0.2mm以上的裂縫、露筋等病害飛行器在距橋底15~25cm處懸停進行拍照有實際工程應用續(xù)航時間有限，有安全隱患不建議監(jiān)測橋面上結構從上表當中的相關數據可以了解到，當前在實際工程當中得以運用的設備主要包括爬壁機器人，飛行器以及非接觸的儀器。以下主要針對這三種技術進行分析介紹。3.1.1非接觸監(jiān)測儀圖3.1所示的非接觸監(jiān)測儀由解放軍理工大學開發(fā),他們最先在國內開發(fā)了該產品，主要用于橋梁的梁體、橋塔、錨室以及大型洞庫的視頻圖像獲取及監(jiān)測，它能夠適應多種橋梁結構與環(huán)境的監(jiān)測要求，整套儀器攜帶方便,拆裝簡單,現場作業(yè)量小，后期處理直觀,測量結果精度高，工作距離可以達到100m。最近武漢大學也開發(fā)出類似的產品,如HTQF-X非接觸橋梁監(jiān)測儀2,盡管測量精度達到了0.02mm,但是工作距離只在50m以內。圖3.1非接觸監(jiān)測儀3.1.2

爬壁機器人國內的相關大學例如哈爾濱工業(yè)大學，南京理工大學等都對爬壁機器人進行了較為深入的研究，由于爬壁機器人具有重量較輕以及體積較小的特點，其本身具有相對較高的工作效率，機器人本身的機動性能相對較強，可以在一些相對較為狹窄的空間當中運行，例如橋梁建筑當中的支座處等，可以實現連續(xù)的監(jiān)測，而南京理工大學所發(fā)明的爬壁式機器人對于實際的橋塔類構件進行了測試，它在平整面上可以保持12m/min的移動速度，同時可以保證所傳輸的圖像較為穩(wěn)定清晰，可以滿足當前橋梁的監(jiān)測技術需求。圖3.2爬壁機器人監(jiān)測圖3.3日本磁吸式機器人3.1.3四旋翼飛行器隨著傳感技術以及飛行技術的不斷發(fā)展，當前我國對于四旋翼飛行器進行了較為深入的研究，其中包括日本利用無人機對于橋塔等高空構件進行監(jiān)測，例如武漢理工大學利用無人機設備對橋梁的側面以及底面進行監(jiān)測，四旋翼飛行器本身具有相對簡單的結構及良好的操控性能，可以在小區(qū)內進行盤飛和著陸，通過在飛行器上面安裝測距儀器以及攝像頭等可以對監(jiān)測目標進行近距離監(jiān)測。同時該飛行器具有拍攝圖像，頂點懸停以及將其傳送至地面站進行圖像處理的能力，當前我國武漢大學所研究的四旋翼飛行器的飛行高度可以達到250m，并且實現了距離目標位置15cm進行監(jiān)測和拍照。圖3.4四旋翼飛行器監(jiān)測雖然上述三種方法均已成功應用于工程實際，并取得了一定的成果,但由于實際工程問題的復雜性,為了獲取更精確結果,目前較為常用的方法是結合兩種或多種獲取技術以得到完整的高質量橋梁表觀圖像。如何使用單一技術獲取遠距離、高質量、無盲區(qū)的橋梁表觀圖像技術仍需進一步研究。3.2基于圖像的裂縫自動識別理論與算法基于圖像的裂縫識別其中共包括兩個部分，分別是圖像的預處理以及裂縫的提取，其中圖像的預處理包括有圖像的壓縮，去噪以及增強等。其中對圖像進行壓縮是為了實現對速度的加快以及減小其內存，而對圖像進行去噪處理主要是為了對成像過程中所產生的干擾噪聲盡心消除，從而突出裂縫目標，進而使得裂縫的提取更為精確，當前圖像去噪所采用的方法一般包括有自適應濾波去噪，中值濾波去噪等方法，圖像的增強是指對圖像當中人們較為關注的信息進行圖像突出，主要是為了使得圖像中物體特征之間差異更為明顯化，例如對圖像中所存在的高頻分量進行強化，從而促使圖像所展項的物體具有相對清晰的輪廓，當前圖像增強當中最為常用的方法是灰度直方圖。圖像經過預處理之后可以較為清晰的對裂縫進行觀測，但是尚且需要對裂縫進行提取實現機器識別，當前基于機器視覺的裂縫識別方法一般在隧道以及道路當中使用較為廣泛，針對橋梁方面雖然研究較多但是在應用方面尚且沒有實現普及，當前最為常用的裂縫自動識別方法包括有閾值分割法，種子游走算法以及邊緣的監(jiān)測方法等。3.2.1閾值分割識別算法閾值分割法的主要技術依據是背景以及裂縫的灰度范圍存在一定程度的不同，相對的背景灰度較大而裂縫的灰度值相對較小，所以可以將兩者進行分離，而將裂縫作為分析測量進行提取，當前較為常用的方法主要包括有自適應法，全局法以及局部法。閾值分割法一般子在光照較為均勻以及背景灰度相對一致的圖像當中使用，這種方法難以對特征較為相似的劃痕以及水跡等進行精確區(qū)分，同時對于在空中暴露的帶有修補痕跡和水跡的結構并不適用。3.2.2邊緣監(jiān)測識別算法橋梁混凝土裂縫本身具有一定的邊緣性特征，所以其裂縫的灰度具有一定的階躍現象，相對而言背景的灰度具有變化較為緩慢以及梯度相對較小的特點，所以可以通過邊緣監(jiān)測方式對裂縫進行識別。利用這種思路人們設計了多種算子，例如包括有梯度算子，監(jiān)測算子和Canny算子等。其中梯度算子屬于一階的微分算子方式，這種算子方式的特點是對于噪聲較為敏感，適合在邊緣較為尖銳，同時噪音相對較小的環(huán)境內使用。其缺點在于這種算子方式僅只有垂直方向和水平方向兩個模板，并不適合于對裂縫進行監(jiān)測。Canny算子在幾種算子當中具有較為良好的效果，同時適合在具有較高噪聲的圖像當中使用，但是也因此容易對邊緣性的信息進行忽略，可以對這種算子方式及性能優(yōu)化改進，以便取得較為優(yōu)良的裂縫提取效果，Canny算子在隧道的監(jiān)測以及路面監(jiān)測等工程實例當中具有較多的應用，可以將其在橋梁監(jiān)測當中使用。3.2.3區(qū)域生長種子游走算法對圖像進行分割主要是將圖像進行劃分，使其處于不同區(qū)域當中，基于這種技術所產生的種子游走算法是一種對區(qū)域進行尋找的分割技術，這種技術的工作原理是將事先進行定義過的像素以及子區(qū)域等進行聚合，使其可以合并形成更大的區(qū)域，這種方法的開端是種子點，按照一定的規(guī)則進行游走的過程中將與其性質較為相似的相鄰點之間的像素添加到種子上面，以此可以得到裂縫點的具體位置，根據種子點的特征對圖像中是否存在裂縫進行判斷，這種技術在實際應用中主要是對橋梁混凝土進行監(jiān)測，由于材料本身存在凸凹性所以具有較多的空隙，這就導致了由于監(jiān)測過程中噪聲的干擾所以無法確保裂縫的精確性，基于此并不適用于裂縫的監(jiān)測。3.2.4基于頻域的裂縫識別方法利用圖像中包括的裂縫目標、背景以及各種噪聲所屬的頻域等特征值不同而進行識別，具體情況如表3.2所示。

基于頻域的裂縫識別方法主要是用高通濾波器、低通濾波器和小波變換對圖像進行操作。高通濾波器是提取信號的高頻部分，保留了圖像的細節(jié);低通濾波器是去除高頻信號,保留信號的低頻部分,有平滑濾波的效果;而離散小波變換可以表示由高通濾波器和低通濾波器兩部分組成。由于在實際橋梁裂縫圖片中干擾噪聲較多,其所屬頻域范圍有交叉重疊現象,因此并不能很好地將裂縫從背景中提取出來，所以在橋梁裂縫監(jiān)測中應用很少。表3.2裂縫圖像中各部分信息對比裂縫邊緣高頻邊緣有高頻分量一般噪聲隨機高頻低幅值小波變換，放大低頻系數去除低幅值信號油漬、水跡等噪聲高頻高幅值小波變換，縮小高頻系數去除高幅值信號不均勻光照等噪聲低頻高幅值使用高通濾波器去除低頻信號3.2.5基于神經網絡的裂縫識別方法基于神經網絡實現對混凝土裂縫的識別需要進行大量訓練，其中包括有正負兩種樣本，進行計算機訓練主要是提高計算機對圖像當中裂縫的精準分析，神經網絡的構成主要包括有輸入層，隱含層以及輸出層，其工作特點是保證信息可以實現正向的傳播，同時使得錯誤信息可以反向進行傳播，其中不斷實現對網絡當中閾值以及權值的調整工作，促使網絡的實際輸出值接近于期望數值，以此保證監(jiān)測結果更為精確，該方法的具體過程如下圖3.5所示。圖3.5裂縫處理過程3.2.6基于圖像的裂縫寬度等病害程度定量化測量方法對橋梁進行裂縫監(jiān)測主要是為了確定裂縫的長度，寬度以及位置等數據，同時利用這些數據實現對橋梁質量的控制與評價，同時為橋梁的后期維護和管理工作提供數據資料，以此確保橋梁管理水平以及維護水平的提高。橋梁的表觀圖像通過一系列的預處理之后圖像會從計算機的角度得以強化使得計算機可以進行識別，而識別之后的結果主要是圖像當中的二維信息，所以需要對橋梁的病害程度進行量化，以此獲得裂縫的長度以及位置等數據，以便可以進一步的維護處理。對于裂縫位置的判斷當前最常使用的方法主要有對號入座法以及GPS定位的方法，由于橋梁本身的寬度相對較大所以在橋梁底部難以接收定位信號或者信號較為薄弱，并不符合實際的監(jiān)測需求，對號入座的方法主要是對橋梁當中的各種構件進行分類，按照一定的順序進行拍照編號處理，在條件允許范圍當中可以生成3D畫面同時就其病害部位進行監(jiān)測，便于之后進行管理及跟蹤。第四章基于機器視覺的應變自動監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用本章主要對橋梁中的主要受力構件包括有主梁和橋拱等部位進行根據相關算法進行介紹，同時對于監(jiān)測系統(tǒng)中的各模塊進行設計，以此完成對橋梁全場的自動監(jiān)測，同時提出橋梁應變監(jiān)測過程中的布設方案。采用該監(jiān)測系統(tǒng)可以有效獲取橋梁結構關鍵部位的形變量，同時根據對橋梁裂縫的預測對橋梁結構的健康狀況提供相對可靠的判斷標準。4.1應變測量在軟件平臺上的實現在監(jiān)測系統(tǒng)當中的登錄界面完成用戶名和密碼的輸入，同時選取全場應變作為監(jiān)測任務，按下登錄按鈕后調用監(jiān)測子程序，同時進入到可視化模塊當中進行編輯，登錄界面如下圖4.1所示。圖4.1橋梁施工全場應變啟動界面4.1.1計算模塊對于監(jiān)測系統(tǒng)所獲取的圖片進行實時性的計算，主要是在LABVIEW平臺的平臺上得以實現，系統(tǒng)的圖像計算法主要是利用了MATLAB中的M語言編程，在計算模塊LABVIEW當中完成圖像相關方法M程序的導入，在采用相關法的計算過程中首先對于圖片需要進行預處理，然后需要進行相關關系的運算以及利用小二乘算法通過擬合的方式得到位移函數。對其求導進行變形，整體過程如下圖4.2所示。圖4.2圖像相關計算過程4.1.2數據可視化模塊系統(tǒng)進行全場應變監(jiān)測的界面主要包括有橋梁的應變強度圖，實時性的目標圖片以及隨時間變化的特征點曲線圖。如下圖4.3所示。所觀測目標的實時圖片在面板當中實時顯示，在利用圖像相關算法進行計算之后得到了橋梁監(jiān)測過程中全場的應變數據，根據橋梁監(jiān)測過程中應變的最大值以及最小值確定顏色的映射表，同時采用循環(huán)性的語句將圖像劃分為網格，圖像本身是否精致由圖像網格的劃分所決定，網格中的應變值與顏色條相對應，在完成繪制之后強度圖應該按照圖片的保存格式放在指定位置，應便于LabVIEW隨時進行調取。LabVIEW利用函數完成平化像素圖的繪制，同時該函數本身具有保證圖片不失真的優(yōu)勢，本次監(jiān)測系統(tǒng)對其屬性節(jié)點進行調用，同時改變了它的長寬尺寸，使得圖片的尺寸可以與前面板相適應。監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁應變數據主要是根據像素點的位置進行保存，同時根據特征點的具體位置提取變形數據，將循環(huán)的變形數據在二維數組當中進行保存，可以獲取與時間相對應的變形的二維數組，這個二維數組主要是通過波形圖進行表現，也就是應力變形和時間關系的曲線，當其中發(fā)生應變數值大于危險數值的情況時，上部的報警燈開始發(fā)光，同時進行報警，發(fā)現危險位置處會快速將準確的數據傳遞至油箱當中，以便于進行及時處理。圖4.3全場應變監(jiān)控界面圖4.4強度圖顯示的后面板4.2橋梁應變監(jiān)測方案橋梁應變的監(jiān)測裝置安裝于應力較大部位處，這有利于顯示出本身的應變規(guī)律，同時完成橋梁健康狀態(tài)的判斷，本次研究中主要在橋梁的橋墩，主梁以及拱頂部位完成采集裝置的布設，受到攝像頭焦距的限制，在橋梁應變監(jiān)測時應該選取與監(jiān)測裝置較為接近的采集點，以保證可以獲取更高質量的圖像，同時在進行實際監(jiān)測時需要在目標位置完成懸臂鐵架的搭設，以使得各種拍照儀器可以固定在上方，應變監(jiān)測的目標以及應變數據的采集裝置可以通過連接形成一個整體，在進行振動時可以保證全場的精度不受太大影響。圖4.5應變監(jiān)測布設第五章基于機器視覺的裂縫自動監(jiān)測的設計與應用本章主要是針對于橋梁的橋墩，梁底等不適于長期進行裂縫監(jiān)測的部位進行系統(tǒng)開發(fā)。本章主要講解了采用圖像處理技術對裂縫進行監(jiān)測的原理，同時使用該原理完成了功能的編程，針對當前所監(jiān)測的對象進行了監(jiān)測方案的設計，最后用混凝土的壓縮試驗對該系統(tǒng)的裂縫監(jiān)測效果進行驗證。5.1基于圖像處理技術的裂縫監(jiān)測原理由于所監(jiān)測的混凝土裂縫實際所處背景更暗，所以依據這個特點可以將裂縫從圖像中進行提取，但是受到技術條件等因素的限制，所監(jiān)測的圖像中的裂縫與本身所處的背景之間并沒有明顯的界隔，所以在進行圖片采集之后需要對圖片進行一定的處理，以便實現背景與裂縫之間的分割，從而對已經分割出的裂縫尺寸進行計算。5.2軟件平臺中裂縫監(jiān)測的應用在登錄界面完成用戶名和密碼的輸入之后，選定裂縫監(jiān)測，然后進行登錄，在進入到系統(tǒng)裂縫監(jiān)測的程序之后對其中的可視化模塊以及計算模塊進行編輯處理，登錄界面如下圖5.1所示。圖5.1裂縫監(jiān)測啟動界面5.2.1計算模塊根據裂縫監(jiān)測過程中的圖像處理方式，利用軟件MATLAB完成編程過程，以此實現對于橋梁裂縫的監(jiān)測，該裂縫的監(jiān)測算法過程如下圖5.2所示。通過其中的函數公式實現拉伸，而后獲得閾值，通過函數對裂縫進行膨脹處理，為了促使圖像更為細化采用兩種函數相結合的方式，最終完成裂縫監(jiān)測面積以及長度數值的提取，在編輯工作完成之后將其導入監(jiān)測系統(tǒng)，進行后續(xù)計算。圖5.2圖像處理技術計算過程5.2.2實現數據可視化根據上述的計算流程完成計算可以獲得裂縫參數以及二值化的圖像，運用編程的方式使得數據實現可視化，其圖像的監(jiān)測結果如下圖5.3所示，在進行監(jiān)測時主要包括裂縫寬度與施加關系曲線圖，目標圖片以及二值化的圖片。其數據本身的調取方式與系統(tǒng)操作方式相一致。在所監(jiān)測的裂縫寬度中最大寬度值大于閾值時，此時監(jiān)控界面中會亮起警示燈，同時監(jiān)測系統(tǒng)會進行報警，最終將危險數據發(fā)送到管理人員的油箱當中，便于管理人員進行實時性的處理。圖5.3裂縫監(jiān)控界面5.3橋梁裂縫監(jiān)測本次所設計的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)主要是在不易監(jiān)測的位置進行使用，例如橋塔，橋梁底部以及橋墩等部位。為了對上述部位進行實時性且長期的監(jiān)測，在本次設計當中所選取的監(jiān)測方案為在需監(jiān)測部位完成電動導軌的搭設，同時驅動裝置采用步進電機。監(jiān)測時所產生的位移值是主要是通過電充信號進行體現。而位移的速度與頻率值直接相關，電動導軌主要在特定路線上面進行循環(huán)往復的運動，其導軌如下圖5.4所示。對于橋梁底部位置而言，由于其區(qū)域相對較大，可以在多個區(qū)域當中產生裂縫，所以為了進行全面的監(jiān)測需要在梁的底面位置進行移動以便實現圖片的采集。為了使得這種監(jiān)測方式得以實現，可以采用工形組裝方式完成導軌的組裝，同時將圖像的采集工具在主梁底面的滑板上進行固定，縱向導軌與橫向直線導軌進行彼此固定，滑板在縱向導軌上進行運動時橫向導軌上部的滑板同樣進行滑動，同時按照一定的順序進行往復性運動。采用這種方式可以完成對橋梁底部裂縫的全面采集。對于墩柱等構件可以采用圓形導軌的方式，與上述方法類型將采集裝置固定在導軌滑板上面實現對裂縫的采集，具體如下圖5.5所示。圖5.4直線導軌與環(huán)形導軌圖5.5裂縫采集系統(tǒng)在橋梁上布置規(guī)劃5.4系統(tǒng)試驗驗證5.4.1裂縫預測試驗橋梁結構在長期的使用過程中由于受到荷載作用的影響容易導致其上部的混凝土結構出現裂縫，這會對于橋梁的使用安全性產生一定的威脅，本系統(tǒng)所建立的應變子系統(tǒng)可以對裂縫的發(fā)展進行預測，以便及時對可能發(fā)生裂縫的部位進行加固處理。本次設計中所進行的實驗主要是采用拉伸機對長度和厚度固定的混凝土塊進行壓縮處理，同時采用監(jiān)測模塊完成對混凝土塊裂縫數據的采集。本次設計的實驗裝置如下圖5.6所示。在進行試驗前應該先捕捉圖片然后選定需要計算的范圍及點，如下圖5.7所示。圖5.6試驗現場圖5.7選擇計算區(qū)域在混凝土塊的整體監(jiān)測過程當中，初期整體變形相對均勻，主要是上端及下端具有較大變形，而在此過程當中端部的邊緣位置會出現破損的現象，同時隨著不斷的加載左邊出現變形，如下圖5.9所示此時混凝土塊的變形呈柱狀，同時柱子的兩邊出現有裂縫的情況，隨著其不斷發(fā)生擴展最終出現破壞的現象。裂縫所在的區(qū)域在變形圖中屬于具有較大變形的區(qū)域，同時由于應力集中作用該區(qū)域當中的形變量會明顯大于其他地區(qū)，在到達一定強度之后隨之出現裂縫。根據上述內容可以了解到裂縫發(fā)生位置可以通過變形圖中的應力集中區(qū)域進行判斷，如果橋梁的重要受力構件對于裂縫具有較高要求，則應該設置閾值報警。（a）第十張（b）第二十張（c）第三十張（d）第四十張圖5.8監(jiān)測過程圖5.9混凝土破壞塊5.4.2裂縫寬度監(jiān)測試驗橋梁結構在工作過程中可以帶有裂縫，但是如果上部的裂縫寬度到達一定程度之后則會對橋梁的正常工作產生影響。因此需要對橋梁裂縫采取實時監(jiān)測的方式，而其裂縫監(jiān)測的主要方式是混凝土的形變量。本次試驗過程中對混凝土進行加載，然后直到其最終發(fā)生破壞。在這個過程當中對所監(jiān)測的混凝土裂縫的寬度及擴展情況及時查看，以此對該系統(tǒng)的實際性能進行驗證。根據混凝土裂縫變形圖可以預測其裂縫的具體位置，以便使得計算范圍得以縮小。在進行監(jiān)測之前應該對需要計算的范圍進行確定，該操作過程如下圖5.10所示。圖5.10選擇計算區(qū)域（a）第三張（b）第六張（c）第九張（d）第十二張圖5.11監(jiān)測過程上圖5.11中表示混凝土裂縫擴展過程中的實時變化圖片，根據上圖內容可以對混凝土裂縫的張開情況進行觀察，上圖包括了混凝土裂縫的所有信息，根據圖像當中的坐標值可以對裂縫情況進行了解，根據像素中的坐標信息與真實的尺寸進行對比，同時完成黑色部分長度與面積的提取可以計算出混凝土裂縫寬度的平均值，而在系統(tǒng)的輸出端可以實現實時裂縫寬度的輸出，上圖中的曲線變化代表隨時間改變裂縫寬度的變化量，同時根據該曲線可以了解裂縫寬度的發(fā)展趨勢及速度，例如上圖5.11當中前8次裂縫的寬度相對發(fā)展較為平緩，而在之后的4次當中裂縫發(fā)展速度相對較快，此時混凝土試件處于相對危險當中，達到標定的閾值后警示燈亮起，同時會將混凝土裂縫的數據創(chuàng)送至適當的郵箱當中。以本次試驗為粒，在一定程度上可以說明系統(tǒng)可以對混凝土的裂縫信息進行實時的上傳，這同時也有助于監(jiān)測人員對橋梁結構的可能產生裂縫的部位進行預測，防止由此所產生的損失。第六章基于機器視覺的位移自動監(jiān)測設計與應用本章主要是將監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁遠距離監(jiān)測目標中的應用，由于激光具有相對較好的方向性以及發(fā)散度，同時本身的照射距離相對較遠，所以在監(jiān)測領域當中較為廣泛的進行使用，所以本章主要是通過機器視覺系統(tǒng)與激光相結合用以解決遠距離測量的問題。6.1位移監(jiān)測的主要原理本次系統(tǒng)采用激光斑點作為監(jiān)測過程中的參考點，同時對于目標位移的監(jiān)測主要是對不同時期形心光班坐標的監(jiān)測。通過對光斑中心位置的提取可以通過較為合適的閾值將圖像進行二值化。例如下圖6.1所示，為了消除實際環(huán)境當中光線明暗所造成的影響，在本次設計當中采用閾值的方法進行二值分割，其基本的位移監(jiān)測原理與前述章節(jié)中的裂縫分割原理相一致。圖6.1標志點與背景分割對于目標物位移的變化量應該通過光斑質心處坐標變化值的計算得出，由于中心法計算速度相對較快同時本身算法也較為簡單，所以在光照條件較為均勻的條件下具有相對較好的效果，借助于加權中心法通過前后坐標差可以獲取目標點的位移值，同時通過對每個時間段內目標位移的計算可以獲得相關的過程曲線。6.2軟件平臺中位移監(jiān)測的應用在登錄界面當中輸入用戶名及密碼，然后在監(jiān)測方向欄中選擇位移監(jiān)測，點擊登錄按鈕之后可以進入子程序的編輯模塊當中，登錄界面如下圖6.2所示。圖6.2索力監(jiān)測啟動界面6.2.1計算模塊通過對上述原理的應用本次研究當中選擇使用MATLAB編程用以位移進行計算，所使用的計算方法為多光斑定位算法。首先需要將監(jiān)測的圖片進行導入然后進行圖片的預處理，而后通過運用閾值法將圖像二值化處理。最后采用循環(huán)計算的方法求算出位于的數值，并且借此獲得位移的時程曲線值。然后通過頻譜曲線中的頻率值求得索力，這種計算方法其流程如下圖6.3所示，最終可以將編輯之后的M程序導入至計算模塊當中。圖6.3頻率法計算索力過程6.2.2可視化模塊圖6.4索力監(jiān)控界面按照相應的計算流程分別可以得到目標振動位移，頻率，索力等，在監(jiān)測面板當中可以顯示出位移時程曲線，在獲取位移時程曲線之后可以按照所設定的步長值通過對位移時程曲線的截取，以便獲得頻譜曲線。頻譜曲線主要通過監(jiān)測板中的波形圖進行顯示，同時由于受到拉索測量的影響，在該時間段之內通過振動頻率，利用頻率相關的計算方法對該時間段內的索力進行計算，同時將索力與對應時間賦值所預定的二維數組在面板當中進行顯示。監(jiān)測系統(tǒng)的面板如下圖6.4所示，在獲取計算結果之后，監(jiān)測系統(tǒng)會進入到報警模塊當中，報警模塊主要采用報警的形式，在進行循環(huán)運行時監(jiān)測面板當中會對索力的閾值以及震動位移進行設定。同時將最后的結果發(fā)送至油箱當中，在進行監(jiān)測時循環(huán)當中的索力值及位移值會超過閾值，此時監(jiān)測系統(tǒng)會進行報警處理，同時將危險的數據發(fā)送至郵箱當中，以便于監(jiān)測人員可以進行及時處理。6.3橋梁位移監(jiān)測圖6.5位移監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁上的布置方案橋梁在實際的使用過程當真由于受到車輛等移動荷載的作用會產生一定的震動，由此會對橋梁的性能產生一定的影響。其中對車輛安全構成影響的主要因素在于橋梁因震動所產生的位移，拉索的拉力以及橋墩的沉降量等，針對這些受力部位的位移數值，在本次研究當中設計了如下圖6.5的方案用以實現對橋梁的位移監(jiān)測。主要工作程序為首先在橋梁的頂部安裝布設激光發(fā)射器，設定其中間部分為已知距離，而后在橋梁定的橋面上進行靶標的布設，以促使激光在靶標上照射后出現兩個斑點，根據位移監(jiān)測的相關原理，對光斑的中心坐標進行追蹤最后獲得橋梁的實際位移值，通過兩個斑點之間坐標與實際距離之間的比值作為距離的換算比例，同時為了對拉索進行監(jiān)測應該在橋梁的中間位置布設監(jiān)測點，在上面安置采集裝置以及標靶，通過拉索的激光發(fā)射器根據其坐標變化值獲得位移時程曲線。在通過頻譜分析之后得出相應的頻率值，根據相關理論完成索力的計算。對于主梁位移的監(jiān)測主要是采用在梁底部布設激光發(fā)射器的方式，同時在橋梁的橋