基于图像序列的桥梁形变位移测量方法

摘要

桥梁形变监测是桥梁安全性评价的重要指标，越来越多地受到结构工程领域的广泛重视。随着人工智能的快速发展，图像测量法这种非接触、高精度、低成本的测量方式越来越被工程界所采纳。传统接触式测量方式具有一定的局限性，基于摄影测量的图像法操作简便，使用范围较广，适应性强。本文旨在研究基于图像序列的桥梁形变位移测量方法。该方法主要通过拍摄视频获取图像序列，通过提取图像ROI确定处理范围，利用AKAZE算法结合ORB算法进行特征点的检测与描述，通过双向FLANN算法进行特征匹配，利用PROSAC算法剔除误匹配，再利用本文提出的基于邻域特征点像素位移一致性方法获取形变点的最佳匹配结果和像素位移，并结合转换系数获取桥梁竖直方向的相对位移值。本论文的研究具有重要的理论意义和工程实用价值。 本论文的主要研究内容如下： 1、对桥梁图像序列的特点进行分析，提出基于重点区域(ROI)的图像处理方法，为实时处理桥梁视频图像提供切入点。以尺度空间基本理论为基础，重点分析AKAZE算法和ORB算法在特征检测与描述方面的优缺点：AKAZE算法性能优异，但计算复杂，需要高速硬件环境支持，适用于对运行效果要求较高的应用；ORB算法原理简单，计算速度快，能够在低速硬件环境下运行，适用于需要快速、实时处理的应用。结合图像序列快速、稳定处理的要求，提出AKAZE特征检测结合ORB描述符的方法。通过实验验证：本文提出的AKAZE检测结合ORB描述的方法，处理速度快，鲁棒性强。 2、FLANN 算法具有能够自动、快速、稳定匹配的优点，通过双向 FLANN 匹配方法，以牺牲少量时间来提高匹配的正确率。利用PROSAC算法进行误匹配剔除，弥补双向 FLANN 搜索匹配方法中多消耗的时间，进一步优化匹配方法。提出基于邻域特征点像素位移一致性的方法，利用该方法完全剔除误匹配，从而获取最佳匹配结果和监测点像素位移。通过实验验证，该匹配方法的处理速度快、正确率高、可靠性强。 3、对视差法原理进行扩展，利用桥梁自身结构获取图上距离到实际距离的转换系数。对非量测相机进行棋盘检校实验，得出相机的检校参数。在前文研究图像序列特征提取和特征匹配的基础上，提出基于图像序列的桥梁形变位移提取方法。实验结果表明：该方法具有较高的精度，较强的可靠性，较快的处理速度，能够实时处理桥梁视频图像。与传统的桥梁形变监测方法对比，本文方法不仅具操作简单、测量成本低、效率高、能够对监测点实现实时跟踪监测等优势，还可以实现多点同步测量，描绘整个桥梁的挠度曲线，为桥梁形变监测提供更多整体和细节的有效信息，有助于桥梁灾害检测和预警分析。 4、根据本文研究的图像处理算法，设计并编写了基于图像序列的桥梁形变检测系统。该系统能够自动实现高精度、快速的图像特征提取与匹配，获取桥梁在静态和动态下的位移量，对监测点进行位移跟踪；还可以实现多点同步测量，描绘桥梁整体挠度曲线。

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