基于相機組網測量的大型結構變形監測技術與應用

于起峰 關棒磊 胡彪 孫鵬舉 張躍強 尹義賀 尚洋

（1 國防科技大學空天科學學院，長沙 410073;2 圖像測量與視覺導航湖南省重點實驗室，長沙 410073;3 深圳大學 物理與光電工程學院，深圳 518060）

0 引言

攝像測量是形貌變形與運動測量的有效手段，是科學實驗、工程監測、自動化、導航制導等的重要方式與內容，具有高精度、非接觸、自動智能等優勢[1]。然而，與許多其他觀測手段一樣，攝像測量也存在觀測范圍或觀測物距與觀測分辨率及精度之間的固有矛盾，這在很大程度上限制了攝像測量的應用[2]。許多大型基礎設施，如橋梁、隧道、公路、鐵路等工程設施的高精度變形監測，通常采用應變片、全站儀等技術手段，時間和經濟成本較高，并且需要中斷這些設施的運營[1,3-7]。傳統的攝像測量系統構造方式無法解決上述觀測范圍與觀測精度之間的矛盾，測量范圍與測量精度之間的尺度跨度很難突破5 個數量級。

本文提出了相機組網這一類新的攝影測量構型方式，包括并聯相機網絡、位移傳遞串聯相機網絡、位姿傳遞串聯相機網絡、串并聯相機混合網絡、動聯相機網絡等攝像測量等新方法[8-11]。根據測量需求對相機進行組網觀測，能夠實現基于不穩定觀測平臺，對不通視觀測點、大范圍大量散布測點等運動變形的精密動態觀測，并突破了觀測范圍與測量精度之間的固有矛盾，測量范圍與測量精度間的尺度跨度達到了6 到7 個數量級。這相對于傳統的攝像測量做法是驚人的性能提升，大大拓展了攝像測量的能力和應用前景[8-9]。

1）橋梁大型結構變形監測需求與現狀

隨著越來越多的廣域基礎設施（橋梁、隧道、公路、鐵路等）的建設、運營以及接近預期壽命，其結構損傷、破壞甚至坍塌正變得日益頻繁[12]。這使得全面、及時、精確的監測位移和變形參數的需求尤為重要，不僅能在建設過程中確保質量和效率，還能通過結構力學分析和健康監測進行損傷和破壞預警，以防止災難性事故。然而，目前因為監測手段的限制，大范圍高精度的變形觀測常常在周期長、效率低、工作量大和測量成本高等問題中舉步維艱，這使得廣域基礎設施的全面及時的健康監測成為一個挑戰[13-15]。在結構位移的測量方法中，我們通常分為接觸式和非接觸式兩類，但由于技術原理、經濟性等因素，現有方法均難以滿足位移的多點同步、實時動態、精密測量的需求[16]。因此，現階段迫切需要發展實時精密的基礎設施結構位移監測新方法?；谟嬎銠C視覺的基礎設施結構位移監測方法因其眾多優點，如遠距離、非接觸、高精度等，越來越受到科研和工程人員的注重[17]。然而，它也存在著一些問題，例如像素分辨率不足、相機位置選擇等問題，這些都極大地限制了其在實際工程中的準確性、實時性、動態性與可行性[18]。因此，本文旨在解決上述問題，以推動基礎設施結構位移的實時精密監測技術發展。

2）風電葉片變形監測需求與現狀

風力發電作為一種清潔能源，其商業化應用已受到廣泛關注。其中，風電葉片是影響風力發電系統整體運行及能效的核心部件，其變形特性和穩定性對系統的運行有直接影響[19]。因此，對風電葉片的檢測與維護需求迫切，實現其安全健康監測對保障系統穩定運行，降低系統成本極為重要。目前，已有許多研究關注風電葉片的檢測技術，涌現出一些新的檢測方法。例如，通過數值模擬法研究風場脈動對風電設備的影響[20]；利用聲發射技術對葉片旋轉軸和齒輪箱進行狀態檢測，提前發現和分離故障信號,結合振動測試和頻域分析，診斷傳動軸和齒輪箱故障[20]]。然而，大型風力發電葉片的在線測量技術仍面臨挑戰[21-22]。例如，聲發射方法局限性大，只適用于生產環境下的檢測[23]；光纖光柵傳感器雖能進行在線檢測，但需預埋于生產過程中，不適用于已投入使用的葉片，且可能存在自身老化或損壞問題[24-25]。近年來，光學視頻測量技術發展迅速，通過高速相機和圖像相關算法，成功應用于獲取飛行器結構件表面應變片的空間坐標[26]，風電葉片的在線檢測設定了基礎[27]。

面對橋梁變形監測需求及存在的挑戰，相機網絡具有極大的優勢[28-30]。這種非接觸、無損的測量方式可實現大范圍、高精度的變形測量，長時間動態監測，且不要求基礎設施中斷運營[31]。本文將成功將其應用于大型橋梁的多測點變形和動態撓度測量，有效解決了相關國民經濟和國防建設中的困難問題[32]，針對風電葉片的觀測難題，本文提出的全局測量站和局部測量站組網觀測，能夠同時獲取風電葉片的全局運動和局部變形。

1 橋梁沉降變形監測

傳統路基沉降測量要求測量儀器安裝在穩定平臺的限制，本文提出了位移傳遞像機網絡攝像測量方法。該方法可同時測量得到路基沉降變化、俯仰變化以及旋轉變化，并可通過設計不同形式的位移傳遞鏈路和測量單元將該方法用于測量不同結構類型的橋梁變形，適用范圍廣[1,10]。

1.1 基本原理

針對大型橋梁等線狀結構特征以及存在的大尺度測量范圍和高精度測量要求，本研究提出了廣域基礎設施結構靜動態變形的相機組網測量方法。主要包括位移傳遞串聯相機網絡、并聯相機網絡、位姿傳遞串聯相機網絡、串并聯相機網絡和車載動聯相機網絡五類方法，可滿足橋梁等廣域基礎設施結構變形多點同步、實時動態、精密測量需求。

位移傳遞串聯相機網絡是將兩個相機尾對尾固定成雙頭相機測站，此時雙頭相機的位移和轉角具有一致性，形成固連約束；相鄰雙頭相機測站間放置多個測量點，成像于不同相機的同一測量點真實位移變化，形成同名標志約束。沿待測線狀結構長度方向布設多個雙頭相機測站，測站間由合作標志點連接，當存在兩個或兩個以上控制點或已知點時，基于上述約束在測量基站不穩定條件下實現結構大范圍時空多點高精度靜動態測量與監測。

并聯相機網絡針對橋面、邊坡等面狀結構特征，根據監測范圍在測量平臺上布置一個或多個測量相機看向待測結構，同時在平臺上布置兩個或多個校準相機看向基準控制點，基于首創的不穩定平臺的靜態基準轉換方法，確定相機坐標系Ci與平臺坐標系B的轉換關系，從而將Ci中的測量點位移變化轉換至基準控制點坐標系W下，實現不穩定平臺亞毫米級靜動態變形自校準測量，有效解決單一相機測量尺度與精度之間的固有矛盾。位姿傳遞串聯相機網絡針對高架橋轉彎段等不通視結構特征，用相機和標志物組合成傳遞站構造折線光路，通過靜態基準轉換方法，將傳遞站平臺坐標系B轉換至前一站相機坐標系C1下，傳遞站中的相機坐標系C2與B的位姿參數可預先標定得到，而實現C1與C2的坐標系統一，將空間任意區域柔性地聯系起來，測量不通視空間任意區域目標間相對位置、姿態及其變化等，有效解決不可通視點的變形測量問題。

串并聯相機網絡針對長大結構特征，實際工程中除了關注橋梁整體沉降或偏移外，橋梁斷面的收斂變形也是其結構狀態的重要指標。多個測站串聯傳遞位移、姿態，單個測站中相機并聯實現全場變形信息覆蓋，實現長距離大斷面基礎設施的時空雙維度高精度動態監測。

動聯相機網絡針對長大結構變形檢測需求，可將上述四類網絡放置在車載平臺上。以位移傳遞串聯相機網絡為例，將多像機系統固定在可移動的平臺上，單次巡測過程中，隨著平臺的連續移動，整個長大線狀工程結構的全局特征都會被采集到。為解決平臺運動問題，同樣構建固連約束和同名標志約束兩個基本約束，根據任意兩次巡測時采集到的特征點像素變化即可獲取結構各個特征點在兩次巡測時間間隔內的相對變形。

1.2 實驗

橋梁靜動態撓度監測是橋梁工程基礎性需求，本文以中國某一大跨度懸索橋多點靜動態撓度監測為例，論述所提出位移傳遞串聯相機網絡方法與系統的可行性與優越性。如圖1 所示，該懸索橋全長1038 米，在橋梁鋼箱梁內部布設了有雙頭相機測量與合作標志（棱鏡）組成的串聯相機鏈路，共10 個相機測站和33 個合作標志。其中，兩個主塔位置處的測點作為控制點，基于上述方法原理，可獲取橋梁43 個點位的實時動態位移量，實現橋梁靜動態撓度精細監測。圖2(a)首先給出了在橋梁1/4 跨、1/2 跨、3/4 跨的準靜態精度驗證結果，其中位移真值同樣由上述高精度位移臺提供，易得不同條件下，相機測量結果與位移臺真值吻合良好，差值優于1.0 mm。圖2(b)進一步對比了所提出的視覺測量系統（SCN-Dis）與徠卡全自動測量機器人（RTS）長期測量結果，易得兩者在變化趨勢上具有一致性，且能捕獲車輛載荷引起的撓度瞬時變化值。此外，與SCN-Dis相比，RTS 所得的撓度波動明顯更大，部分可達10 mm 的波動，這主要是因為RTS 是布置于橋梁上側，受大氣抖動影響明顯。需要注意的是，由于SCN-Dis 不需要布置于嚴格穩定的平臺，因此系統可以布置于主梁上，通過布設于鋼箱梁中，可有效避免大氣抖動、極端天氣等環境的影響，這在此體現了所提出SCN-Dis 的優越性，大幅擴展了視覺測量方法的使用場景和使用思路。

圖1 現場條件與監測方案Fig.1 Field conditions and monitoring scheme

圖2 撓度實驗Fig.2 Deflection experiment

最終，圖2(c)給出了重卡通過時所監測的橋梁全跨動態撓度響應特征，可以看到一個很明顯的正弦波形演化規律，這主要得益于上述43 個測點，可以為橋梁監測評估提供精細的幾何線形與動態響應數據。這是首次直接利用相機測得大跨度橋梁時空雙維度多點撓度動態響應結果，在千米級測量范圍實現柔性懸索橋全跨多點動態撓度壓毫米級測量精度。

2 風電葉片變形測量

傳統攝影測量方法難以滿足風電葉片健康檢測的需求，本文將相機網絡攝像測量方法應用在風電葉片的監測任務中。利用相機組網技術能夠實現對風電葉片這種大型結構的大尺度運動與大位移的全局測量以及小應變、裂紋損傷等微小尺度的高分辨率檢測，并且能夠完成這兩種極端對立條件下的同時在線測量，并對測量得到的葉片運動全局運動和局部影像形貌與變形參數。通過頻域和空間域等處理分析方法檢測、評估風電機組葉片的健康狀態，可應用于平臺晃動、海面等不穩定測量平臺對風電葉片和塔柱等運動耦合多目標在線三維測量。

2.1 基本原理

在工作時，將局部隨動測量站分別放置于全局測量站的附近,同時對同一風電葉片組網觀測，位置示意圖如圖3 所示。

圖3 風電葉片監測相機位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the position of wind turbine blade monitoring camera

全局運動測量站基于立體視覺原理，采用雙站形式測量風力機葉片的三維運動實驗中在風電葉片上制作若干個興趣點標志，通過全局站高速相機的獲取的圖像以及對圖像的測量分析，能夠獲得風電葉片的三維運動曲線。局部測量站通過跟蹤葉片不同位置的轉動拍攝葉片的局部損傷情況。通過圖像實時跟蹤算法控制隨動云臺跟蹤葉片不同局部的轉動，拍攝葉片不同區域在不同受力狀態下的高清晰度圖像。利用葉片上的紋理等特征點匹配，測量葉片局部在轉動過程中由于受力狀態變化而產生的相對變形，依據變形量的大小判別葉片局部結構的安全性。

2.2 實驗

全局運動測量站由兩個測量站和站間數據同步模塊組成，每個測量站由相機測量單元、姿態感知單元、測距單元、運動控制單元和數據處理單元組成。相機測量單元由一個高速CMOS 相機組成，最高分辨率為5120×5120 像素，滿幀條件下最高幀率為80fps，可根據不同的測量要求搭配25mm-500mm 的鏡頭，實現距離在500m 范圍內的測量。目標風力發電機的葉片長度為 47 m，旋轉直徑可達 94 m，在風電葉片表面制作了10個興趣點標志，通過高速相機獲取的圖像，分析圖像上的興趣點標志，能夠獲取風電葉片的轉動速度等運動參數，可以獲取興趣點的三位運動曲線，如圖4(a)所示。

圖4 風電葉片全局運動和局部變形測量Fig.4 Monitoring of wind turbine blade movement and local deformation

局部隨動高分辨率測量系統能夠實現雙站局部變形測量、葉片掃描拼接以及根據局部應變場識別葉片裂紋。局部隨動測量站由圖像反饋控制的伺服雙軸云臺和安裝200mm-500mm 定焦鏡頭的高分辨率高速相機(80Hz)構成，可實現20rpm以下的局部跟蹤。通過拍攝葉片局部的圖像。通過跟蹤拍攝葉片局部在旋轉過程中多個位置的圖像，通過對圖像上紋理特征的變形分析，即可實現對葉片的變形的測量。如圖4(c)所示，由于葉片中間位置處有橫向裂紋，通過對比無裂紋和有裂紋情況下應變場分布可以明顯識別出葉片裂紋。

3 結論

針對大型工程和結構等廣域基礎設施靜動態變形大尺度、高精度測量需求，本文提出了一種新的視覺測量方法與技術：相機網絡測量技術，保留了視覺測量無損非接觸、自動化、高精度、高動態等傳統優勢，同時彌補了大尺度測量像素空間分辨率低、工程環境條件要求高等不足。相機組網還能進行水下測量任務，例如航行體截面載荷研究[33]?？舍槍V域基礎設施實現結構全域靜動態變形高精度檢測與監測，有效解決大尺度結構精密測量難題。本文所提出的相機網絡理論、方法與技術具有極高的擴展性，可與其他監測方法綁定融合，包括但不僅限于微波雷達、激光掃描、光纖光柵，形成新的測量手段或測量系統。相關成果可為結構變形監測提供新理論和新方法，為結構安全狀態評估提供新參數和新理念，為基礎設施結構安全領域提供理論指導和應用驗證依據測。此外，相機組網測量技術還有望與無人機等空中平臺相結合，解決海上風電葉片等大型工程監測的難題。