悬索桥桥面线形的视觉监测方法和系统与流程

本发明属于桥梁监测，具体涉及一种悬索桥桥面线形的视觉监测方法和系统。

背景技术：

1、悬索桥是大跨径桥梁的主流结构形式，桥面线形变化能够直观反映主缆内力、吊索受力状态、加劲梁整体刚度及桥面系服役损伤情况。桥面线形出现非正常突变往往预示着桥梁构件刚度劣化、吊索索力异常等安全隐患。因此，实现悬索桥桥面线形长期、连续、高精度的自动化监测，是桥梁结构健康评估与运维管养的核心技术支撑。

2、现阶段桥面线形主流监测手段包含人工测量类、接触传感类和新型非接触类。其中，传统人工测量手段作业周期长，无法高频采集桥面瞬时动态形变；接触式传感器测点布设密度受限，且长期野外环境下老化破损带来的运维成本较高；gnss、激光雷达等手段在密集测点布设、毫秒级高频连续监测及全桥长距离覆盖等方面存在一定短板。机器视觉监测凭借非接触测量、多点同步采集、自动化运行的优势，逐步应用于桥梁位移与线形检测领域。

3、然而，悬索桥野外服役环境复杂，现有视觉监测技术在实际应用中仍存在诸多关键缺陷。首先，强风扰动、环境温变均会造成相机支架与测站平台产生微小晃动与姿态偏转。现有技术通常默认相机安装基座完全静止，直接将靶标图像位移变化全部换算为桥面结构变形，极易把相机自身微动位移误判为桥梁形变，带来系统性监测误差。

4、其次，针对大跨度悬索桥的长距离监测需求，现有技术多采用单相机独立解算、后期数据分段拼接的处理逻辑。这种方案缺乏全桥范围内的串联几何约束与统一基准传递，不仅难以将多测站数据归一化至同一坐标系，还易造成解算误差逐级累积，长线形监测稳定性较差。

5、此外，悬索桥现场靶标成像远近不一、光照昼夜起伏、局部杂物遮挡频发。现有技术大多选用单一的提点算法、固定尺寸的搜索窗口及统一的参数配置完成靶标定位，难以适应复杂多变的工况，极易出现靶标丢失、特征误匹配和像素坐标剧烈抖动。同时，在瞬时提取误差和无效观测数据的管理上缺乏有效的时序滤波与历史坐标回溯机制，导致异常数据沿监测时序持续传导，劣化全周期线形监测曲线的可靠性。

6、综上所述，现有悬索桥视觉监测技术存在测站基座微动无法解耦、多测站长距离解算误差累积、靶标提取抗光照及遮挡能力弱等工程痛点，亟需研发一种能够有效剥离测站姿态变化干扰、实现全桥串联协同解算并提升复杂工况下靶标定位鲁棒性的新型视觉监测方法及系统。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中悬索桥桥面线形可靠性不足的缺陷，从而提供一种悬索桥桥面线形的视觉监测方法和系统。

2、一种悬索桥桥面线形的视觉监测方法，包括以下步骤：

3、沿悬索桥纵向布设多组测站单元与桥面监测靶标，相邻测站之间布设共视靶标，桥塔位置布设基准靶标；各测站单元的相机同步采集靶标图像；

4、根据现场光照、靶标距离及遮挡工况自适应切换提点算法，获取靶标亚像素中心坐标及观测有效性标识，并解算得到靶标图像位移量；

5、构建以测站平台三轴平移和三轴转角为变量的测站六自由度姿态变化模型，基于同测站多相机站内约束与相邻测站共视靶标跨站串联约束，以所述靶标图像位移量为观测输入，建立关联测站平台六自由度姿态变化量与桥面靶标三维位移的观测方程组；

6、将所述靶标图像位移量代入所述观测方程组，基于残差最小化原则，同步求解所述测站平台六自由度姿态变化量和桥面靶标三维位移，输出所述桥面靶标三维位移；

7、依据所述桥面靶标三维位移生成全桥桥面线形。

8、进一步的，还包括三级坐标基准的构建与标定：以全桥线形统一基准建立全局世界坐标系，以同一测站平台下的全部相机共用基准建立测站平台坐标系，以单相机成像空间与像素平面投影换算建立相机坐标系；选取空间位置已知的控制靶标，建立三维控制点与二维像点间的对应关系，求解相机内参、外参以及相机相对测站平台和全局世界坐标系的转换矩阵。

9、进一步的，所述自适应切换提点算法包括模板匹配、帧间跟踪匹配、亮点特征检测和灰度质心提取；判断靶标是否具有上一帧有效坐标且帧间相似度达到预设跟踪阈值，若是，则选用帧间跟踪匹配；若否，则根据观测距离、亮度评价值、可见比例及轮廓完整度切换提点算法：对于观测距离大于预设距离阈值或亮度评价值低于预设亮度阈值且呈亮斑形态的靶标选用亮点特征检测，对于观测距离不大于预设距离阈值、对比度达到预设对比度阈值且轮廓完整度达到预设完整度阈值的靶标选用灰度质心提取，对于可见比例和轮廓完整度均达到相应预设阈值的靶标，选用模板匹配；当所选算法输出的定位置信度低于预设置信度阈值时，将当前观测标记为无效，不参与线形解算；且灰度质心提取模式下，针对各靶标独立配置搜索窗口尺寸、灰度阈值及灰度加权系数参与加权运算。

10、进一步的，所述帧间跟踪匹配和模板匹配在粗匹配获取靶标初始位置后，在峰值周边构建二次多项式、高斯曲面或抛物面拟合曲面，通过求取拟合曲面极值点实现亚像素精定位；并且具备帧间跟踪回溯功能：保存各靶标上一帧有效中心坐标，若上一帧坐标失效则启用初始标定坐标作为当前帧搜索基准；当前帧提点有效则更新历史基准坐标，提点失效则保留原有坐标并标记无效观测，不作为当前帧线形解算的有效观测。

11、进一步的，还包括两级时序滤波：前端对靶标原始像素坐标采用时序滑动窗口均值滤波和中值绝对偏差滤波，剔除超出中值绝对偏差阈值的异常离群数据与无效观测样本；后端对解算得到的所述测站平台六自由度姿态变化量和桥面靶标三维位移开展后置时序滑动滤波，输出平滑后的姿态变化量与三维位移数据。

12、进一步的，所述观测方程组以全量有效图像位移观测残差平方和最小为优化目标，结合基准靶标位移置零和指定测站自由度固定缩减未知量；统计各靶标有效成像次数，当有效观测方程数量小于未知参数数量时放弃输出当期解算结果，当有效观测方程数量大于或等于未知参数数量时同步优化求解测站姿态变化量与靶标形变位移。

13、进一步的，还包括基准偏移初始化与线形生成步骤：系统首次稳定解算成功后，自动检索基准数据库并依托现场测站布设台账和靶标坐标清单生成零偏移基准档案；按照桥面里程顺序排列全部靶标修正后三维坐标，生成竖向挠度线形、横向偏移线形或空间三维线形。

14、一种悬索桥桥面线形的视觉监测系统，包括：

15、多测站视觉采集模块，用于沿悬索桥纵向布设多组测站单元，同平台多相机刚性固连，视场覆盖相邻桥面靶标区域，并通过共视靶标与基准靶标建立串联几何约束；

16、亚像素靶标定位模块，用于根据现场工况自适应切换多类提点算法，独立配置靶标参数并执行帧间跟踪回溯，输出靶标亚像素中心坐标及观测有效性标识；

17、串联非线性解算模块，用于构建以测站平台三轴平移和三轴转角为变量的测站六自由度姿态变化模型，基于同测站多相机站内约束与相邻测站共视靶标跨站串联约束，以所述靶标图像位移量为观测输入建立观测方程组，并将所述靶标图像位移量代入所述观测方程组，基于残差最小化原则同步求解所述测站平台六自由度姿态变化量和桥面靶标三维位移，输出所述桥面靶标三维位移；

18、线形分析模块，用于依据所述桥面靶标三维位移生成全桥桥面线形。

19、进一步的，所述亚像素靶标定位模块内置模板匹配、帧间跟踪匹配、亮点特征检测和灰度质心提取算法；当采用灰度质心提取算法时，针对各靶标独立配置搜索窗口尺寸、灰度最小阈值和灰度加权系数；当采用帧间跟踪匹配或模板匹配时，在峰值周边采用二次多项式、高斯曲面或抛物面拟合求取亚像素修正量；且以上一帧有效靶标坐标作为当前帧搜索基准，历史坐标失效时自动切换为靶标初始标定坐标，提点失效时保留原有坐标并标记无效观测。

20、进一步的，还包括三坐标标定模块、基准偏移初始化模块与滤波与有效性管理模块，所述三坐标标定模块用于构建全局世界坐标系、测站平台坐标系和相机坐标系的三级坐标基准并标定转换参数；所述基准偏移初始化模块用于系统首次稳定解算成功后自动生成全桥零偏移基准档案，并支持后续人工复测校准与基准参数迭代更新；所述滤波与有效性管理模块前端采用时序滑动窗口均值滤波和中值绝对偏差滤波剔除异常离群数据，后端对三维位移和姿态参数开展后置时序滤波，输出平滑后的数据。

21、有益效果：

22、本发明通过构建以测站平台三轴平移和三轴转角为变量的六自由度姿态变化模型，基于同测站多相机站内约束与相邻测站共视靶标跨站串联约束建立观测方程组，并基于残差最小化原则同步求解测站平台姿态变化量与桥面靶标三维位移，能够将测站平台微动引起的伪位移与桥梁真实结构变形有效解耦分离，从原理上消除相机基座晃动造成的系统性监测误差。同时，基于相邻测站共视靶标的跨站串联约束，实现了全桥监测数据的基准统一与协同解算，有效抑制了长距离分段监测带来的误差逐级累积，提升了大跨度悬索桥长线形解算的稳定性与可靠性。

23、此外，本发明根据现场光照、靶标距离及遮挡工况自适应切换提点算法，获取亚像素中心坐标及观测有效性标识，显著增强了复杂野外环境下靶标提取的鲁棒性与定位精度，避免了单一算法及固定参数导致的特征丢失与坐标抖动，保障了全天候连续在线监测的高精度与高稳定性。