基于自然纹理特征结构全场位移监测的损伤识别方法

1.本发明涉及损伤识别术领域，具体来说，涉及基于自然纹理特征结构全场位移监测的损伤识别方法。


背景技术：

2.目前，在结构的有限的测点上布置相应的传感器获得动态响应信息开展结构损伤识别，都是假定结构模型自由度与观测自由度保持一致。然而，在实际工程中，由于各种条件的影响，经常会造成观测数据不完整的问题。要从根本解决这一问题，就需要测点越多越好，但是实际结构上布置的测点数是有限的。对于结构损伤识别而言，若监测数据不完整，那么得到的有用信息就不够充分，这将使得损伤识别问题只能在没有充分已知信息的状况下求解。因此参数损伤识别方法面临因测试数据不足导致损伤识别困难的问题。
3.任何结构都可以看作是由刚度、质量、阻尼矩阵组成的力学系统。结构损伤一旦发生，结构参数也随之发生改变，从而导致系统的响应发生改变。所以，结构形态特征的改变可视为结构早期损伤发生的标志。近年来计算机图像处理技术的迅速崛起为参数损伤识别方法弥补实测数据不足的短板提供了技术支撑。另一方面，参数损伤识别着重于构建结构力学特征与损伤之间的关系，是结构损伤识别的基本理论体系，可以为基于图像处理技术的结构损伤识别方法提供结构的力学行为理论，将图像与结构力学行为进行关联。因此参数损伤识别方法与数字图像融合的研究具有广阔的应用前景。


技术实现要素：

4.针对相关技术中的问题，本发明提出基于自然纹理特征结构全场位移监测的损伤识别方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
5.为此，本发明采用的具体技术方案如下：
6.基于自然纹理特征结构全场位移监测的损伤识别方法，该方法包括以下步骤：
7.s1、利用图像特征提取法提取桥梁的边缘线型，并通过叠差法处理获得桥梁边缘的连续挠度曲线；
8.s2、通过在桥梁周围设置不动点来解析变形前后桥梁特征点的相对位置变化，分析得到桥梁结构全场位移矢量的初始计算结果；
9.s3、利用s1获得的桥梁结构边缘的连续挠度值对桥梁结构全场位移矢量的误匹配进行筛除，得到桥梁结构精确的全场位移矢量；
10.s4、通过全场位移矢量转角变化率来对桥梁结结构进行损伤识别。
11.进一步的，所述利用图像特征提取法提取各工况下桥梁的边缘线型，并通过叠差法处理获得桥梁边缘的连续挠度曲线包括以下步骤：
12.s11、利用图像透视变换法提取各工况下桥梁的等效正射投影图像；
13.s12、通过对像素尺寸标定获取桥梁等效正射投影图像的监测分辨率，并利用该监测分辨率将桥梁等效正射投影图像的像素尺寸向变形监测尺寸进行换算，通过像素位差获
取结构的实测变形值；
14.s13、利用图像特征提取法提取桥梁等效正射投影图像中桥梁的特征点，删除周围无用的特征点后，保留桥梁主体部位的边缘点；
15.s14、对提取的结构边缘点进行拟合，得到结构的边缘线型，将提取的结构边缘线扣除该工况下的初始边缘线，得到能够与百分表进行对比的结构整体变形挠度曲线。
16.进一步的，所述解析变形前后桥梁特征点的相对位置变化，分析得到桥梁结构全场位移矢量的初始计算结果包括以下步骤：
17.s21、通过变形前后桥梁结构表面的特征点代替同名点近似模拟全场位移；
18.s22、采用sift特征点匹配法获取的变形前后桥梁图像特征匹配结果组成桥梁结构全场位移提取的源数据；
19.s23、在桥梁周围布置不动点，并保证不动点在图像中，将特征点位置与不动点位置进行联系，通过不动点来计算特征点在平面的位置变化量；
20.s24、通过求解桥梁结构变形前后初始匹配特征点对的矢量集合提取桥梁结构全场位移矢量的初始结果。
21.进一步的，所述利用s1获得的桥梁结构边缘的连续挠度值对桥梁结构全场位移矢量的误匹配进行筛除包括以下步骤：
22.判断匹配出的结构全场位移矢量是否满足结构变形协调规律，若与结构的变形协调规律一致，则为正确匹配；若不一致，则可判定为误匹配；
23.判断匹配出的结构全场位移矢量转角θ是否存在明显的异常，若不存在，则为正确匹配；若存在则认定该矢量为错误匹配并进行筛除；
24.通过提取的边缘线型的最大挠度值进行矢量长度误匹配筛除，若矢量长度不存在明显异常则为正确匹配；若存在明显异常则为误匹配进行筛除；
25.若还有无法判断的异常矢量，则利用边缘全息变形信息对对应位置的矢量长度开展精确对比分析；若在结构表面全场位移矢量中局部区域存在集中的转角或挠度连续异常变化，并且该区域与其相邻区域变形连续性关系紧密，是由其周边区域变形发展而来，且满足结构变形协调性，此时对该区域异常的矢量筛除需谨慎对待。
26.进一步的，所述角度一致性约束为桥梁结构边缘挠度的截面转角，且所述截面转角的计算公式如下：
[0027][0028]
式中，θ表示转角，y表示扰度，f(x)表示桥梁结构横坐标x的一个连续函数，f'(x)表示函数f(x)的导数。
[0029]
进一步的，所述基于桥梁结构全场位移矢量的损伤识别指标对桥梁结构进行损伤识别包括以下步骤：
[0030]
s41、分析设定转角变化率为桥梁结构全场位移矢量的损伤识别指标，并求解桥梁结构全场位移矢量的转角变化率；
[0031]
s42、利用转角变化率的损伤识别指标对桥梁结构的损伤位置进行判别；
[0032]
s43、在损伤位置确定后，利用转角变化率异常部位的相邻转角差值进行损伤程度的辨识。
[0033]
进一步的，所述桥梁结构全场位移矢量的转角变化率的计算公式如下：
[0034][0035]
其中，θ'n为损伤后结构全场位移矢量的转角，θn为未损伤时结构全场位移矢量的转角，k为转角变化率损伤指标。
[0036]
本发明的有益效果为：
[0037]
1)本发明可以通过图像尺度不变特征变换提取结构表面的自然纹理特征，通过计算变形前后特征点与平面参考系的相对位置关系，提取出结构表面的全场位置矢量，从而解决测试数据不完备的问题。
[0038]
2)本发明提出了适用于结构全场位移监测的损伤识别指标，可以实现对桥梁的损伤识别，有效缓解测试数据不完备导致结构损伤识别困难的问题。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1是根据本发明实施例的基于自然纹理特征结构全场位移监测的损伤识别方法的流程示意图；
[0041]
图2是根据本发明实施例的基于自然纹理特征结构全场位移监测的损伤识别方法中试件布置示意图；
[0042]
图3是根据本发明实施例的基于自然纹理特征结构全场位移监测的损伤识别方法中像素尺寸标定模型示意图；
[0043]
图4是根据本发明实施例的基于自然纹理特征结构全场位移监测的损伤识别方法中同名点对相对位置变化生成模型示意图。
具体实施方式
[0044]
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
[0045]
根据本发明的实施例，提供了基于自然纹理特征结构全场位移监测的损伤识别方法。
[0046]
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-4所示，根据本发明实施例的基于自然纹理特征结构全场位移监测的损伤识别方法，该方法包括以下步骤：
[0047]
s1、利用图像特征提取法提取桥梁的边缘线型，并通过叠差法处理获得桥梁边缘的连续挠度曲线；
[0048]
其中，所述利用图像特征提取法提取各工况下桥梁的边缘线型，并通过叠差法处
理获得桥梁边缘的连续挠度曲线包括以下步骤：
[0049]
s11、利用图像透视变换法提取各工况下桥梁的等效正射投影图像；
[0050]
在实际应用中，需要寻找到对结构表面同名像点具有数学表征能力的描述子，桥梁表面的自然纹理特征在变形前后具有一致性，可构成天然的同名点。只要摄影测量的精度够高，这些纹理特征就能够在图像的尺度空间内以极值点的形式被检测和表征。目前在图像的尺度空间内寻找和检测极值点最常规的方法就是利用尺度不变特征变换算法(scale-invariant feature transform，sift)，sift特征点提取算法可以在多尺度空间内开展图像特征点的检测，并且提取的特征点具有尺度、位置和方向不变的特性，这些特征可以通过生成的特征向量描述子来实现匹配。
[0051]
本实施例中，桥梁图像的采集通过预先备置的监测相机来实现，监测相机的选取根据测量精度、视场角、焦距等方面进行综合分析，选用富士gfx 100普通民用相机。根据实际摄影距离选取合适焦距的镜头，选取富士gf 32-64/4r lm wr镜头。相机和镜头技术参数见表1所示。
[0052]
表1相机及镜头参数表
[0053][0054]
采用基于平面格网的自检校光束法平差进行相机标定，标定板参数见表2。主要标定内方位元素(x0,y0)，相机主距f，径向畸变系数k1,k2，离心畸变系数p1,p2，像素大小和像幅大小。根据相机方位元素计算方法进行相机的内部参数解算。设置gfx 100相机的内方位元素初值为0，焦距为50mm，像素尺寸为3.76μm，相机检校参数结果见表3。
[0055]
表2标定板参数表
[0056][0057]
表3相机检校结果
[0058][0059]
由于直接获取的试件图像受自然透视关系的影响，图像呈现明显的近大远小特征，导致图像无法正确反映结构的变形。因此需要对试件图像进行透视变换。采用图像透视变换方法对试验梁图像进行处理，得到透视变换后试验梁的正射投影。经透视变换后的试件图像不再受透视关系的影响，摆脱了“近大远小”的成像特征，使得试件图像具备了正射投影特性，可在此基础上分析结构的变形信息。
[0060]
s12、通过对像素尺寸标定获取桥梁等效正射投影图像的监测分辨率，并利用该监测分辨率将桥梁等效正射投影图像的像素尺寸向变形监测尺寸进行换算，通过像素位差获取结构的实测变形值；
[0061]
在桥梁结构变形监测中，结构物所占图幅的大小是变形监测的重点区域。结构发生变形，在图像上就体现为变形部位覆盖像素的位置发生变化。在相同的拍摄环境下，变形多大能够引起像素位置发生改变就成了桥梁图像变形监测的分辨率问题。理论上，变形值要大于像素的图像尺寸，才能够被桥梁结构变形监测方法识别。由图2可知，在腹杆中绘制的黄色标定线在图像上就是一系列规则的像素矩阵排布，这些像素矩阵占实际试件的物理尺寸即为监测分辨率，其标定模型如图3所示。监测分辨率标定计算方法：r＝l/n(mm/pixel)，试验梁一共15个竖杆，试验时在每根竖杆中部都绘制了黄色标定线。实际测量每根标定线的精确长度，在图像上统计出对应标定线所覆盖的像素个数，进而获取监测分辨率。通过对像素尺寸标定获取了桥梁图像的监测分辨率。可以通过该分辨率将桥梁图像的像素尺寸向变形监测尺寸进行换算，进而在结构发生变形时通过像素位差获取结构的实测变形值。
[0062]
s13、利用图像特征提取法提取桥梁等效正射投影图像中桥梁的特征点，删除周围无用的特征点后，保留桥梁主体部位的边缘点。
[0063]
s14、对提取的结构边缘点进行拟合，得到结构的边缘线型，将提取的结构边缘线扣除该工况下的初始边缘线，得到能够与百分表进行对比的结构整体变形挠度曲线。
[0064]
s2、通过在桥梁周围设置不动点来解析变形前后桥梁特征点的相对位置变化，分析得到桥梁结构全场位移矢量的初始计算结果；
[0065]
其中，所述通过在桥梁周围设置不动点来解析变形前后桥梁特征点的相对位置变化，分析得到桥梁结构全场位移矢量的初始计算结果包括以下步骤：
[0066]
s21、通过变形前后桥梁结构表面的特征点代替同名点近似模拟全场位移；
[0067]
s22、采用sift特征点匹配法获取的变形前后桥梁图像特征匹配结果组成桥梁结构全场位移提取的源数据；
[0068]
确定桥梁图像测量平面内特征点相对位移量的难点在于变形前后图像是完全自由的，所有的桥梁特征点都处于各自独立的测量平面，因此需要有一个标准参考系贯穿于不同工况的各个图像中，为各工况图像提供统一的约束条件才可能求解变形前后特征点的相对位置关系，故执行s23。
[0069]
s23、在桥梁周围布置不动点，并保证不动点在图像中，将特征点位置与不动点位置进行联系，通过不动点来计算特征点在平面的位置变化量；
[0070]
s24、通过求解桥梁结构变形前后初始匹配特征点对的矢量集合提取桥梁结构全场位移矢量的初始结果；
[0071]
为实现变形前后结构图像特征点对位移值的精确计算，提出特征点对相对位置变化数学模型，如图4所示。
[0072]
图4中，大方块区域为平面参考系，理论上棋盘格任一特征点都可作为不动点o，本实施例中选取棋盘格正中心的特征点作为参考系的不动点。如图4所示，由变形前起始端点ai和终止端点a
′i组成位移矢量该位移矢量是结构全场位移矢量的基本元素，如图4虚线向量所示，用mi表示。
[0073]
具体的，所述变形前后桥梁结构图像特征点采用mi表示，且所述变形前后桥梁结构图像特征点mi的生成包括以下步骤：
[0074]
设变形前后桥梁图像为(i1,i2)；从桥梁图像中提取特征点，分别表示为ai和a
′i，并得到n个初始匹配c，c＝{(ai,a'i):i＝1,2,...,n}，其中ai∈i1，a'i∈i2；将特征点ai和a
′i投影到指定的不动点o，得到特征点坐标ai(xi,yi)，a'i(x'i,y'i)；在预设的摄影测量坐标系下提取特征点ai，a
′i与不动点o之间的坐标值(xi,yi)，(x'i,y'i)，得到一个mi为拥有长度l和转角θ两个属性的位移矢量，长度l和转角θ均通过已知特征点坐标ai(xi,yi)，a'i(x'i,y'i)求得；结构变形前后初始匹配特征点对可以生成n个mi所组成的集合m＝{mi:i＝1,2,...,n}。基于上述方法，可以通过求解矢量集合m来提取结构表面的全场变形矢量，即执行s24。
[0075]
s3、设定矢量场一致性约束条件，并利用s1获得的桥梁结构边缘的连续挠度值对桥梁结构全场位移矢量的误匹配进行筛除，得到桥梁结构精确的全场位移矢量；
[0076]
挠度y和转角θ是度量桥梁位移的两个基本量。挠度y随截面位置不同而变化，可用结构横向坐标x的一个连续函数来表示，即y＝f(x)。这就是梁的挠曲线方程，挠曲线上任一点的纵坐标即为该点处横截面的挠度，其切线的倾角即为该截面的转角θ。在小变形情况下，θ很小，故转角方程可表示为：
[0077][0078]
式中，θ表示转角，y表示扰度，f(x)表示桥梁结构横坐标x的一个连续函数，f'(x)表示函数f(x)的导数。
[0079]
与常规方法用函数来表示挠度曲线不同的是，本实施例中获取的结构边缘挠度是
从结构图像中直接提取的，是结构真实边缘线形的变化量。可以利用上式来对结构边缘挠度的截面转角进行求解，获取的截面转角即可作为全场位移矢量的角度一致性约束。
[0080]
其中，所述利用s1获得的桥梁结构边缘的连续挠度值对桥梁结构全场位移矢量的误匹配进行筛除包括以下步骤：
[0081]
判断匹配出的结构全场位移矢量是否满足结构变形协调规律，若与结构的变形协调规律一致，则为正确匹配；若不一致，则可判定为误匹配；
[0082]
判断匹配出的结构全场位移矢量转角θ是否存在明显的异常，若不存在，则为正确匹配；若存在则认定该矢量为错误匹配并进行筛除；
[0083]
通过提取的边缘线型的最大挠度值进行矢量长度误匹配筛除，若矢量长度不存在明显异常则为正确匹配；若存在明显异常则为误匹配进行筛除；
[0084]
若还有无法判断的异常矢量，则利用边缘全息变形信息对对应位置的矢量长度开展精确对比分析；若在结构表面全场位移矢量中局部区域存在集中的转角或挠度连续异常变化，并且该区域与其相邻区域变形连续性关系紧密，是由其周边区域变形发展而来，且满足结构变形协调性，此时对该区域异常的矢量筛除需谨慎对待。
[0085]
s4、通过全场位移矢量转角变化率来对桥梁结结构进行损伤识别。
[0086]
其中，所述通过全场位移矢量转角变化率来对桥梁结结构进行损伤识别包括以下步骤：
[0087]
s41、分析设定转角变化率为桥梁结构全场位移矢量的损伤识别指标，并求解桥梁结构全场位移矢量的转角变化率；
[0088]
结构全息形态变化异常的本质是损伤作用导致结构体系变形协调性被打破，损伤信息通过全场矢量转角异常分布得以表达。可以利用这一性质，对损伤前后全场位移矢量的转角变化率进行分析。转角变化率求解公式见式如下：
[0089][0090]
其中，k为转角变化率损伤指标。分析该式可知，未损区域的转角变化率受结构变形连续性和协调性的影响，理论上应该具有一致性。而在损伤位置，结构位移矢量转角发生突变，与未损结构相应位置的矢量转角发生偏离，转角差值开始显现，并通过变化率得以放大，损伤指标的敏感性得以体现。
[0091]
s42、利用转角变化率的损伤识别指标对桥梁结构的损伤位置进行判别；
[0092]
本实施例中利用结构全场位移矢量的转角信息，提出了转角变化率损伤识别指标，该指标对结构由损伤引发的异常转角变化具有较强的响应能力，对损伤位置具有明确的指示性，可作为损伤发生区域及具体位置的判别指标。
[0093]
s43、在损伤位置确定后，利用转角变化率异常部位的相邻转角差值进行损伤程度的辨识。
[0094]
在损伤位置确定后，可利用转角变化率异常部位的相邻转角差值，在已有理论及数值模拟的基础上，进行损伤程度的辨识。
[0095]
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明可以通过图像尺度不变特征变换提取结构表面的自然纹理特征，通过计算变形前后特征点与平面参考系的相对位置关
系，提取出结构表面的全场位置矢量，从而解决测试数据不完备的问题。
[0096]
此外，本发明提出了适用于结构全场位移监测的损伤识别指标，可以实现对桥梁的损伤识别，有效缓解测试数据不完备导致结构损伤识别困难的问题。
[0097]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。