[发明专利]高空建筑物温度分布与表面裂缝远程监测系统及监测方法

权利要求书

1.高空建筑物温度分布与表面裂缝远程监测系统，其特征在于，包括有三角支架，三角支架支撑二维旋转云台；二维旋转云台上搭建有可滑动支架；可滑动支架上设有图像采集装置和数字温度采集器；图像采集装置和数字温度采集器分别通过数据线与数据分线器相连；数据分线器与计算机连接；

所述的图像采集装置包括长焦镜头、短焦镜头、数字相机和激光测距仪；

所述的数字温度采集器包括远程非接触式高精度红外测温传感器、激光瞄准器；

所述的计算机装载有监控软件，监控软件包括云台控制模块、裂缝检测模块、表面温度场重建模块；

所述计算机软件端云台控制模块用于发送控制指令，控制二维旋转云台搭载图像采集装置进行观测，根据被测建筑物方位进行水平和垂直方向的旋转或暂停；所述的表面温度场重建模块，首先进行温度修正，利用修正后有限的区域温度值结合样条插值法建立建筑物表面二维温度场；

所述的长焦镜头、短焦镜头的尾端均连接数字相机，短焦镜头尾端连接数字相机用于巡检，确定缺陷区域；长焦镜头尾端连接数字相机对缺陷区域进行拍照，通过串口数据线将采集到的图像传输至计算机端；所述激光测距仪安装在长焦镜头的同轴外侧，用于测量观测点与被测缺陷表面的距离；

所述数字相机通过棋盘标定，获取相机的焦距、径向畸变、切向畸变参数，利用畸变参数对拍摄的建筑物表面影像进行畸变校正；

所述数字温度采集器，通过激光瞄准方式对准待测位置，进而利用远程非接触式高精度红外测温传感器获取建筑物表面各点的温度值，通过数据线将采集到的温度数据传输至计算机端；

所述的激光瞄准器用于瞄准建筑物表面待测点，提高测量准确度；所述远程非接触式高精度红外测温传感器用于获取建筑物表面的单点温度值；

所述的旋转云台采用高精度伺服电机驱动，高精度伺服电机驱动旋转云台在垂直空间和水平空间内的旋转与定位，在垂直方向和水平方向上的定位角度分辨率均为0.01°，重复定位精度为0.1°，垂直方向角度范围为-60°～70°，水平方向角度范围为0°～300°；所述可滑动支架可以横向调整安装的位置；

所述的远程非接触式高精度红外测温传感器，根据水泥及混凝土温度范围及发射率作为参数依据选取测温传感器，测温范围为-10～150℃，分辨率为1℃，距离系数300:1，工作环境温度为-15～70℃，发射率为0.95，光谱范围为8～4um；

所述的裂缝检测模块又包括图像预处理模块、图像拼接、裂缝轮廓提取模块、裂缝参数计算模块；

图像预处理模块，对拍摄的建筑物表面图像进行畸变校正，图像增强，去运动模糊，以复原裂缝的细节信息并提高图像视觉质量；

图像拼接模块，对预处理后的各个区域的表面图像进行拼接获得整个建筑物表面大尺度完整图像；

裂缝轮廓提取模块，利用形态学和区域生长相结合，裂缝细化与连接，获取完整的裂缝条纹提取骨架；

裂缝参数计算模块，结合相机参数测量建筑物表面裂缝的实际物理长度与宽度。

2.高空建筑物温度分布与表面裂缝远程监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，选取合适的观测点，固定好三角支架，将三角支架调至水平；将旋转云台(17)通过云台底座安装孔(18)安装在三脚架上，并通过旋转云台自带的水平仪，将旋转云台调至水平；

步骤2，将可滑动支架(11)通过顶板固定孔(16)安装在云台顶板(14)上，将图像采集装置和数字温度采集器安置在可滑动支架(11)上，长焦镜头(2)尾端连接的数字相机一(5)与长焦镜头(2)外侧同轴的激光测距仪(1)均通过数据线与数据分线器(12)连接，统一连接计算机(13)；

步骤3，图像采集装置中短焦镜头(6)用于巡检，确定缺陷区域；再用长焦镜头，通过旋转调焦环(3)调整镜头焦距拍摄获取裂缝缺陷图像；通过数据线将图像传输至计算机(13)；

数字温度采集器安装在短焦镜头(6)的同轴外侧，采用激光瞄准方式的远程非接触式高精度红外测温传感器(8)，根据激光器发射在短焦镜头(6)成像图像画面上光斑位置，获取建筑物表面各点的温度值；通过数据线将温度数据传输至计算机(13)；

步骤4，计算机(13)对采集的裂缝缺陷图像和温度数据进行处理，具体处理流程又包括以下步骤：

1)，数字相机标定，采用Matlab相机标定工具箱标定，获取数字相机一与数字相机二的相机内外参数及畸变系数；

2)，图像采集装置将采集到的建筑物表面各个区域图像数据、数字温度采集器将采集到的建筑物表面各个区域温度数据传至计算机(13)内；

3)，图像预处理模块，通过标定获取的畸变参数对采集的建筑物表面图像进行校正，气流干扰引起波前畸变严重影响远程成像质量，运用图像增强、估算模糊核，去运动模糊,得到清晰图像；

4)，图像拼接模块，对于预处理后建筑物表面各个区域的清晰图像，采用基于SIFT特征的全景拼接图像配准方法，利用SIFT算法进行特征点定位，通过求取裂缝图像中的特征点及其有关Scale和Orientation的描述子得到特征并进行图像特征点快速匹配，粗略拼接各区域图像，然后利用PCA变换图像融合算法消除拼接间隙，得到大尺度平滑完整的建筑物表面图像；

5)，裂缝轮廓提取模块，通过Canny非微分边缘检测算子获取完整的建筑物表面图像裂缝的边缘信息，利用形态学的代数运算子以及区域生长算法实现完整裂缝条纹的提取，然后用Rosenfeld细化算法对完整的裂缝条纹提取骨架，获得单一像素宽度的裂缝轮廓；

6)，裂缝参数计算模块，计算裂缝长度，取裂缝轮廓像素总数m的二分之一作为像素坐标系下的裂缝长度，利用像素当量w粗略计算出裂缝的实际长度，其中L为裂缝实际物理长度，m为裂缝轮廓像素总数，w为像素当量；计算裂缝宽度，利用裂缝轮廓骨架垂线交点法，任选裂缝骨架上一点，作垂线，交裂缝边缘于两点P(x₁,y₁)、H(x₂,y₂)，计算两交点间几何距离以此统计，选取D最大值的作为该条裂缝的裂缝宽度，利用像素当量粗略计算出裂缝的实际宽度，W＝D·w，其中W为裂缝实际物理长度，D为裂缝像素坐标系下的裂缝宽度，w为像素当量；

7)根据被测建筑物表面的发射率及大气吸收衰减建立红外测温模型，在不同波段内红外辐射功率与被测温度的r次方成正比，得到温度修正拟合公式其中T为修正后真实温度，T_o为红外传感器测量温度，T_e为周围环境温度，α为被测建筑物表面材料发射率，τ(x)为工作波段在8～14um内距离红外测温传感器x处的大气透射率；

8)，利用温度修正拟合公式修正红外测温传感器采集到的建筑物表面单点温度数据，得到建筑物表面各点对应的实际温度值；

9)，利用修正后的有限区域温度值建立更精确的温度场,采用样条插值法重建建筑物表面二维温度场。