[发明专利]一种基于特征点追踪的桥梁非接触式变形测量方法

说明书

本发明公开了一种基于特征点追踪的桥梁非接触式变形测量方法。本发明方法，通过架设于桥梁测点上的相机聚焦于远处变形可忽略的不动结构，在桥梁加载前后采集不动结构的一系列图像，利用改进的特征点匹配算法SURF‑BRISK追踪特征点在图像中的亚像素坐标，进而得到桥梁测点处的亚像素位移，然后，通过标定的缩放系数，将像素位移转化成实际的物理位移。本发明克服了诸如位移计倾角仪等传统位移测量手段的接触时安装的复杂工序，还克服了传统图像测量方法需要在结构表面粘贴预先设计的特殊目标靶面，再者对已有的特征点匹配的筛选策略改进，提高匹配准确性和工作效率。该方法具有非接触、准备工序少、方便测点定位特点，有广泛应用前景。

技术领域

本发明属于结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于特征点追踪的桥梁非接触式变形测量方法。

背景技术

位移是桥梁结构设计和性能评估中最关键的基本参数之一，它能直观反映结构的基本性能与状态，因此桥梁结构的位移一直是工程师和科研人员关注的重点。现有位移测量设备主要分为接触式和非接触式两类。接触式位移测量设备包括位移计倾角仪、水准仪、长标距应变传感器等， 但是，现有接触式测量设备存在各种各样的问题，在实际工程应用中不够快速便捷。比如：位移计需要固定支架，实际应用困难；非接触式测量有GPS、雷达 激光测距以及基于光学测量等。GPS 测量挠度精度不高，且受到诸如采样频率、卫星覆盖范围、气候条件、多次反射效应和GPS数据处理方法等的影响；雷达使用时对测量角度有要求，需要安装角反射器专业人员操作；激光测距具有非接触式测量的优点，但激光测距受激光穿透距离近的限制。

图像测量方法最早基于模板匹配技术，目前被广泛使用的有数字图像相关（DIC）,光流法（optical flow）, 边缘检测（edge detection）,方向编码匹配（orientation-codematching ，OCM)。基于模板匹配的光测方法，在土木工程领域被广泛应用。模板匹配技术在实际结构应用中存在局限性：模板匹配要求图像只能进行平行移动，若原图像中的匹配目标发生旋转或尺度变化，该算法无效，而且实际工程结构本身特征不够丰富，往往在精度上达不到理想效果。于是针对不同的模板匹配算法，人们决定预先在结构表面喷制特征或者人为设计具有对比强烈的目标靶面以此提高匹配精度，但这实际上违背了光测非接触式测量的初衷。

不同于模板匹配，特征点追踪则只需要图像中有可检测并有效匹配的稳定兴趣点。特征点追踪包括三个步骤：检测、描述和匹配。近十几年来，出现了一系列特征点检测器SIFT, SURF, FAST,和描述器SIFT， SURF，Harris 角点检测、BRIEF,ORB, BRISK、FREAK。其中，SIFT算法检测的特征在空间和尺度上定位更加精确， 但SIFT因为其巨大的特征计算量而使得特征点提取的过程异常花费时间；SURF算法在检测同样丰富的特征点的执行时间是SIFT的三分之一，同时，SURF 也具有较好的旋转不变性和尺度不变性。优先考虑速度的时候FAST、BRIEF、ORB是最好的选择；ORB采用FAST检测算子，速度快，但不具有尺度不变性 ;Bekele 等就 BRIEF、ORB、BRISK、FREAK 和 SIFT 这 5种局部特征描述符的性能进行了比较，认为 BRISK 特征描述符在这五种二进制特征描述符中拥有最高的精确度以及最大的最佳匹配点数目。