[发明专利]一种基于单相机无标靶的建筑物全局位移监测方法

说明书

一种基于单相机无标靶的建筑物全局位移监测方法，涉及建筑物位移监测技术领域，针对现有技术中需要使用多个监测分机对目标建筑进行多位置位移监测的问题，本申请在监测一个建筑的多个目标点时步骤一到步骤四仅需进行一次，可以达到采集一个角度的视频同时追踪建筑物的多个目标点的效果，并且所述的多个目标点不需要共面，它们可以分布在建筑的任何位置。本申请仅需要一台相机就可以达到通常需要多台相机才能完成的多点同时监测，节省了建筑物位移监测系统的成本。本申请不需要安装人工标靶，仅通过建筑物本身的特征点就可以建立图像像素和建筑物的位移转换关系。

技术领域

本发明涉及建筑物位移监测技术领域，具体为一种基于单相机无标靶的建筑物全局位移监测方法。

背景技术

桥梁、大厦和水坝等建筑是人类生活和商业的重要组成部分，支撑着人们的生活质量和社会的经济繁荣。但是，如果建筑物的稳定性得不到保证，就会威胁到人们的生命安全并造成财产损失。所以，监测建筑结构的稳定性非常重要。位移是评价基础设施的健康和建筑物性能的重要指标，因为其可以直接反映建筑物的变形是否超出了其安全限制。与加速度响应相比，位移响应直接反映了结构的整体刚度，因此提供了更准确的估计结构状况的潜力。此外，在一些长期监测的任务中，位移数据可以被实时采集并直接反映结构状况，以便可以对结构的异常位移立即发出警告。然而，传统的位移监测方法要求专业人员在待监测的建筑物表面安装位移监测传感器，对于监测人员专业水平要求较高。

近年来，计算机视觉领域取得了巨大的发展，其在建筑物位移监测中的应用与研究也引起了研究者们广泛的关注。与传统传感器相比，视觉传感器具有长距离、非接触式、方便部署、代价低等优点。基于视觉的位移监测方法可以对建筑进行长期、实时的监测，如专利号CN201520655611.X的方案。但是上述方案需要在被监测物体上安装特殊的人工标靶，如果需要检测多个位置的位移，则需要安装多个标靶，在建筑物多点位移监测上存在着缺陷。专利号CN202011620719.7基于多分辨率深度特征进行桥梁位移监测，避免了在实际桥梁中设立位移参考点的难题，降低了养护人员的工作强度。但是，上述专利使用的比例因子SF要求相机的光轴垂直于监测建筑的表面，所以需要使用多个监测分机对目标建筑进行多位置位移监测，整体的系统成本较高。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中需要使用多个监测分机对目标建筑进行多位置位移监测的问题，提出一种基于单相机无标靶的建筑物全局位移监测方法。

本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基于单相机无标靶的建筑物全局位移监测方法，包括以下步骤：

步骤一：当建筑物仅于一个方向上存在明显的位移时，对焦距固定的摄像机进行相机标定，得到相机的内参矩阵M₁和畸变系数；

步骤二：利用摄像机以固定频率采集目标建筑的位移视频；

步骤三：将步骤二中摄像机采集到的位移视频通过步骤一中得到的畸变系数进行校正，得到校正后的视频数据；

步骤四：获取四维的转换矩阵M₂，具体步骤为：

步骤四一：在校正后的视频数据中抽取建筑物静止状态下的视频帧，即建筑物静止状态下的图像，并根据建筑物的尺寸信息建立三维坐标系；

步骤四二：选取建筑物静止状态下图像上建筑物的特征点，得到特征点在图像上的二维坐标，并确定特征点在三维坐标系下的对应的三维坐标，进而得到特征点在图像上的二维坐标和在三维坐标系下的三维坐标；

步骤四三：重复步骤四二，得到至少四个特征点对应的二维坐标和三维坐标，然后使用至少四个特征点对应的二维坐标和三维坐标以及内参矩阵M₁得到相机坐标系与所建立的建筑物三维坐标系的刚体变换关系，即四维的转换矩阵M₂；