本發(fā)明涉及橋梁工程，具體涉及一種基于無人機(jī)攝影測(cè)量的懸索橋吊索索力快速識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

1、懸索橋該橋型在大跨度橋梁中得到廣泛的運(yùn)用，而吊索作為主纜和主梁之間的重要傳力構(gòu)件，對(duì)其索力進(jìn)行快速和精確的識(shí)別對(duì)懸索橋的安全保障具有重要的作用，現(xiàn)有的對(duì)懸索橋吊索索力的測(cè)量方法主要有頻率法、油壓法、磁通量法和傳感器法。

2、頻率法是現(xiàn)階段使用頻率最高的測(cè)量方法，其原理是通過人工對(duì)吊索進(jìn)行激勵(lì)，使吊索產(chǎn)生振動(dòng)，采用加速度等方式識(shí)別振動(dòng)頻率，依據(jù)頻率與張力之間的關(guān)系計(jì)算出吊索力，但受到邊界條件、垂度等多種因素的耦合作用，不可避免的會(huì)造成索力識(shí)別誤差，且弦振模型不適用于短吊索，其測(cè)出的短吊索索力明顯偏離真實(shí)值；

3、油壓法測(cè)量索力的原理是通過在拉索的錨固位置處通過液壓千斤頂對(duì)拉索進(jìn)行張拉，但是僅適用于施工階段，難以用于日常吊索索力監(jiān)測(cè)；

4、磁通量法的原理是通過識(shí)別索上電磁傳感器內(nèi)部的磁通量的變化，然后根據(jù)磁通量變化與索力、溫度之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)索力識(shí)別，但拉索的磁導(dǎo)率受到拉索的材料特性與溫度等因素的影響，而這些因素的影響是變化的，難以控制的，在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)下，索力的監(jiān)測(cè)結(jié)果會(huì)由于傳感器以及溫度等因素的影響導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的可靠性不足；

5、傳感器法是通過測(cè)量安裝在拉索上的傳感器的應(yīng)變、應(yīng)力等參數(shù)，從而根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變與索力之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)索力的監(jiān)測(cè)，傳感器具有安裝復(fù)雜、成本高等特點(diǎn)且壽命問題尚未得以解決，難以長(zhǎng)期的用于索力監(jiān)測(cè)與測(cè)量。

6、上述常用的索力測(cè)量方法受到多種因素的影響，導(dǎo)致其測(cè)量精度和適用性受到限制，目前急需一種快速、精確的索力測(cè)量方法，便于對(duì)懸索橋進(jìn)行日常的索力檢測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)上述缺陷，提供一種基于無人機(jī)攝影測(cè)量的懸索橋吊索索力快速識(shí)別方法，能夠快速精確的對(duì)懸索橋吊索的索力進(jìn)行測(cè)量。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：提供一種基于無人機(jī)攝影測(cè)量的懸索橋吊索索力快速識(shí)別方法，包括以下步驟：

3、s1、根據(jù)懸索橋的設(shè)計(jì)圖紙布置多個(gè)三維激光掃描儀測(cè)站，通過多個(gè)測(cè)站采集多組點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算出測(cè)站布置數(shù)量和相鄰測(cè)站的間距，獲取高精度點(diǎn)云；

4、s2、對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，從而獲取懸索橋的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并建立點(diǎn)云模型，對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行分割，獲取單個(gè)吊索的點(diǎn)云和位于相鄰兩索夾之間的主纜節(jié)段的點(diǎn)云；

5、s3、將主纜節(jié)段和吊索分別分割成多個(gè)微段，計(jì)算出每個(gè)微段的形心坐標(biāo)，并分別采用標(biāo)準(zhǔn)懸鏈線和直線對(duì)主纜節(jié)段和吊索上的每個(gè)微段的形心坐標(biāo)進(jìn)行擬合，得到主纜節(jié)段和吊索的軸線方程并聯(lián)立求解，從而獲取主纜與吊索的交點(diǎn)坐標(biāo)；

6、s4、對(duì)獲取的交點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行溫度修正；

7、s5、對(duì)修正后的交點(diǎn)坐標(biāo)按照像素精度與無人機(jī)距離主纜索面的距離的關(guān)系進(jìn)行擴(kuò)展，獲取無人機(jī)航點(diǎn)，有序連接無人機(jī)航點(diǎn)，生成精確的無人機(jī)航線，通過無人機(jī)對(duì)懸索橋主纜進(jìn)行正射影像的拍攝；

8、s6、對(duì)拍攝到的正射影像進(jìn)行圖像處理，得到主纜和吊索的邊線，從而得到主纜和吊索的軸線方程，將主纜和吊索的軸線方程聯(lián)立求解，獲取主纜和吊索的交點(diǎn)坐標(biāo)，從而計(jì)算出相鄰兩交點(diǎn)之間的水平距離和豎直距離；

9、s7、將相鄰兩交點(diǎn)之間的水平距離和豎直距離代入吊索索力計(jì)算公式，可計(jì)算出懸索橋的吊索力。

10、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，s1中計(jì)算測(cè)站間距的方法，包括如下步驟：

11、s101、將三維激光掃描儀布置在懸索橋橋面的中心線上，三維激光掃描儀高度設(shè)置為h，極限入射角為α，相鄰兩測(cè)站之間的重疊率為ν，橋面寬度2h，獲取主纜交點(diǎn)a相對(duì)于懸索橋橋面的高度b，將上述數(shù)據(jù)代入式(1)，計(jì)算出相鄰測(cè)站的間距d，

12、d＝d(1-ν)＝2?cosβtanαh(1-ν)???(1)

13、式中，d表示考慮相鄰測(cè)站之間重疊率時(shí)的間距，d表示不考慮相鄰測(cè)站間重疊率時(shí)的間距，然后根據(jù)橋長(zhǎng)和相鄰測(cè)站間距d計(jì)算測(cè)站布置數(shù)量。

14、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，s2中分割主纜節(jié)段和吊索的方法，包括如下步驟：

15、s201、將點(diǎn)云模型旋轉(zhuǎn)到主梁的軸線與x軸平行，主梁橫截面與y軸平行，z方向?yàn)楦叱谭较颍?/p>

16、s202、將旋轉(zhuǎn)后的點(diǎn)云模型投影到y(tǒng)oz平面，對(duì)投影后的二維點(diǎn)云沿y方向以2m為寬度進(jìn)行分塊，統(tǒng)計(jì)每個(gè)分塊內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)量，點(diǎn)云數(shù)量最大的兩塊點(diǎn)云即為主纜索面所在位置；

17、s203、將分割出的主纜和吊索點(diǎn)云分別投影到xoy平面，沿x方向以2m為寬度進(jìn)行分塊，統(tǒng)計(jì)每個(gè)分塊內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)量，點(diǎn)云數(shù)量最大的n塊點(diǎn)云即為吊索所在位置，n為單索面吊索的數(shù)量。

18、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，s3中獲取主纜節(jié)段和吊索軸線方程的方法，包括如下步驟：

19、s301、刪除主纜節(jié)段點(diǎn)云周圍的附屬設(shè)施點(diǎn)云，得到主纜節(jié)段的精確點(diǎn)云；

20、s302、將主纜節(jié)段點(diǎn)云沿x方向分割為等長(zhǎng)的多個(gè)微段，將每個(gè)微段沿其垂直方向投影，得到投影后的點(diǎn)云坐標(biāo)(x，y，z)，從投影后的點(diǎn)云中隨機(jī)抽取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行圓擬合，并依次遍歷所有的點(diǎn)，對(duì)計(jì)算出的圓心坐標(biāo)(xi，yi，zi)和半徑ri進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到出現(xiàn)概率最大的半徑r0，該半徑所對(duì)應(yīng)的圓心即為該微段主纜的形心坐標(biāo)(x0，y0，z0)，對(duì)所有微段均執(zhí)行上述操作，得到每個(gè)微段的形心坐標(biāo)(xi0，yi0，zi0)；

21、s303、對(duì)所有形心坐標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)懸鏈線進(jìn)行擬合，得到主纜節(jié)段的軸線方程，如式(2)所示，

22、

23、式中，q是主纜自重沿主纜長(zhǎng)度方向的集度，u是主纜軸力的水平分力，li是第i號(hào)交點(diǎn)和i+1交點(diǎn)的之間的水平距離，hi是第i號(hào)交點(diǎn)和i+1交點(diǎn)的之間的豎向距離；

24、s304、采用同樣的方法計(jì)算出吊索每個(gè)微段的形心坐標(biāo)(xd0，yd0，zd0)，對(duì)所有形心坐標(biāo)采用直線進(jìn)行擬合，得到吊索的軸線方程，如式(3)所示，

25、y(x)＝ax+b?(3)

26、s305、聯(lián)立兩個(gè)軸線方程，求解得出主纜交點(diǎn)坐標(biāo)(xi，yi，zi)。

27、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，s4中對(duì)主纜交點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行溫度修正的方法，包括如下步驟：

28、s401、對(duì)跨中主纜在溫度變化時(shí)導(dǎo)致的主纜跨中交點(diǎn)的高程變化δf01x進(jìn)行修正；

29、s402、對(duì)邊跨主纜在溫度變化時(shí)導(dǎo)致的主纜跨中交點(diǎn)的高程變化δf02x進(jìn)行修正；

30、s403、對(duì)橋墩在溫度變化時(shí)導(dǎo)致的主纜跨中交點(diǎn)的高程變化δf03x進(jìn)行修正。作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，s401中對(duì)主纜跨中交點(diǎn)的高程變化δf01x根據(jù)懸鏈線理論進(jìn)行計(jì)算，如式(4)所示：

31、

32、式中，s表示成橋狀態(tài)下的有應(yīng)力索長(zhǎng)，q是指主纜自重線荷載，h是指成橋狀態(tài)下的主纜水平力，θc是主纜線膨脹系數(shù)，δtc為主纜溫度變化量，l0是指中跨主纜計(jì)算跨徑，cn如式(5)所示，

33、

34、式中，n表示矢跨比；

35、s402中對(duì)主纜跨中交點(diǎn)的高程變化δf02x進(jìn)行計(jì)算，如式(6)所示，

36、

37、式中，l1和l1分別指懸索橋左側(cè)與右側(cè)邊跨跨徑，h1和h2指左側(cè)橋墩右側(cè)橋墩高度；

38、s403中對(duì)主纜跨中交點(diǎn)的高程變化δf03x進(jìn)行計(jì)算，如式(7)所示：

39、

40、式中，θp是主塔線膨脹系數(shù)；

41、從而得到溫度變化下跨中主纜交點(diǎn)的高程變化量，如式(8)所示：

42、δf0x＝δf01x+δf02x+δf03x???(8)

43、根據(jù)主纜跨中交點(diǎn)的變化量，得到溫度變化后的跨中主纜交點(diǎn)坐標(biāo)(x0,y0+δf0)與塔頂坐標(biāo)聯(lián)立，建立新的拋物線方程yi′，以此計(jì)算出主跨主纜的全部交點(diǎn)坐標(biāo)，如式(9)所示，

44、

45、式中，xi是指第i根吊索的x坐標(biāo)。

46、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，s5中生成無人機(jī)航線的方法，包括如下步驟：

47、s501、采用溫度計(jì)獲取無人機(jī)采集懸索橋圖像時(shí)的溫度，與采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)的溫度做差值，進(jìn)行主纜交點(diǎn)溫度修正；

48、s502、根據(jù)像素精度和拍攝范圍計(jì)算無人機(jī)距離主纜索面的位置，如式(10)所示，將主纜交點(diǎn)往外側(cè)擴(kuò)展，得到無人機(jī)航點(diǎn)；

49、

50、式中，d表示拍攝范圍，d＝2l+2δ＝2l+2，其中δ表示索夾寬度的一半，取1m，d表示成像傳感器寬度，l表示吊索間距；

51、s503、采用線段有序連接無人機(jī)航點(diǎn)，設(shè)置無人機(jī)飛行速度、偏航角度和云臺(tái)角度，生成精確的無人機(jī)航線，通過無人機(jī)對(duì)懸索橋主纜節(jié)段進(jìn)行正射影像的拍攝。

52、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，s6中得到主纜和吊索邊線的方法，包括如下步驟：

53、s601、對(duì)無人機(jī)所拍攝的正射影像進(jìn)行圖像標(biāo)記，建立深度學(xué)習(xí)的訓(xùn)練集進(jìn)行訓(xùn)練，從圖像中分割出主纜和吊索的圖像；

54、s602、采用主纜和吊索與背景邊緣之間的明顯的灰度梯度，以計(jì)算灰度梯度的方法設(shè)出主纜和吊索的邊線。

55、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，s6中得到主纜和吊索交點(diǎn)坐標(biāo)的方法，包括如下步驟：

56、s603、將主纜上下邊線采用二次拋物線擬合，分別為y1＝ax2+bx+c與y2＝ex2+fx+g，對(duì)擬合后的邊線yi＝qix+pi在其法向沿跨徑方向生成多條直線，邊線分別于法向直線交于點(diǎn)((x11,y11),(x21,y21))、((x12,y12),(x22,y22))...((x1i,y1i),(x2i,y2i))，然后將((x11,y11),(x21,y21))、((x12,y12),(x22,y22))...((x1i,y1i),(x2i,y2i))對(duì)應(yīng)的交點(diǎn)進(jìn)行球中點(diǎn)，既得到主纜軸線上的點(diǎn)，將主纜軸線上的點(diǎn)進(jìn)行拋物線擬合得到主纜軸線方程，yzi＝aix2+bix+ci；

57、s604、采用同樣的方法對(duì)吊索的邊線進(jìn)行直線擬合，得到吊索的軸線方程，ydi＝bdix+cdi；

58、s605、將兩個(gè)軸線方程聯(lián)立求解，得到主纜交點(diǎn)坐標(biāo)(xi，yi),計(jì)算出相鄰主纜交點(diǎn)的水平距離li和豎直距離hi。

59、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，將相鄰主纜交點(diǎn)的水平距離和豎直距離代入到懸索橋吊索索力的計(jì)算公式中，如式(12)所示，

60、pi＝u?sinh(αi)-u?sinh(2βi-1-αi-1)???(12)

61、式中，

62、計(jì)算出懸索橋吊索的索力。

63、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案的有益之處在于：通過在懸索橋上布設(shè)三維激光掃描儀采集懸索橋的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過點(diǎn)云拼接和點(diǎn)云處理得到主纜和吊索的交點(diǎn)坐標(biāo)及主纜形態(tài)，并對(duì)所獲取的交點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行溫度修正，然后對(duì)修正后的交點(diǎn)坐標(biāo)按照像素精度與無人機(jī)距離主纜的距離的關(guān)系進(jìn)行擴(kuò)展，得到無人機(jī)航點(diǎn)，從而完成無人機(jī)航線的規(guī)劃，通過無人機(jī)采集主纜節(jié)段的正射影像，然后采用圖像處理方法獲取主纜和吊索邊線，獲得主纜和吊索的交點(diǎn)坐標(biāo)，得到索力計(jì)算參數(shù)，根據(jù)索力計(jì)算公式計(jì)算吊索力，能夠使得對(duì)懸索橋日常的索力檢測(cè)更為快速、精確。