一種大跨橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)空間插值與可視化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大跨橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與處理領(lǐng)域，尤其是一種大跨橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)空 間插值與可視化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)《公路長(zhǎng)大橋隧安全運(yùn)營(yíng)管理辦法（征求意見(jiàn)稿）》提出國(guó)道、省道特大橋的 安全運(yùn)營(yíng)管理應(yīng)貫徹"安全第一、預(yù)防為主"的工作方針，建議管養(yǎng)單位采用現(xiàn)代信息技術(shù)， 逐步建立長(zhǎng)大橋隧安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)掌握長(zhǎng)大橋隧的整體技術(shù)狀態(tài)和運(yùn)營(yíng)條件，為長(zhǎng)大 橋隧運(yùn)營(yíng)管理、養(yǎng)護(hù)維修、可靠性評(píng)估及相關(guān)科學(xué)研宄提供依據(jù)。目前，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的布 點(diǎn)主要集中在橋梁受力、承重的關(guān)鍵點(diǎn)。而大跨橋梁是一個(gè)無(wú)限自由度的整體，單從有限的 傳感器布點(diǎn)是無(wú)法完全得到完整的橋梁健康狀況信息的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服已有大跨橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息不完全、準(zhǔn)確性較低的不足，本發(fā)明提供 一種監(jiān)測(cè)信息完全、準(zhǔn)確性較高的大跨橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)空間插值與可視化方法。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種大跨橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)空間插值與可視化方法，所述方法包括以下步驟：
[0006] 1)插值模型的建立
[0007] 設(shè)所研宄區(qū)域?yàn)锳，插值點(diǎn)xQ(xQGA)域內(nèi)的n個(gè)已知點(diǎn)xi(XiGA，且i= 1，2. . .n)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值為Z(Xi)，以A,(i= 1，2. . .n)為權(quán)重系數(shù)，其權(quán)重公式：
[0009] 其中，diQ表示點(diǎn)X。與點(diǎn)Xi之間的距離，k為階次；
[0010] 空間插值公式表示為：
[0012] 其中\(zhòng)(i= 1，2. ..n)為歸一化的加權(quán)系數(shù)，
[0013] 2)橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變異函數(shù)的建立
[0014] 根據(jù)某一監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在大跨橋梁上的測(cè)點(diǎn)分布，構(gòu)造同一監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在橋面上分布的 變異函數(shù)，權(quán)重系數(shù)表示如下：
[0015] 在一維條件下變異函數(shù)定義為，當(dāng)空間點(diǎn)X在一維X軸上變化時(shí)，橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) Z(x)在空間坐標(biāo)點(diǎn)XjPXi處的監(jiān)測(cè)值Z(X(I)與Z(Xi)差的方差的一半為區(qū)域化變量Z(x) 在X軸方向上的變異函數(shù)，記為y(Xd,Xi)，即
[0017] 在二階平穩(wěn)假設(shè)條件下，有
[0019]因此，
[0021] 選擇指數(shù)模型為理論變異函數(shù)模型進(jìn)行擬合，指數(shù)模型的公式為：
[0023] 式中：CQ為塊金常數(shù)；
[0024] C為拱高；
[0025] h為相對(duì)距離；
[0026] Q+C為基臺(tái)值；
[0027] 由于l-e-3= 1-0. 05 = 0? 95 ~ 1，則變程為 3a;
[0028] 3)參估點(diǎn)的選取
[0029] 八方搜索方案是根據(jù)插值點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)把平面分成八個(gè)象限，以變程3a 的長(zhǎng)度為搜索半徑，在每一個(gè)象限中查找與插值點(diǎn)距離最近的已知樣本點(diǎn)；
[0030] 4)將變異函數(shù)的引入反距離平方加權(quán)法中進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的空間插值分析：
[0031] 交異函數(shù)是距離的函數(shù)，用變異函數(shù)代替IDW法中距離的冪，則IDW法中的權(quán)重系 可由變異函數(shù)來(lái)表示，那么權(quán)重系數(shù)A,改寫(xiě)為：
[0033] 從而將反距離加權(quán)法的計(jì)算公式改為：
[0035] 其中，&和x汾別為待估測(cè)點(diǎn)與周邊已知點(diǎn)坐標(biāo)，Y(x^Xi)是步驟2)中所定義 的基于橋梁實(shí)際監(jiān)測(cè)布點(diǎn)信息的變異函數(shù)；
[0036] 5)使用三維建模軟件建立用VRML語(yǔ)言編寫(xiě)的等比例大橋模型，實(shí)現(xiàn)可視化顯示。
[0037] 進(jìn)一步，所述步驟5)中，可視化顯示包括如下步驟：
[0038] 5. 1)計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在模型相應(yīng)位置的坐標(biāo)，并將坐標(biāo)矩陣填入VRML文件相 應(yīng)位置；
[0039] 5. 2)采用VRML命令中的點(diǎn)上色命令，結(jié)合各個(gè)點(diǎn)并使用VRML命令來(lái)將整個(gè)橋面 分割成等規(guī)格的網(wǎng)格，將得到的結(jié)果填入VRML文件的相應(yīng)位置；
[0040] 5. 3)將數(shù)值0到橋梁健康監(jiān)測(cè)傳感器報(bào)警閥值的數(shù)值區(qū)間分成49段小區(qū)間，每 一段小區(qū)間賦給相應(yīng)的RGB值，根據(jù)每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所在的小區(qū)間對(duì)這個(gè)節(jié)點(diǎn)在 橋梁三維模型相應(yīng)位置進(jìn)行上色，監(jiān)測(cè)數(shù)值超出傳感器報(bào)警閥值的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)直接標(biāo)記為紅 色，紅色為警示。
[0041] 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：空間插值是一種通過(guò)已知空間數(shù)據(jù)推求未知空間數(shù)據(jù)的方 法。它是基于"地理學(xué)第一定律"的基本假設(shè)：空間位置上越靠近的點(diǎn)，具有相似特征值的 可能性越大；而距離越遠(yuǎn)的點(diǎn)，其具有相似特征值的可能性越小。結(jié)合大跨橋梁監(jiān)測(cè)布點(diǎn)采 用變異函數(shù)來(lái)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（要對(duì)結(jié)構(gòu)的撓度、應(yīng)變測(cè)值）的區(qū)域化變量隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性進(jìn) 行表達(dá)并運(yùn)用于數(shù)據(jù)空間插值方法中。
[0042] 可視化（Visualization)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖 形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。它涉及到計(jì)算機(jī)圖形 學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，成為研宄數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決 策分析等一系列問(wèn)題的綜合技術(shù)。目前正在飛速發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也是以圖形圖像的可 視化技術(shù)為依托的。VRML(VirtualRealityModelingLanguage)即虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言，是 一種用于建立真實(shí)世界的場(chǎng)景模型或人們虛構(gòu)的三維世界的場(chǎng)景建模語(yǔ)言，也具有平臺(tái)無(wú) 關(guān)性。是目前Internet上基于WWW的三維互動(dòng)網(wǎng)站制作的主流語(yǔ)言。VRML本質(zhì)上是一種 面向web，面向?qū)ο蟮娜S造型語(yǔ)言，而且它是一種解釋性語(yǔ)言。VRML的對(duì)象稱(chēng)為結(jié)點(diǎn)，子 結(jié)點(diǎn)的集合可以構(gòu)成復(fù)雜的景物。結(jié)點(diǎn)可以通過(guò)實(shí)例得到復(fù)用，對(duì)它們賦以名字，進(jìn)行定義 后，即可建立動(dòng)態(tài)的VR(虛擬世界）。
[0043] 首先將橋梁結(jié)構(gòu)部件劃分為規(guī)則的網(wǎng)格，根據(jù)空間插值算法將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的估測(cè)值 全部求出；用建模軟件建立大橋三維等比例模型，計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在模型相應(yīng)位置的坐 標(biāo)，按照估測(cè)值的大小給該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域涂上相應(yīng)的顏色，以顏色來(lái)反映橋梁各種 參數(shù)的變化，并三維顯示出來(lái)。
[0044] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：1.橋梁健康監(jiān)測(cè)是關(guān)系老百姓出行安全的重要 環(huán)節(jié)，對(duì)經(jīng)濟(jì)民生有著重大影響，本發(fā)明中將一種新的方法應(yīng)用到橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)估測(cè) 及預(yù)警中，提高了橋梁健康監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性；2.運(yùn)用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)將估測(cè)數(shù)據(jù)用清晰明了 的三維顯示展示出來(lái)，讓橋梁管理者可以容易地看到橋梁何處較為危險(xiǎn)，可以及早做出防 范措施。
【附圖說(shuō)明】
[0045] 圖1是某大橋主跨跨中單方向應(yīng)力應(yīng)變傳感器理論變異函數(shù)圖。
[0046] 圖2是八方搜索方案。
[0047] 圖3是橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)空間插值流程圖。
[0048] 圖4是橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0050] 參照?qǐng)D1~圖4,一種大跨橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)空間插值與可視化方法，所述方法包括以 下步驟：
[0051] 1)插值模型的建立。
[0052] 設(shè)所研宄區(qū)域?yàn)锳，插值點(diǎn)xQ(xQGA)域內(nèi)的n個(gè)已知點(diǎn)xi(XiGA，且i= 1，2. . .n)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值為Z(Xi)，以A,(i= 1，2. . .n)為權(quán)重系數(shù)，對(duì)IDW算法基 本表達(dá)式做一個(gè)形式上的變化，其權(quán)重公式：
[0054] 其中，diQ表示點(diǎn)x。與點(diǎn)xi之間的距離，k為階次；
[0055] 則空間插值公式可以表示為：
[0057] 其中入i(i= 1，2...n)為歸一化的加權(quán)系數(shù)，
[0058] 2)橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變異函數(shù)的建立。
[0059] 由于反距離評(píng)方法中的權(quán)系數(shù)這種系數(shù)和Xi之間的構(gòu)形沒(méi)有任何關(guān)系，只要x。 和\兩點(diǎn)間的距離