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摘要：本文阐述了高层结构侧移产生的原因，介绍了数字图像测量技术的工作原理及其优点，并简述了其工作方式，并对实际工程进行了水平位移的动态监测，证明了这种新技术实用性。
关键词：高层结构；数字图像测量；水平位移
Abstract：This paper describes the causes of high-level structure of lateral digital image measurement technology works and its advantages, and outlines how it works, and the actual construction of the horizontal displacement of the dynamic monitoring to prove that this new technologypracticality.
Key words: high-level structure; digital image measurement; horizontal displacement
中图分类号：O4-34 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
一，引言
数字图像测量技术是利用照相机、摄像机等对景物或者物体进行拍摄得到序列或者单帧数字图像，再应用数字图像处理分析等技术结合各种目标信息的求解和分析算法，对目标结构参数或者运动参数进行测量和估计的理论和技术[1]。近年来正在逐渐被人们所重视，并不断的在工程变形监测中进行尝试，现有的图像测量技术已经基本可实现对目标点的二维位移测量，而且测量精度高，对于大范围变形的目标也能适用，且使用经济，这种技术在桥梁变形测量应用较多[2]，目前也逐渐往民用建筑上发展，在钢结构变形监测也有了一定进展[3]。
二、高层结构侧移特性
高层结构在受到外荷载作用，结构在动荷载作用下水平方向的侧移随时间不停变化。随着结构高度增加，水平荷载下结构的侧向变形迅速增大，与结构高度四次方成正比。因此不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗推刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内[4]，否则会产生以下情况：
1，侧移变形过大会使人感觉不舒服，影响使用。
2，侧向变形过大会使填充墙或建筑装修出现裂缝或损坏，也会使电梯轨道变形。
3，侧向变形过大会使主体结构出现裂缝，甚至损坏。
4，侧向变形过大会使结构产生附加内力从而可能引起倒塌，建筑物上竖向荷载在侧向变形时会产生附加弯矩，即P-△效应。
因此对高层结构的侧向变形进行监测是非常有必要的。
三，数字图像测量技术原理及特点
数字图像测量技术是基于摄影测量学原理，通过对摄影成像系统拍摄的图像分析计算，得到被测物体在三维空间中的几何参数和运动参数。拍摄的影像是空间物体通过成像系统在像平面上的反映，即三维空间物体在像平面上的投影。数字影像每个像素的灰度反映了空间物体表面对应点的光强度，而该点的图像位置对应了空间物体的表面的几何位置。并且利用数字影像处理技术和数字影像匹配技术获得同名像点的坐标，通过软件自动计算得到对应物点的空间坐标，与初始位置进行比较，即可测量被测目标的变形位移量。通过的摄影测量系统的标定及采用先进的图像处理算法，能够实现亚像素级别的测量精度。目前常采用亚像素定位算法，一般情况下精度为0.1-0.5个像素，理想时可达到0.01个像素左右的精度[5]。
具有以下特性：①可瞬间得到被测物体的点位关系，作业方法有较大的灵活性；②采集的图片信息丰富，显示物体的客观变化，对于规则或不规则的物体变形测量都可使用；③可用于物体外形和运动状态的测定；④测量时，可以不接触物体，不干扰被测物体的自然状态；⑤测量图片利于保存，可隨时进行检查，分析及对比；⑥基于严谨的理论知识和先进的硬件软件设备，能提供相当高精度和可靠性的测量结果。
四、测量系统
基于数字图像测量技术的高层结构动态测量系统主要由以下几个部分组成：一、测量头，主要由工业相机和镜头组成，用于实时采集被测目标图像；二、PC平台，带有自主研发的图像处理系统，用于获取测量头采集的图像并处理得到实时数据；三、标志板，放置在被测点处，提高被测目标的可视性；四、千兆网线，连接测量头和PC平台，传递图像数据。这套测量系统的图像采集频率可达30Hz，完全可以满足高层结构的实时动态测量要求。
五、测量方式
根据建筑结构在外界干扰及自身结构作用下变形位移的特点，通过测量关键点在平面内的二维坐标、通过测得得位移变化来描述结构的运动特征。例如高层建筑在外水平荷载作用下，竖直方向的位移非常小，主要是对其水平方向位移进行测量，因此主要任务是获取结构不同高度在水平面内的二维坐标变化。
在需要监测的关键点所在的平面内设置标志板，提高被测目标的可视度。将标志板用人工方式固定在监测点处，保证它能代表监测点的运动姿态，将测量头利用螺栓固定在不动点，对仪器的姿态不作要求，对准标志板，仪器镜头主光轴与标志板平面之间的几何关系没有严格的要求。坐标系统的标定是通过标志板成像的图形和自身的几何尺寸之间的变换将测量头的像平面坐标归算到目标所在的坐标系统，经过图像算法处理，就能得实际的物坐标系结果，即标志板平面上的二维坐标值，得到运动变形量是以仪器架设为基点的数值。测量参数设置、实施及测量数据的获取可在远处数据处理平台上的数据软件中进行操作处理，可直接获取实时测量数据及变形曲线。
六、工程实测数据
该楼位于广州市一住宅小高层，地下为一层地下室，地上为21层，标准层层高为3.3m，结构体系采用框架-剪力墙结构，该工程按7度抗震烈度设防。测量点选在20层一阳台柱子处，高度为70m。自然条件非常适合测量，对测点进行了2分钟左右的同步动态测量，对数据进行分析处理，得到测点的侧移，换算出频谱图。测量得到X、Y方向的位移值和功率谱如下：
图6-1O点X方向位移时程曲线
图6-2O点X方向功率谱
图6-3O点Y方向位移时程曲线
图6-4O点Y方向位移功率谱图
七、结论
这套数字图像测量系统实现了对高层结构的水平位移的实时测量，并得到测量数据结果，测量过程完全可实现数据获取自动化、图表和结果输出的可视化。随着测量系统的进一步完善，其在结构健康监测领域中应用将更加广泛参考文献。
参考文献：
[1] 张祖勋，张剑清．数字摄影测量学[M ]．武汉：武汉测绘科技大学出版社，1997．
[2] 梁菲.近景摄影测量在桥梁变形监测中的应用，重庆交通大学，硕士学位论文，2010
[3] 于承新，滕永彪等.数字摄影与计算机技术在实时监测结构变形中的应用。济南大学学报(自然科学版)，2001，3(15)：232-234
[5] 于起峰，尚洋．摄像测量学原理与应用研究[M]．北京：科学出版社，2009．
[4] 王静．小议高层建筑结构设计，科学时代， 2011年4期.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：高层结构；数字图像测量；水平位移
Abstract：This paper describes the causes of high-level structure of lateral digital image measurement technology works and its advantages, and outlines how it works, and the actual construction of the horizontal displacement of the dynamic monitoring to prove that this new technologypracticality.
Key words: high-level structure; digital image measurement; horizontal displacement
中图分类号：O4-34 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
一，引言
数字图像测量技术是利用照相机、摄像机等对景物或者物体进行拍摄得到序列或者单帧数字图像，再应用数字图像处理分析等技术结合各种目标信息的求解和分析算法，对目标结构参数或者运动参数进行测量和估计的理论和技术[1]。近年来正在逐渐被人们所重视，并不断的在工程变形监测中进行尝试，现有的图像测量技术已经基本可实现对目标点的二维位移测量，而且测量精度高，对于大范围变形的目标也能适用，且使用经济，这种技术在桥梁变形测量应用较多[2]，目前也逐渐往民用建筑上发展，在钢结构变形监测也有了一定进展[3]。
二、高层结构侧移特性
高层结构在受到外荷载作用，结构在动荷载作用下水平方向的侧移随时间不停变化。随着结构高度增加，水平荷载下结构的侧向变形迅速增大，与结构高度四次方成正比。因此不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗推刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内[4]，否则会产生以下情况：
1，侧移变形过大会使人感觉不舒服，影响使用。
2，侧向变形过大会使填充墙或建筑装修出现裂缝或损坏，也会使电梯轨道变形。
3，侧向变形过大会使主体结构出现裂缝，甚至损坏。
4，侧向变形过大会使结构产生附加内力从而可能引起倒塌，建筑物上竖向荷载在侧向变形时会产生附加弯矩，即P-△效应。
因此对高层结构的侧向变形进行监测是非常有必要的。
三，数字图像测量技术原理及特点
数字图像测量技术是基于摄影测量学原理，通过对摄影成像系统拍摄的图像分析计算，得到被测物体在三维空间中的几何参数和运动参数。拍摄的影像是空间物体通过成像系统在像平面上的反映，即三维空间物体在像平面上的投影。数字影像每个像素的灰度反映了空间物体表面对应点的光强度，而该点的图像位置对应了空间物体的表面的几何位置。并且利用数字影像处理技术和数字影像匹配技术获得同名像点的坐标，通过软件自动计算得到对应物点的空间坐标，与初始位置进行比较，即可测量被测目标的变形位移量。通过的摄影测量系统的标定及采用先进的图像处理算法，能够实现亚像素级别的测量精度。目前常采用亚像素定位算法，一般情况下精度为0.1-0.5个像素，理想时可达到0.01个像素左右的精度[5]。
具有以下特性：①可瞬间得到被测物体的点位关系，作业方法有较大的灵活性；②采集的图片信息丰富，显示物体的客观变化，对于规则或不规则的物体变形测量都可使用；③可用于物体外形和运动状态的测定；④测量时，可以不接触物体，不干扰被测物体的自然状态；⑤测量图片利于保存，可隨时进行检查，分析及对比；⑥基于严谨的理论知识和先进的硬件软件设备，能提供相当高精度和可靠性的测量结果。
四、测量系统
基于数字图像测量技术的高层结构动态测量系统主要由以下几个部分组成：一、测量头，主要由工业相机和镜头组成，用于实时采集被测目标图像；二、PC平台，带有自主研发的图像处理系统，用于获取测量头采集的图像并处理得到实时数据；三、标志板，放置在被测点处，提高被测目标的可视性；四、千兆网线，连接测量头和PC平台，传递图像数据。这套测量系统的图像采集频率可达30Hz，完全可以满足高层结构的实时动态测量要求。
五、测量方式
根据建筑结构在外界干扰及自身结构作用下变形位移的特点，通过测量关键点在平面内的二维坐标、通过测得得位移变化来描述结构的运动特征。例如高层建筑在外水平荷载作用下，竖直方向的位移非常小，主要是对其水平方向位移进行测量，因此主要任务是获取结构不同高度在水平面内的二维坐标变化。
在需要监测的关键点所在的平面内设置标志板，提高被测目标的可视度。将标志板用人工方式固定在监测点处，保证它能代表监测点的运动姿态，将测量头利用螺栓固定在不动点，对仪器的姿态不作要求，对准标志板，仪器镜头主光轴与标志板平面之间的几何关系没有严格的要求。坐标系统的标定是通过标志板成像的图形和自身的几何尺寸之间的变换将测量头的像平面坐标归算到目标所在的坐标系统，经过图像算法处理，就能得实际的物坐标系结果，即标志板平面上的二维坐标值，得到运动变形量是以仪器架设为基点的数值。测量参数设置、实施及测量数据的获取可在远处数据处理平台上的数据软件中进行操作处理，可直接获取实时测量数据及变形曲线。
六、工程实测数据
该楼位于广州市一住宅小高层，地下为一层地下室，地上为21层，标准层层高为3.3m，结构体系采用框架-剪力墙结构，该工程按7度抗震烈度设防。测量点选在20层一阳台柱子处，高度为70m。自然条件非常适合测量，对测点进行了2分钟左右的同步动态测量，对数据进行分析处理，得到测点的侧移，换算出频谱图。测量得到X、Y方向的位移值和功率谱如下：
图6-1O点X方向位移时程曲线
图6-2O点X方向功率谱
图6-3O点Y方向位移时程曲线
图6-4O点Y方向位移功率谱图
七、结论
这套数字图像测量系统实现了对高层结构的水平位移的实时测量，并得到测量数据结果，测量过程完全可实现数据获取自动化、图表和结果输出的可视化。随着测量系统的进一步完善，其在结构健康监测领域中应用将更加广泛参考文献。
参考文献：
[1] 张祖勋，张剑清．数字摄影测量学[M ]．武汉：武汉测绘科技大学出版社，1997．
[2] 梁菲.近景摄影测量在桥梁变形监测中的应用，重庆交通大学，硕士学位论文，2010
[3] 于承新，滕永彪等.数字摄影与计算机技术在实时监测结构变形中的应用。济南大学学报(自然科学版)，2001，3(15)：232-234
[5] 于起峰，尚洋．摄像测量学原理与应用研究[M]．北京：科学出版社，2009．
[4] 王静．小议高层建筑结构设计，科学时代， 2011年4期.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。