一種用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方法
2023-04-26 14:41:11
一種用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方法
【專利摘要】本發明涉及高速視頻測量建築物模型健康監測數據處理領域，尤其涉及一種用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方法。本發明的技術方案包括：一種用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度計算方法是以光束法平差解算目標點的三維空間坐標為數據源；通過數值微分法計算目標點速度；採用7點Savitzky-Golay濾波器對獲取的目標點速度值進行初次降噪處理；以降噪處理獲取的目標點速度值為數據源，通過數值微分計算目標點的加速度；採用9點Savitzky-Golay濾波器對獲取的目標點加速度進行二次降噪處理，以獲取高精度的目標點加速度。本發明所述的方法降低了基於高速視頻測量建築物模型健康監測解算目標點加速度過程的高頻噪聲的影響，提高了目標點加速度解算的精度。
【專利說明】一種用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度 解算方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及高速視頻測量建築物模型健康監測數據處理領域，尤其涉及一種用於 高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著經濟和社會的迅速發展，許多大型的建築物已經遍布世界各地，大型 建築物的穩定性和抗震性已經越來越引起社會的關注，為了保證建築物的安全性，需要在 建築物建造之前按照一定的比例構造建築物模型，並通過振動臺、爆破、撞擊等外力作用進 行建築物模型健康監測實驗，獲取建築物模型關鍵點的動態響應以推測其破壞機理，進而 採取相應的改進方法提高建築物的穩定性和抗震性，許多土木工程領域的專家和工程師對 此已經進行了大量的研究。目前，用於捕捉和分析建築物模型動態響應過程的技術主要採 用接觸式傳感器，包括位移計、加速度計、千分表和線性可變位移傳感器等。接觸式傳感器 是指傳感器必須要固定在測量建築物模型上用戶指定的位置以獲取該位置的動態信息，這 個特點決定了其具有一維性、短量程和易破壞等缺點。
[0003] 為了克服接觸式傳感器用於建築物模型健康監測的缺點，近年來，隨著傳感器技 術的迅速發展，基於高速相機的非接觸式視頻測量已經逐步在建築物模型健康監測展開應 用。視頻測量是一門集成了近景攝影測量和計算機視覺各自的優點發展起來的一門計算目 標三維坐標作為影像序列時間函數的非接觸式測量方法，以達到可以動態獲取目標的特徵 信息。高速視頻測量具有非接觸、密集測量和快速三維量測的優點，能夠在一瞬間記錄下物 體的空間位置和狀態，能及時地對動態物體進行定量分析，並把動態物體的整個發生過程 作為檔案記錄。在土木工程領域，加速度等是描述建築物模型健康監測動態響應過程的重 要參數，其可以很直觀、詳細、準確的反映建築物模型的動態響應過程，從而對建築物模型 的破壞機理進行合理、準確的分析。高速視頻測量相機幀頻一般較高，即影像序列中相鄰像 片中的採集時間間隔較短，不可避免的存在高頻噪聲的影響，影響目標點加速度解算的精 度。
【發明內容】
[0004] 針對上述技術問題，本發明設計開發了一種用於高速視頻測量建築物模型健康監 測目標點加速度解算方法，降低了高速視頻測量過程高頻噪聲的影響，提高目標點加速度 解算的精度。
[0005] 本發明提供的技術方案為：
[0006] -種用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方法，包括以下步 驟：
[0007] 步驟一、採用光束法平差模型求解目標點的三維空間坐標；
[0008] 步驟二、計算影像序列某一相位的當前空間位置與該目標點初始相位空間位置的 距離差獲取目標點的位移；
[0009] 步驟三、以目標點的位移值為數據源，採用兩點數值微分計算目標點的速度初值， 並採用7點Savitzky-Golay濾波器對獲取的目標點速度初值進行初次降噪處理；
[0010] 步驟四、以目標點初次降噪處理的速度值為數據源，採用兩點數值微分計算目標 點的加速度初值，並採用9點Savitzky-Golay濾波器對獲取的目標點加速度初值進行二次 降噪處理，獲取高精度的目標點加速度值。
[0011] 優選的是，所述的用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方 法，步驟一中的光束法平差模型把控制點坐標視為真值，目標點的三維空間坐標和相機的 外方位參數視為未知值，聯合求解目標點的物方空間坐標和相機的外方位參數。目標點的 三維空間坐標可以通過下述公式得到：
[0012] V = At+BX-L
[0013] 其中，V是由像點列出的誤差方程式組；t為由影像外方位元素組成的列矩陣，A為 矩陣t的參數矩陣；X為模型中全部待定點坐標改正數組成的列矩陣，B為矩陣X的參數矩 陣；L為誤差方程式的常數項。
[0014] 優選的是，所述的用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方 法，所述步驟二中的目標點的位移是指目標點在影像序列某一相位的當前空間位置與該目 標點初始相位空間位置的距離差。所述目標點的初始位移設為〇_，則目標點在相位η的 X，Υ和Ζ的位移值可通過下述公式得到：
[0015]
【權利要求】
1. 一種用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方法，其特徵在於， 包括以下步驟： 步驟一、採用光束法平差模型求解目標點的三維空間坐標； 步驟二、計算影像序列某一相位的當前空間位置與該目標點初始相位空間位置的距離 差獲取目標點的位移； 步驟三、以目標點的位移值為數據源，採用兩點數值微分計算目標點的速度初值，並採 用7點Savitzky-Golay濾波器對獲取的目標點速度初值進行初次降噪處理； 步驟四、以目標點初次降噪處理的速度值為數據源，採用兩點數值微分計算目標點的 加速度初值，並採用9點Savitzky-Golay濾波器對獲取的目標點加速度初值進行二次降噪 處理，獲取高精度的目標點加速度值。
2. 如權利要求1所述的用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方 法，其特徵在於，所述步驟一中的光束法平差模型把控制點坐標視為真值，目標點的三維空 間坐標和相機的外方位參數視為未知值，聯合求解目標點的物方空間坐標和相機的外方位 參數。目標點的三維空間坐標可以通過下述公式得到： V=At+BX-L 其中，V是由像點列出的誤差方程式組；t為由影像外方位元素組成的列矩陣，A為矩陣t的參數矩陣；X為模型中全部待定點坐標改正數組成的列矩陣，B為矩陣X的參數矩陣；L 為誤差方程式的常數項。
3. 如權利要求1所述的用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方 法，其特徵在於，所述步驟二中的目標點的位移是指目標點在影像序列某一相位的當前空 間位置與該目標點初始相位空間位置的距離差。所述目標點的初始位移設為〇_，則目標點 在相位n的X，Y和Z方向的位移值可通過下述公式得到：
其中，^和5Z11分別表示目標點在相位n的X，Y和Z方向的位移值；Xi，Y1和Z1 分別表示目標點在初始相位的X，Y和Z方向的坐標值；Xn，Yn和Zn分別表示目標點在相位n的X，Y和Z方向的坐標值。
4. 如權利要求1所述的用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方 法，其特徵在於，所述步驟三中的目標點在相位n的速度定義為目標點在相位n-1和相位 n+1之間的平均速度，所述步驟包括如下： a、 以目標點的位移數據為數據源，採用兩點數值微分解算目標點的速度初值； b、 以步驟a獲取的目標點的速度初值為數據源，採用7點Savitzky-Golay濾波器對獲 取的目標點速度初值進行初次降噪處理，消除高頻噪聲。
5. 如權利要求4所述的用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方 法，其特徵在於，所述步驟a中採用兩點數值微分解算目標點的速度初值可通過下述公式 得到：
其中，，％和FZ"表示目標點在相位n的X，Y和Z方向的速度；Xn+1，Yn+1和Zn+1表 示目標點在相位n+1的X，Y和Z方向三維空間坐標；XlriJlri和Zlri表示目標點在相位n-1 的X，Y和Z方向三維空間坐標；AT表示影像序列相鄰相位的時間間隔。
6. 如權利要求4所述的用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方 法，其特徵在於，所述步驟b中採用7點Savitzky-Golay濾波器對獲取的目標點速度初值 進行初次降噪處理，可通過下述公式得到：
其中V' 1是目標點i的速度平滑值，\_3…Vi+3是通過數值微分獲取的連續7個速度 值。
7. 如權利要求1所述的用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方 法，其特徵在於，所述步驟四中的目標點的加速度定義為目標點在相位n-1和相位n+1的平 均速度，所述步驟包括如下： a、 以經過7點Savitzky-Golay濾波器初次降噪處理的目標點的速度數據為數據源，採 用兩點數值微分解算目標點的加速度初值； b、 以步驟a獲取的目標點的加速度初值為數據源，採用9點Savitzky-Golay濾波器對 獲取的目標點加速度初值進行二次降噪處理，消除高頻噪聲。
8. 如權利要求7所述的用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方 法，其特徵在於，所述步驟a中採用兩點數值微分解算目標點的加速度初值可通過下述公 式得到：
其中，氣和％"表示目標點在相位n的X，Y和Z方向的加速度；Kz"+1，和 Fz"+1表示目標點在相位n+1的X，Y和Z方向的速度；和^^表示目標點在相 位n-1的X，Y和Z方向的速度；AT表示影像序列相鄰影像的時間間隔。
9. 如權利要求7所述的用於高速視頻測量建築物模型健康監測目標點加速度解算方 法，其特徵在於，所述步驟b中採用9點Savitzky-Golay濾波器對獲取的目標點加速度初 值進行二次降噪處理，可通過下述公式得到：
其中a'i是目標點i的加速度平滑值，aiyai+4是通過步驟a獲取的加速度初值。
【文檔編號】G01C21/10GK104266636SQ201410482638
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】劉祥磊, 江濤, 馬靜, 龐蕾, 張學東 申請人:北京建築大學