結(jié)構(gòu)變形檢測的數(shù)字圖像法
本書介紹工程結(jié)構(gòu)靜、動變形檢測的一些數(shù)字圖像技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)檢測的數(shù)字圖像技術(shù)發(fā)展狀況，圖像采集設(shè)備，數(shù)字圖像、視頻的基本處理技術(shù)，結(jié)構(gòu)變形檢測的整像素方法和亞像素方法。重點介紹亞像素邊緣檢測方法，同時介紹數(shù)字圖像和視頻技術(shù)在結(jié)構(gòu)靜動試驗檢測方面的應(yīng)用，以及數(shù)字圖像技術(shù)在結(jié)構(gòu)虛實結(jié)合施工控制探索方面的應(yīng)用。圖像及視頻檢測應(yīng)用包括索、簡支梁、連續(xù)梁、桁架梁、箱梁、斜拉橋等模型試驗及車橋耦合振動模型試驗。
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我從20世紀80年代開始從事結(jié)構(gòu)分析計算及檢測試驗方面的工作，90年代開始從事模型修正、結(jié)構(gòu)破損檢測及健康評估工作，2005～2007年參與了100余座橋梁的現(xiàn)場試驗工作。工作中常與同行學(xué)者進行交流，有的學(xué)者認為結(jié)構(gòu)破損檢測的工程實用性不理想，主要原因是結(jié)構(gòu)識別理論研究方面的不足；目前工程試驗的主要難點之一是海量數(shù)據(jù)的分析處理問題而不是數(shù)據(jù)采集的問題。對此，我有不同意見。按照目前的模型修正、參數(shù)識別及破損檢測理論，在滿足一定條件下，只要數(shù)據(jù)是完備的，即使數(shù)據(jù)誤差較大，結(jié)構(gòu)狀態(tài)的識別也是可行的。主要問題是檢測數(shù)據(jù)的完備性欠缺，雖然研究遠說不上完善，但與檢測數(shù)據(jù)（尤其是大型結(jié)構(gòu)的檢測數(shù)據(jù)）采集技術(shù)相比，識別理論的研究進展是明顯超前的。現(xiàn)在的一些大型結(jié)構(gòu)在建設(shè)時安裝了實時監(jiān)測設(shè)備，日積月累，檢測數(shù)據(jù)是海量的，在分析處理過程中的存儲量及計算量確實是個大問題。但這種實測數(shù)據(jù)在完備性方面是有先天不足的，數(shù)據(jù)的時間間隔以分鐘甚至小時計，與采樣定理要求的秒、亞秒甚至毫秒的要求相差甚遠。與分析計算網(wǎng)格密度相比，檢測點僅設(shè)置在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵截面，網(wǎng)格密度很低甚至構(gòu)不成網(wǎng)格。依據(jù)粗放的原始數(shù)據(jù)追求精細化的識別結(jié)果是不現(xiàn)實的。
基于上述想法，我從10年前開始將工作重點放在結(jié)構(gòu)變形檢測的數(shù)字圖像研究方面，尋找某些完備性數(shù)據(jù)檢測方案，使結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)在空間和時間上與分析計算數(shù)據(jù)匹配，為建立與有限元代表的數(shù)字計算模型對應(yīng)的數(shù)字試驗?zāi)Ｐ痛蚧A(chǔ)。本書算是這10年相關(guān)工作的總結(jié)。
第一章簡要介紹結(jié)構(gòu)變形檢測的研究背景及現(xiàn)狀。第二章介紹圖像的基礎(chǔ)知識、采集設(shè)備及相關(guān)技術(shù)。第三章介紹整像素處理方法，亞像素處理如形心法及數(shù)字圖像相關(guān)的插值法。第四章介紹一維邊緣檢測法，第五章介紹二維邊緣檢測法。第六章介紹靜變形檢測，第一、二節(jié)的試驗主要由研究生劉敏完成，他還做了一維邊緣的多項式擬合編程工作，這也是本書有關(guān)工作中唯一由學(xué)生所做的編程工作。第七章介紹結(jié)構(gòu)振動檢測，該章及以后的內(nèi)容涉及的所有方案、程序、技術(shù)、論文模板及多數(shù)設(shè)備由我提供。第一、二節(jié)的試驗及數(shù)據(jù)處理主要由張盼和任張晨完成，第三節(jié)試驗主要由董湘婉完成，第四節(jié)主要由徐晏杰和李昆倫完成。第八章介紹關(guān)于車橋耦合振動的同步檢測，相關(guān)試驗由徐文鋒和吳晶完成，陳琨和廖曉云也做了相關(guān)數(shù)據(jù)處理工作，分析處理工作由我完成，學(xué)生的工作見參考文獻。第九章介紹結(jié)構(gòu)施工虛實控制方面的探索研究，第二節(jié)的計算由鄭仰坤完成，第三節(jié)的試驗主要由胡幫義完成，第四節(jié)的試驗主要由羅川舟和廖匯完成，第五節(jié)的試驗主要由劉輝完成。第十章內(nèi)容是傳統(tǒng)方法進行結(jié)構(gòu)振動試驗，第二節(jié)的試驗主要由我和鄭仰坤完成，第三節(jié)的試驗主要由羅川舟完成，第四節(jié)的試驗主要由胡幫義和任張晨完成，第五和第七節(jié)的試驗主要由劉輝完成，第六和第八節(jié)的試驗主要由胡幫義完成，第九節(jié)的試驗主要由陳堯元完成。
限于作者的學(xué)識和研究水平，本書難免有疏漏之處，希望專家、讀者指正。
袁向榮，男，1957年2月15日生。廣州大學(xué)土木工程學(xué)院交通土建工程系教授，博士生導(dǎo)師。1992年獲西南交通大學(xué)橋梁及隧道工程專業(yè)博士學(xué)位。1994年南京航空航天大學(xué)機械工程流動站振動沖擊與噪聲方向博士后出站，同時評為副教授。1998年11月晉升教授。主持完成國家自然科學(xué)基金項目3項，主研完成2項；主持完成省部級科研項目4項，主研完成近10項；主研完成橫向項目數(shù)十項。獲國家科技進步二等獎1項，省科技進步一等獎、二等獎各1項。發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇。
目錄
前言
第一章 概述 1
第一節(jié) 傳統(tǒng)變形檢測 1
第二節(jié) 數(shù)字圖像分析方法及結(jié)構(gòu)變形檢測 4
第三節(jié) 視頻分析方法及結(jié)構(gòu)振動測試 6
參考文獻 7
第二章 數(shù)字圖像及采集設(shè)備 12
第一節(jié) 數(shù)字圖像的基本概念 12
第二節(jié) 數(shù)字圖像采集設(shè)備 13
第三節(jié) 圖像分辨率與結(jié)構(gòu)變形檢測精度 16
第四節(jié) MATLAB中數(shù)字圖像采集及存取 17
第五節(jié) NI機器視覺系統(tǒng)的圖像采集 20
參考文獻 22
第三章 數(shù)字圖像整像素處理方法及結(jié)構(gòu)變形檢測 23
第一節(jié) 圖像分割、形心檢測及邊緣檢測 23
第二節(jié) 數(shù)字圖像相關(guān) 25
第三節(jié) 邊緣變形檢測的一維DIC法 26
第四節(jié) 邊緣變形檢測的二維DIC法 30
參考文獻 30
第四章 一維邊緣檢測法 32
第一節(jié) 一維高斯邊緣模型 33
一、光強方程 33
二、一維像素灰度 33
三、識別方程 33
第二節(jié) 反正切函數(shù)邊緣模型 35
第三節(jié) 多項式邊緣擬合法 36
第四節(jié) 多項式分段滑動擬合法 37
第五節(jié) 正交多項式邊緣擬合法 41
第六節(jié) 正交多項式擬合脈沖型邊緣 45
第七節(jié) 屋脊型邊緣識別 47
第八節(jié) 函數(shù)擬合法討論 49
參考文獻 52
第五章 二維邊緣檢測法 53
第一節(jié) 二維高斯邊緣模型 53
第二節(jié) 二維多項式邊緣擬合法 54
第三節(jié) 二維正交多項式邊緣擬合法 58
第四節(jié) 高斯邊緣模型識別法 64
參考文獻 70
第六章 結(jié)構(gòu)靜變形檢測的數(shù)字圖像法 72
第一節(jié) 簡支梁模型靜載檢測試驗——一維多項式邊緣識別 72
第二節(jié) 破損識別 74
第三節(jié) 脈沖型邊緣識別及板梁變形檢測模型試驗——一維正交多項式邊緣檢測 77
第四節(jié) 二維正交多項式邊緣識別及簡支梁變形檢測模型試驗 79
第五節(jié) 屋脊型邊緣識別及簡支梁變形檢測模型試驗 81
參考文獻 84
第七章 結(jié)構(gòu)振動檢測的數(shù)字圖像法 85
第一節(jié) 簡支梁模態(tài)分析試驗 85
一、簡支梁自由振動視頻檢測試驗 86
二、加速度檢測與視頻檢測比較試驗 90
第二節(jié) 二等跨連續(xù)梁模態(tài)分析試驗 93
一、二等跨連續(xù)梁自由振動視頻檢測試驗 94
二、二等跨連續(xù)梁振動加速度檢測與視頻檢測比較試驗 96
第三節(jié) 三跨連續(xù)梁模態(tài)分析試驗 98
第四節(jié) 弦振動模態(tài)分析試驗 102
參考文獻 105
第八章 車橋耦合振動同步檢測的數(shù)字圖像法 106
第一節(jié) 車橋耦合振動檢測現(xiàn)狀分析 106
第二節(jié) 車橋耦合振動檢測模型試驗 108
參考文獻 117
第九章 橋梁結(jié)構(gòu)施工虛實結(jié)合技術(shù) 120
第一節(jié) 概述 120
一、虛實結(jié)合施工控制的科學(xué)意義 120
二、虛實結(jié)合施工控制的工程意義及應(yīng)用前景 121
三、與虛實結(jié)合施工控制研究相關(guān)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析 121
第二節(jié) 桁架結(jié)構(gòu)施工控制虛實結(jié)合模擬 123
一、虛擬環(huán)境中的桁架建模 123
二、有限元建模及施工過程結(jié)構(gòu)分析 124
三、施工控制模擬分析 125
第三節(jié) 桁架結(jié)構(gòu)施工控制虛實結(jié)合模型試驗 126
一、鋼桁架施工各階段有限元建模及結(jié)構(gòu)變形預(yù)測計算 127
二、鋼桁架懸臂拼裝施工虛擬預(yù)演 128
三、鋼桁架懸臂拼裝實施過程 129
第四節(jié) 兩跨連續(xù)梁頂推施工虛實結(jié)合模型試驗 131
一、實驗?zāi)Ｐ?131
二、計算模型 133
三、第1跨頂推施工過程 134
四、第2跨頂推施工過程 139
五、兩跨連續(xù)箱梁虛實結(jié)合頂推施工 145
第五節(jié) 獨塔斜拉橋懸臂拼裝施工虛實結(jié)合模型試驗 147
一、主梁拼裝各階段斜拉橋模型計算 148
二、主梁懸臂拼裝施工過程 149
參考文獻 153
第十章 梁式結(jié)構(gòu)模態(tài)分析試驗研究 156
第一節(jié) 連續(xù)梁固有振動分析 157
第二節(jié) 不同跨徑組合的二跨連續(xù)梁的模態(tài)分析試驗 161
第三節(jié) 不同跨徑組合的三跨連續(xù)梁的模態(tài)分析試驗 164
第四節(jié) 不同跨徑組合的四跨連續(xù)梁的模態(tài)分析試驗 169
第五節(jié) 五等跨連續(xù)梁的模態(tài)分析試驗 172
第六節(jié) 二等跨連續(xù)曲梁的模態(tài)分析試驗 174
第七節(jié) 三等跨連續(xù)曲梁的模態(tài)分析試驗 177
第八節(jié) 懸臂鋼桁架梁模態(tài)分析試驗 179
第九節(jié) 連續(xù)梁頂推施工過程試驗?zāi)B(tài)分析 183
一、試驗概述 183
二、計算過程 183
三、連續(xù)梁頂推過程及模態(tài)分析試驗 185
四、頂推施工中二跨連續(xù)梁振型3D重現(xiàn) 188
參考文獻 189
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