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基于無人機(jī)與計(jì)算機(jī)視覺的中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所屬分類:建筑論文 閱讀次 時(shí)間:2021-02-22 09:19

本文摘要:摘 要:中國古建筑木結(jié)構(gòu)中裂縫繁多,裂縫成因與發(fā)展規(guī)律復(fù)雜,易引起木結(jié)構(gòu)構(gòu)件脆斷,從而嚴(yán)重威脅中國古建筑木結(jié)構(gòu)健康情況。該文基于無人機(jī)與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了一套適用于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫的監(jiān)測系統(tǒng),該監(jiān)測系統(tǒng)包含無人機(jī)系統(tǒng)、相機(jī)系統(tǒng)和圖像處

  摘 要:中國古建筑木結(jié)構(gòu)中裂縫繁多,裂縫成因與發(fā)展規(guī)律復(fù)雜,易引起木結(jié)構(gòu)構(gòu)件脆斷,從而嚴(yán)重威脅中國古建筑木結(jié)構(gòu)健康情況。該文基于無人機(jī)與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了一套適用于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫的監(jiān)測系統(tǒng),該監(jiān)測系統(tǒng)包含無人機(jī)系統(tǒng)、相機(jī)系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。在無人機(jī)系統(tǒng)中,該文設(shè)計(jì)了一款適合于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測的無人機(jī),并分析其懸停拍照的可行性。在相機(jī)系統(tǒng)中,進(jìn)行了相機(jī)畸變矯正、像素解析度標(biāo)定,并提出了一種改進(jìn)的SIFT+RANSAC方法以提高裂縫圖像拼接精度。在圖像處理系統(tǒng)中,選擇了適用于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫圖像的預(yù)處理方式,并將Hessian矩陣與自適應(yīng)閾值分割法融合,有效地提取了中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫特征,進(jìn)而通過計(jì)算機(jī)視覺測量方法準(zhǔn)確識(shí)別構(gòu)件和裂縫的尺寸。最后,基于中國古建筑木結(jié)構(gòu)亭子模型驗(yàn)證了所提出中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。

  關(guān)鍵詞:中國古建筑木結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測;裂縫;無人機(jī);計(jì)算機(jī)視覺

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

  中國古建筑木結(jié)構(gòu)具有極高的歷史、文化價(jià)值,但在其漫長的服役周期中,環(huán)境、人為因素導(dǎo)致中國古建筑木結(jié)構(gòu)出現(xiàn)各種形式的損傷。經(jīng)調(diào)研,裂縫是中國古建筑木結(jié)構(gòu)最為常見的損傷形式。中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫數(shù)量多、成因雜、危害大,發(fā)展規(guī)律難預(yù)測。中國古建筑木結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用榫卯連接,裂縫引起的斷裂會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)連續(xù)性倒塌[1],故目前亟需對中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行監(jiān)測。

  計(jì)算機(jī)方向評(píng)職知識(shí):無人機(jī)應(yīng)用研究論文發(fā)表要求高嗎

  從其他領(lǐng)域危險(xiǎn)裂縫監(jiān)測案例來看,一般裂縫監(jiān)測包括危險(xiǎn)裂縫識(shí)別和危險(xiǎn)裂縫生長監(jiān)測兩個(gè)步驟。在識(shí)別出結(jié)構(gòu)中危險(xiǎn)裂縫后,應(yīng)實(shí)時(shí)將該裂縫的生長情況反饋給監(jiān)測人員,方便監(jiān)測人員根據(jù)該裂縫的發(fā)展規(guī)律判斷結(jié)構(gòu)是否需要修繕。但對于大多數(shù)中國古建筑木結(jié)構(gòu),目前僅用人工檢測的方式識(shí)別和記錄危險(xiǎn)裂縫。少部分中國古建筑木結(jié)構(gòu)引入了超聲波[2]、應(yīng)力波[3−4]、皮羅釘[5]等無損檢測儀器。

  但是上述裂縫檢測方式存在如下弊端:上述方法人力、物力和財(cái)力消耗巨大;檢測過程存在無法到達(dá)的盲區(qū);檢測結(jié)果誤差大,且與檢測人員自身專業(yè)水平息息相關(guān);檢測周期較長,導(dǎo)致其難以反饋結(jié)構(gòu)突發(fā)事件, 檢測缺乏時(shí)效性。面對中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫,目前需要設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)、在線、動(dòng)態(tài)、無接觸式、無需依賴人工的裂縫監(jiān)測方法。目前中國古建筑木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域沒有類似的方法,但近年來橋梁結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測領(lǐng)域提出了基于無人機(jī)和計(jì)算機(jī)視覺的裂縫監(jiān)測系統(tǒng)[6]。

  通過分析可知,將上述系統(tǒng)用于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測存在如下問題:1)對于無人機(jī)系統(tǒng),其他領(lǐng)域無人機(jī)系統(tǒng)均依賴GPS信號(hào),并自主規(guī)劃路徑[7],對于監(jiān)測路徑可靠性要求極高,且所處環(huán)境GPS信號(hào)較弱的中國古建筑木結(jié)構(gòu)來說,已有無人機(jī)很難對其裂縫進(jìn)行監(jiān)測;2)對于相機(jī)系統(tǒng),中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測過程中需使用貼面正攝,拍攝距離和相機(jī)廣角使得上述過程需引入圖像拼接技術(shù),對鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行監(jiān)測時(shí),拍攝距離足夠且裂縫較為細(xì)小,因此并未使用圖像拼接技術(shù)[8],用于無人機(jī)遙感航拍的圖像拼接技術(shù)往往可選特征多,拼接精度要求不高[9],同樣無法滿足本文要求;3)對于圖像處理系統(tǒng),目前裂縫監(jiān)測圖像處理方法多源于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)的裂縫像素點(diǎn)占比少,與背景灰度值存在重疊,但與背景和噪聲形態(tài)不同,因此,研究人員通常使用基于形態(tài)的受限玻爾茲曼機(jī)(RBM)[10]和深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DCNN)[11]提取裂縫信息。

  但中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫與鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)裂縫差異較大,中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫像素點(diǎn)占比多,且與背景灰度值差別明顯,但存在與裂縫形態(tài)相似的木紋噪聲,因此目前常用的裂縫提取方法無法直接應(yīng)用。綜上所述:首先,介紹了中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫成因、發(fā)展規(guī)律和危險(xiǎn)裂縫判別條件;其次,分別提出了適合于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測的無人機(jī)系統(tǒng)、相機(jī)系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng);最后,利用中國古建筑木結(jié)構(gòu)亭子模型驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的裂縫監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。

  1 中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫特征

  1.1 中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫成因與危害

  中國古建筑木結(jié)構(gòu)建造年代久遠(yuǎn),很多木構(gòu)件上皆存在裂縫,而中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫成因與其他結(jié)構(gòu)(鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu))裂縫成因差異較大。中國古建筑木結(jié)構(gòu)原料的生長過程和結(jié)構(gòu)的建造過程均會(huì)產(chǎn)生裂縫,尤其是其服役過程,風(fēng)吹日曬、腐朽蟲蛀等環(huán)境影響,以及游客、改建等人為影響均會(huì)令古建筑木結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫[12]。 裂縫在后續(xù)荷載和環(huán)境作用下會(huì)進(jìn)一步發(fā)展,且因木材的強(qiáng)正交各向異性和復(fù)雜的微觀構(gòu)造導(dǎo)致裂縫發(fā)展規(guī)律極其復(fù)雜[13]。

  在現(xiàn)場很難確定古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫何時(shí)開始發(fā)展以及發(fā)展的速度。但因?yàn)橹袊沤ㄖ窘Y(jié)構(gòu)中的木材水分含量低,裂縫一旦擴(kuò)展極易出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象,局部的脆斷也將導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌。因此相比于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu),古建筑木結(jié)構(gòu)更需要進(jìn)行實(shí)時(shí)裂縫監(jiān)測。

  1.2 中國古建筑木結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)裂縫評(píng)價(jià)指標(biāo)

  中國古建筑木結(jié)構(gòu)中裂縫繁多,但并不是每一條裂縫的生長都會(huì)引起脆斷。因此本文設(shè)計(jì)的裂縫監(jiān)測系統(tǒng)首先應(yīng)識(shí)別出危險(xiǎn)裂縫,即該裂縫繼續(xù)發(fā)展極可能造成構(gòu)件斷裂,識(shí)別后對危險(xiǎn)裂縫的生長進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。據(jù)《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》[14]《古建筑修建工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》[15]。

  2 無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  2.1 無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)

  無人駕駛飛機(jī)簡稱“無人機(jī)”(unmanned aerialvehicle,UAV),因其使用費(fèi)用低、飛行安全性高、自然環(huán)境適應(yīng)性好,而被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、森林防火、電力和輸油管巡檢、災(zāi)后評(píng)估和建筑物外觀檢查等領(lǐng)域,但目前國內(nèi)外并沒有研究人員在中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測過程中使用無人機(jī)。不同領(lǐng)域需求不同,導(dǎo)致無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在差異,因此本研究設(shè)計(jì)了適用于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測的無人機(jī)系統(tǒng)。展示了本文無人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)及其與目前已有無人機(jī)的差別。

  2.2 無人機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)

  本文設(shè)計(jì)的適用于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測的無人機(jī)系統(tǒng)與目前已有的其他領(lǐng)域的無人機(jī)系統(tǒng)均不相同,其具有如下特點(diǎn):1)該無人機(jī)屬于輕小型無人機(jī),機(jī)身最大對角軸距400 mm,總重量為907 g,能夠滿足中國古建筑木結(jié)構(gòu)狹小空間內(nèi)裂縫監(jiān)測需求;2)該無人機(jī)為四旋翼,可直升直降、穩(wěn)定懸停、姿勢轉(zhuǎn)換、小角度轉(zhuǎn)彎,能夠在復(fù)雜的中國古建筑木結(jié)構(gòu)中使用;3)該無人機(jī)搭設(shè)1200萬像素(1200萬pixels)相機(jī),可正直貼面拍攝,并獲取精確的二維圖像,用于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫寬度和長度確定;

  4)該無人機(jī)無需搭載多相機(jī)和額外載重,抗風(fēng)要求低,故成本低。同時(shí),低需求使得該無人機(jī)在裝載高倍率電池后,能夠?qū)崿F(xiàn)40 min巡航,可滿足中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測要求;針對中國古建筑木結(jié)構(gòu)內(nèi)GPS信號(hào)弱的現(xiàn)象,本文設(shè)計(jì)的無人機(jī)系統(tǒng)可通過APM飛控中的IMU(inertial measurement unit)模塊實(shí)現(xiàn)慣性控制,IMU慣性模塊中的加速度器、陀螺儀、電子羅盤、壓力傳感器可在低GPS信號(hào)的環(huán)境中獲取無人機(jī)的姿態(tài)、航向、速度、位置等導(dǎo)航參數(shù)。

  另外,中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測航線規(guī)劃精確固定,故本文放棄目前其他領(lǐng)域民用無人機(jī)的航線自主優(yōu)化功能,出現(xiàn)障礙則選擇平穩(wěn)降落,不進(jìn)行新航線自主設(shè)計(jì),確保結(jié)構(gòu)和無人機(jī)自身安全。使用IMU慣性控制元件,輔助以RTK導(dǎo)航,結(jié)合Missionplanner軟件航線記憶功能,實(shí)現(xiàn)精確可靠的航線規(guī)劃。過程如下:監(jiān)測人員首先對裂縫監(jiān)測路徑進(jìn)行調(diào)研,確保所選路徑能夠獲取精確的裂縫信息,同時(shí)確保無人機(jī)在該路徑飛行時(shí)不會(huì)對中國古建筑木結(jié)構(gòu)的歷史、文化、宗教價(jià)值造成影響。

  確定路徑后,首飛需使用一體化遙控器人工控制無人機(jī)飛行,無人機(jī)中IMU模塊將記錄可以描述飛行路徑和姿態(tài)的數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)通過數(shù)傳發(fā)送至PC端的Missionplanner軟件,.kmz和.kml文件可在.tlog文件的基礎(chǔ)上創(chuàng)建,文件中包含首飛的所有信息,在低GPS信號(hào)的環(huán)境中,飛行信息主要來自于IMU慣性控制元件。將上述記錄的飛行信息再次輸入Missionplanner軟件,通過數(shù)傳傳遞至無人機(jī),無人機(jī)將能執(zhí)行相同的飛行路線、飛行姿態(tài)等,以實(shí)現(xiàn)后續(xù)無人機(jī)自動(dòng)監(jiān)測。

  3 相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  在無人機(jī)系統(tǒng)滿足監(jiān)測所需精度的基礎(chǔ)上,相機(jī)系統(tǒng)也應(yīng)能夠提供精度較高的照片。本部分分別介紹了相機(jī)系統(tǒng)的畸變矯正過程,像素解析度標(biāo)定過程和基于特征點(diǎn)的機(jī)載照片拼接過程。

  4 圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  本節(jié)對圖像處理系統(tǒng)中的預(yù)處理算法、裂縫提取算法、構(gòu)件尺寸和構(gòu)件裂縫尺寸獲取算法進(jìn)行介紹,并使用實(shí)驗(yàn)室木構(gòu)件對上述算法進(jìn)行驗(yàn)證。

  4.1 圖像預(yù)處理

  在使用無人機(jī)對中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行監(jiān)測時(shí),原始機(jī)載照片存在成像光線不均、拍攝噪聲多、圖像對比度差等諸多問題,這些問題會(huì)嚴(yán)重影響裂縫監(jiān)測精度。在裂縫提取前對機(jī)載照片的預(yù)處理十分重要。

  5 驗(yàn)證分析

  為驗(yàn)證上述無人機(jī)系統(tǒng),相機(jī)系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)在中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測過程中的有效性,使用該系統(tǒng)對北京交通大學(xué)建立的中國古建筑木結(jié)構(gòu)亭子模型中的裂縫進(jìn)行監(jiān)測。

  5.1 監(jiān)測模型

  本次監(jiān)測對象為北京交通大學(xué)古建筑結(jié)構(gòu)研究所為服務(wù)于中國古建筑木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測所建立的中國古建筑木結(jié)構(gòu)亭子模型。此亭子模型以故宮咸福宮井亭為原型建立,木料選用紅松,相似比1∶1,結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸和結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的連接形式與原井亭完全相同。亭子模型保留中國古建筑木結(jié)構(gòu)基本組成部分,即臺(tái)基部分、木構(gòu)造部分、屋頂部分。

  該亭子模型保留這些部分的結(jié)構(gòu)功能,而去除美觀功能,例如保留斗拱均勻傳遞荷載,維持空間穩(wěn)定性的功能,去除斗拱上的漆飾。另外,中國古建筑木結(jié)構(gòu)屋頂多是美觀之用,在結(jié)構(gòu)中僅起到為木框架增加上部荷載的作用,故該模型中的屋頂可使用相同重量的鋼筋混凝土板代替。因此本文監(jiān)測對象與中國古建筑木結(jié)構(gòu)形制相同,能夠代表真實(shí)的中國古建筑木結(jié)構(gòu),以此亭子模型驗(yàn)證本文提出的系統(tǒng)的有效性是合理的。

  6 結(jié)論

  本文設(shè)計(jì)了一種基于UAV和CV的中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)包括無人機(jī)系統(tǒng)、相機(jī)系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。

  (1)在無人機(jī)系統(tǒng)中,本文設(shè)計(jì)了一款適合于中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測的無人機(jī),該無人機(jī)區(qū)別于目前其他領(lǐng)域已有的民用無人機(jī)。該無人機(jī)體量輕小、易于操控、續(xù)航持久。使用AMP飛控中IMU慣性控制元件,結(jié)合Missionplanner軟件中航線記憶功能,實(shí)現(xiàn)了中國古建筑木結(jié)構(gòu)(低GPS環(huán)境)下高精度裂縫監(jiān)測航線規(guī)劃。加入超聲波元件實(shí)現(xiàn)拍攝過程中相機(jī)光心到構(gòu)件表面垂直距離的獲取。將圖傳、數(shù)傳、超聲波元件、PC端和一體化遙控器結(jié)合,為中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測過程提供多重安全保障。

  (2)相機(jī)系統(tǒng)中,本文使用MATLAB中CameraCalibration工具箱修正了機(jī)載廣角相機(jī)的桶形畸變。使用平行線測量法獲取機(jī)載相機(jī)的像素解析度。中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測過程受拍攝距離和相機(jī)廣角等因素影響,需要引入圖像拼接技術(shù)、特征點(diǎn)提取和特征點(diǎn)匹配技術(shù)是圖像拼接的關(guān)鍵。針對特征點(diǎn)提取方法,本文提出了一種改進(jìn)的SIFT特征點(diǎn)提取方法,該方法可對中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測機(jī)載相片中特征點(diǎn)進(jìn)行增強(qiáng),有效解決了中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測過程中無人機(jī)獲取機(jī)載相片特征點(diǎn)少的問題。針對特征點(diǎn)匹配方法,本文在BBF特征點(diǎn)算法的基礎(chǔ)上增加了RANSAC算法,減少特征點(diǎn)誤匹配現(xiàn)象,提高了圖像拼接精度,使原本“粗匹配”轉(zhuǎn)為“精匹配”,進(jìn)而提升裂縫尺寸測量精度。

  (3)在圖像處理系統(tǒng)中,考慮中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測過程中機(jī)載照片的特點(diǎn),本文引入灰度變換、中值濾波、一階微分Sobel算子邊緣檢測對已合成矯正的機(jī)載照片進(jìn)行預(yù)處理?紤]中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫特征,提出基于Hessian矩陣優(yōu)化的自適應(yīng)閾值分割算法,有效地將中國古建筑裂縫從背景和木紋噪聲中提取。最后應(yīng)用基于計(jì)算機(jī)視覺的尺寸測量技術(shù),實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件邊緣尺寸和裂縫尺寸的準(zhǔn)確測量,并通過實(shí)驗(yàn)室試件進(jìn)行了驗(yàn)證。

  (4)通過北京交通大學(xué)古建筑結(jié)構(gòu)研究所建立的中國古建筑木結(jié)構(gòu)亭子模型驗(yàn)證上述系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性;谠O(shè)定的巡檢路徑,本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、長期的中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測。將中國古建筑木結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果與人工測量結(jié)果對比,驗(yàn)證了本系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性。

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  作者:楊 娜1,張 翀2,李天昊1

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