文摘
地面变形观测是地震工程领域的广泛关注。本文提出一种高精度位移测量技术基于计算机视觉和数值模拟。在地震期间,应用测试系统收集视觉数据的目标位置上安装。视觉可以量化的数据流自动动态相对位移值,采用数学视觉算法,然后通过相对位移作为中间量,引入迭代的数值模型。当测试结果接近模拟一个,绝对可以大约获得地面位移数据。进行一系列的实验已经表明该方法提供了一个创新的地面测量的高精度和低成本的解决方案。该方法不仅实现了实时地面变形观测;此外,它还提供了一个广泛的可靠的数据支持,了解变形机制,研究震源信息,认识到地面运动特征。
1。介绍
在地震地面变形一直是地震工程领域的一个热点。持续监控和量化的地面变形前后的地震不仅可以建立大量的数据对地震灾害的减轻,但也提供有价值的见解表面变形积累的发展阶段和地面运动特性1,2]。尽管地面位移响应被称为地面运动的关键指标评价,直接测量还面临着一个巨大的挑战,特别是在地震的动态测量。
早期的大地测量依赖于地面光学或机械技术,三角,三边测量、水准测量是最常见的。然而,很难提供一个精确的测量在复杂地质环境中持续由于离散点监测和累积误差(3]。需要高性能智能传感领域的机器,数据智能处理、实时监控和动态管理已经成为现代大地测量监测仪器的发展方向。
然而,地震观测网络作出伟大贡献的研究强烈的地震观测。近场主要冲击仍难以被完全记录由于稀疏网络密度在疼痛领域(4]。近年来,各种空间大地技术,特别是全球定位系统(GPS) (1,5)和干涉仪合成孔径雷达(INSAR) [6),被广泛研究实现地面运动深入分析的基础上表面变形。然而,大多数大地动态位移测量方法通常有局限性。配备了各种干预方法是限制可能的mismodeling效应(如电离层和对流层延迟、多路径和残留时钟误差)(7]。此外,大气的偏差所造成的影响,卫星轨道,和时间去相关敏感性会导致图像判读误差在INSAR技术(8,9]。所有这些限制将增加的不确定性和成本在真实地面运动测量。在本文中,我们使用计算机建立观测技术,是一种创新方法近年来通过前面的观测技术。
计算机视觉测量是一项创新技术(10]。以及无与伦比的技术进步在数字图像和计算机智能技术,应用技术广泛应用于各个领域,如人工智能(11)、结构检测(12),自动装配(13),和医疗设备14]。近年来,随着高精度、非接触、多点、和实时测量技术、视觉技术在土木工程应用程序有很大潜力。除了提供动态位移信息(15),应用技术显示广泛的损伤诊断的实现(16和结构健康监测17]。应用技术也有很大的优势在地面运动的测量与积分方法。测量的一个复杂的场景,从运动是一个广泛研究的主题结构,三维重建也广泛用于结构的改造18- - - - - -20.]。
此外,城市的发展使城市监测设备的数量规模。在此基础上,本文提出了一种新的方法用于测量绝对地面位移使用计算机视觉技术和数值模拟,设计简单,具有较高的精度。除了为每个组件呈现方法原则上,一系列的振动台试验,如目标运动跟踪和动态位移监测,进行了验证的可靠性和准确性提出了应用技术。本研究的意义主要体现在两个方面。首先,它提出了一种新的思想表面运动的测量。其次,它提供了一个有效的基础理解地面变形机制。
2。地面变形测试方法
2.1。该方法的基本原理
地面变形测试方法的基本原理如图1。从图、相机(安装在顶部的杆)是用于获得Δ相对位移u,等于相机变形-地面变形。与此同时,数值模拟获得的相对位移Δ执行u '。如果Δ之间的相关系数u和Δu′大于一个阈值ε(在这篇文章中,ε= 95%),我们可以得到近似绝对地面变形数值模拟值。同时,迭代时间短是因为简单的单自由度系统(应用)来模拟测试系统。基于结构动力学的基本原理、视觉检测设备简化为单自由度系统与集中质量米支持mass-free结构侧向刚度k,保留原来的结构动态特性(21]。
2.2。测试仪器和传感器的布局
这个测试中使用的摄像机,1920×1080像素的分辨率和能够衡量60帧每秒,光学设备(如眼镜、照相机)和目标大小的测量系统建立中发挥着重要作用。许多传感器部署来记录整个一系列振动台测试各种参数,如加速度和位移。测试中传感器的布局如图所示2,其中包括7个摄像头,2加速度计和陀螺仪,表示为直流,A,分别和G。
(一)
(b)
2.3。输入动作和加载条件
振动台试验的目的是获取地面变形测量方法的准确性。因此,输入运动应该涵盖范围广泛的频谱。使用平坦的噪音,1赫兹,3赫兹和埃尔森特罗和塔夫脱的地面运动作为参考波,塔夫脱的地面运动记录在塔夫脱地震学的记录站在Ms7.7克恩县地震1952年7月21日在加州,美国最初的峰值加速度,故障距离,和持续时间为0.152 g, 41公里,分别和54岁的年代。输入的加速度时间历程和傅里叶光谱运动如表所示1。平坦的噪声输入用于获得系统的固有特性,和1赫兹(PGA = 0.1 g)和3赫兹(PGA = 0.5 g)用于验证地面变形测试中应用的准确性和精度的方法。
2.4。建立测试方法和处理方法
被相机捕获的视频。中心坐标和目标圆的半径可以得到圆拟合的算法。目标的中心坐标来自采样静态图像序列。因此,水平和垂直位移目标圆中心的图像了,和真正的位移是通过校准图像像素之间的关系和坐标的实际对象(这里使用10厘米圆)。应用变形测试方法的流程图如图3。两个方法的要点是圆检测算法和校准的关系。摘要圆检测的基本原理的基础上,采用最小二乘方法(LSM),它使用目标圆圈的边缘点坐标只是做一个操作,和目标圆参数(中心坐标和半径)。算法流程如图4,在这边缘是图像中目标的边缘圆和(X我,Y我)是圆目标的边缘点坐标。算法的渐近时间复杂度O(n),这是计算效率。
应用动态位移测试的精度估计由一个小规模的振动台试验。验证系统如图5。四个目标圈(各界的半径10毫米)的位移测试,和应变位移米被放置在桌子的侧面板收集位移数据。测试输入励磁的1、3和5赫兹正弦波。基于标定关系,大约45.2像素代表1厘米的实际空间(22]。
不同荷载下的位移为选定的标记是通过位移计和建立位移测试方法进行了比较。结果如图所示6。很明显,位移振幅和形状接近曲线通过应用动态位移测试方法和应变位移米。当输入正弦波1、3和5赫兹,相应的位移曲线的相关系数来衡量两个测试方法是0.994,0.996,和0.990,分别。
2.5。数值模拟和验证
整个测试系统简化为单自由度模型。公式(1)是视觉测试系统的控制方程。为目的的研究提出的分析系统的可行性和准确性,相同的激励载荷选择输入数值模型。系统的相对位移的解析表达式是由杜哈梅积分计算方法,公式所示(2),绝对的地面位移是通过公式(3): 在哪里米,k, , ,和c质量、刚度、频率、阻尼系数、阻尼比,分别;和分别表达了地面运动加速度和位移;之间的相对位移分析的杆和地面;和振动时间,意味着时间积分项。
视觉系统的固有频率是7.96赫兹,3.42赫兹,和2.29赫兹,和阻尼率的1米,2米,3米,极是1.82%,4.20%,和6.32%,分别。实验数据和分析解决方案之间的相对位移(2米杆)如图7。应用位移测试结果接近在频域数值模拟结果为小型和大型pga,如表所示2。然而,在时域,应用测试结果大于数值结果,放大系数约为0.8120,0.9244,和0.8547的测试用例1赫兹(PGA = 0.1 g), 3赫兹(PGA = 0.5 g),和塔夫脱。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
除了使用图形和量化参数直观地反映Δ测量值之间的相关性uΔ和分析解决方案u′Bland-Altman方法还用于验证数值模型的可行性和准确性。如图8意思是作为横坐标和区别d=Δu−Δu′为纵坐标。中间的水平实线是均值的差异d可以看到,这是非常接近0的值。比较分散的分布分线内的一致性限制(d±1.96 Sd, Sd是标准偏差),差异为95.941%,99.200%,和96.502%位于不同工况下的置信区间,分别。结果表明,两种方法的结果是非常接近和一致的。数值模型表示的动态响应监测设备在复杂的地面运动。
3所示。结果和解释
3.1。地面位移
目前,地面位移通常采用的强震仪(使用数值积分法),和数字9- - - - - -10显示的位移积分加速度位移不同的测试用例;很明显,使用加速度积分得到位移需要相应的加速度信号的处理,特别是在过滤过程中,加速度信号不过滤、位移信号将被扭曲,和在不同的过滤器,位移显示不同的特征。此外,从图可以看出10,无论采用过滤和参数,信号将被抑制在某些频域,这样产生的位移值积分小于地面真理的价值。
在图11,地面位移通过新的测试方法几乎等于地面真理(在该测试中,我们使用Dc7,安装在振动台),在计算的相对位移数值模拟接近视觉系统的测量。此外,绝对位移测量的两种方法在频域符合较好。英航图的两个观测结果,散射点均匀分布的标准差,平均线接近于零,置信区间分布的差异占95%以上。因此,我们可以使用视觉系统和数值模拟方法获得近似的错位。
(一)
(b)
3.2。结论和讨论
我们已经提出和测试一个简单但复杂的估计地面变形的新方法。该方法的主要问题已经详细讨论,如可视化数据处理和数值方法。一系列的振动台试验进行了探讨了该方法的可行性和实用性。新方法与可接受的精度提供了一种地面位移测试方法,在非接触模式下,多点实时测量和成本节约。
基于我们的实验和数值模拟,可以获得实时地面位移,由视觉观察验证。注意,使用同样的地面运动已经在处理地面位移,这对应于条件当强震仪安装在设备的底部。然而,在实际条件下加速度是未知的;在这种情况下,我们使用最近的强震仪数据作为输入运动的种子和使用相对位移作为一个中间量,通过反复迭代来获取近似地面位移。我们的方法的基本思想是估计地面变形,与此同时,和逆方法可用于确定绝对地面位移由以下公式: 在哪里意味着相对位移,可以通过应用测试方法;米,c,k分别是质量、阻尼和刚度,并且可以测试或现有的成熟的计算方法。
指出,新的地面位移方法只能在平坦的表面,跟踪运动的方法无法对所有轴(执行X,Y,Z轴),利用双目视觉技术恢复深度信息,建立地震后的空间三维位移场。与此同时,设备参数测试中发挥非常重要的作用;此外,我们采用高精度优化圆拟合方法,随着计算机视觉算法的发展,精度可以持续的改进。此外,测量结果直接集成和新的测试方法都是比真正的位移小,和放大系数在1.2 ~ 1.3的范围。我们的方法有潜力提供大量的地震数据,光学设备的进步和VI视觉识别算法,该方法的准确性将会明显改善。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者欣然承认金融支持这项研究由中国自然科学基金会(51738001和51738001号)和中央项目的水平,科研院所基本研发特殊业务(DQJB17B03)。
补充材料
这个辅料是视频软件是如何工作和展示过程中使用的技术。使用技术中可以看到部分2。4的手稿。使用该软件,我们可以认识到目标并获得位移。视频中,计算出每一帧位移,位移时间序列是整个视频处理后获得的。(补充材料)