本文是一篇建筑工程管理论文，本文开展了温度变化下摄像测量图像虚位移规律和校正的研究。首先，开展了三种不同温度变化情况下摄像测量图像虚位移规律的研究，建立起温度与虚位移之间的关系。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
全国乃至世界范围内，大型结构的数量与规模屡次打破纪录，形态日新月异，这使它们在施工期与运营期的安全要求标准越来越高，因此，对监测大型结构的动态位移技术提出了极大挑战。保证结构安全的必要手段主要为前期对结构施工进行控制控制和后期对结构进行健康监测。为确保设计的状态能够安全实现，一些特殊类型结构已被规定必须在前期施工时进行控制，如：《公路斜拉桥设计细则》[1]规定斜拉桥这一类型结构在建设时必须进行前期的施工控制，其施工控制的两个重要指标为线形和应力。近二十多年，建筑健康监测越来越受到广泛关注[2-5]，全球范围内大型结构的健康监测案例枚不胜举，如大跨度桥梁、超高层建筑、大跨度空间结构等[6-16]。在考察结构安全性能众多因素中，位移是一项很重要的参考指标，。因此，对于建成后结构健康监测和建设过程中结构施工控制，获取位移仍是监测的基本内容。
目前，大型结构由于空间尺寸和三维形状的推陈出新，动态位移的获取仍存在很多难以克服的困难和挑战。传统的位移测量方法已有许多，但是在对大型结构动态位移进行监测时并不能完全满足需求，常见的测量方法有：加速度传感器、倾斜传感器、LVDT 位移传感器、GPS 定位器、连通管、全站仪等。然而，它们在大型结构动态位移监测使用中，并不能完美满足需求。全站仪需要人工对数据进行读数，当监测位移为动态位移时，人为获取数据很不方便。连通管可实现自动读数（光电液位读数、光纤光栅液位读数），但一般用于竖向相对位移监测，如：桥梁挠度，而不适用于水平位移监测，且存在液体凝固（温度过低）、液面不稳定（液体惯性力）等缺点。LVDT 位移传感器测量位移时需固定在不动基准点，测量目标点相对于不动基准点的位移变化。对于大型结构的动态位移监测来说，如：大跨度桥梁的跨中挠度、电视塔顶点水平位移等，结构上几乎找不到稳定参考点，因而 LVDT 室外应用场所往往有限。GPS 定位系统可测量三维位移，但垂直方向位移测量精度很低，且在测量时，需要考虑避免建筑遮挡信号、电磁干扰等影响，且设备和维修费用昂贵。在深圳证券交易所营运中心抬升裙楼（最大悬挑 36 m）结构健康监测工程中，由于塔楼对抬升裙楼的遮挡导致位移测点的高度角远大于截止高度角（15o），造成不宜采用 GPS，最终本人采用了摄像测量方法。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 结构位移摄像测量的研究现状及应用
结构位移摄像测量方法的流程：首先，根据视场和与目标板的距离选取合适的位置架设相机，其次对目标点进行标记（或在测点处安装标志），以便相机对目标点进行追踪。然后，对相机内部参数进行标定，如若双目测量，还要对外部参数进行标定。标定完成后，即可用电脑控制相机开始对标志点进行图像采集。最后，利用数字图像相关技术获取目标点在像平面的像素坐标，利用预先标定的相机内部参数和外部参数换算得到目标点的空间世界坐标。对于每帧数字图像，重复利用数字图像相关技术进行分析，即可得到不同时刻下目标点的位移时程曲线。
摄像测量方法在土木工程领域的应用和研究，起源于上世纪 90 年代初。最早提出采用摄像测量系统测量建筑位移是 Stephen 等(1993)人[17]，其利用相机成功测量了英国 Humber 大桥的桥梁跨中位移。Olaszek (1999)[18]首先关注摄像测量技术应用可靠性，对相机系统可能出现的一系列影响测量精度的因素进行了实验探讨，包括：标定过程与方法、标志点大小和形状、数字图像处理算法等，并应用于实际桥梁的短期现场试验。Patsias 和 Staszewski (2002)[19]首次利用高速摄像机来识别结构的振型模态，并通过模拟桥梁振动实验进行了应用型验证。Fu 和 Moosa (2002)[20]改进数字图像处理算法，将曲线拟合方法引入提高像素识别问题，通过对简支梁静载下的竖向变形曲线进行分析对此数字图像算法进行了验证。Hutchinson 和 Kuester (2004)[21]在目标识别上提出改进方法，首次将反光材料与发光材料应用在目标点上，并采用相机拍摄 LED 的方法来进行目标点捕捉。Lee 等(2007)[22]提出了采用无线通讯实现多点位移的同步摄像测量，通过振动台试验进行验证。Chang 和 Ji(2007)提出了采用两部数字摄像机监测结构三维位移，并设计了振动台和风洞试验进行验证[23] 。
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第二章 摄像测量系统组成及相机成像模型
2.1 引言
本章对摄像测量系统的硬件配备和成像模型进行了简要介绍，摄像测量过程就是将被测目标的三维空间特性投影到相机像面（CCD 板）的过程，即通过空间转换将被测目标三围尺寸测量出来的一种手段。摄像测量系统通过拍摄将空间物体转换为数字图像，空间物体表面上各点通过投影变化反映与数字图像上相应点一一对应，该点在相平面的像素坐标就可表征实际物体在空间中的位置。
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2.2 硬件配备
2.2.1 光学成像设备
（1）CCD 相机
CCD 全称为电荷耦合器件（charge coupled device），CCD 的作用就像胶片一样它的工作原理是将光线变为电信号，通过储存电信号记录光线的一种半导体元件。CCD 体积小、制作成本低，因而使 CCD 相机广泛生产并应用。
（2）光学镜头
根据镜头的性能及外形区分，目前有 P 型、E 型、L 型和自动变焦镜头等类型，对镜头进行选择时，常考虑以下几个因素：
a. 焦距范围b. 接口类型c. 分辨率
2.2.2图像采集系统
图像采集是指图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧存储器。主要包括以下三部分：（1）PC 图像采集卡（2）PC 图像处理卡（3）嵌入式板卡及设备
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第三章 温度变化对摄像测量精度影响研究.................14
3.1 引言................... 14
3.2 实验装置及实验设计 ............... 14
第四章 温致图像虚位移准参考样本补偿法研究.......31
4.1 引言....................... 31
4.2 像面位移函数及准参考样本补偿法原理 ................... 31
第五章 温度误差补偿方法现场应用研究.....................53
5.1 引言......................... 53
5.2 摄像测量现场模拟实验 ........................ 53
第五章 温度误差补偿方法现场应用研究
5.1 引言
在第三章中，通过三个不同温度变化阶段的实验，可以发现温度变化会对摄像测量精度产生很大的影响，从而对温度变化引起的摄像测量图像虚位移的规律进行了分析，发现温度变化和位移误差之间存在很强的相关性和线性关系。在第四章中，我们通过研究提出了一种准参考样本方法来校正摄像测量中由温度变化导致的图像虚位移。提出这种方法的动机是参考样本补偿方法经常陷入寻找固定目标的困难。与记录有固定目标的光学成像系统运动的参考样本补偿方法类似，我们提出通过在实验室中使用容易获得的固定目标校准光学成像系统的热效应来预先建立受温度变化影响的光学成像系统的位移函数。在实测中，光学成像系统的热诱导位移是由预先校准的位移函数来预测的。将不同温度条件下目标的像素坐标归一化为初始帧内的温度参考状态，减去光学成像系统预计的热诱导位移。通过这种方法，可以在不使用任何固定目标的情况下，从目标的像素坐标中去除热诱导的图像漂移，从而克服了在现场测量中寻找参考样本的困难。并用三组实验对相机系统进行了预标定，发现温度变化对相机成像平面在水平和竖直方向的刚体位移影响比较大，水平应变和竖向应变与温度变化也呈现很好的线性关系，像平面基本不发生剪切变形和旋转变形，并建立了温度补偿模型。但是上述研究只停留在实验阶段，为了使研究成果更具有运用价值和工程实践意义，我们需对已建立的数学模型进行验证。为此我们开展了现场摄像测量温致图像虚位移校正研究。
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第六章 结论与展望
6.1 本文总结
温度变化会对摄像测量系统的测量精度产生影响，现阶段中的温度致使摄像测量图像规律的研究较少，且缺少一种简便易操作的校正温致图像虚位移的补偿方法。为此，本文开展了温度变化下摄像测量图像虚位移规律和校正的研究。首先，开展了三种不同温度变化情况下摄像测量图像虚位移规律的研究，建立起温度与虚位移之间的关系。之后，本文提出了一种准参考样本方法,以纠正视频中热诱导的图像漂移。在理解热诱导图像漂移起源于像平面（CCD 板）位移的过程中，一阶多项式被用于模拟图像平面受温度变化的位移函数。通过对固定目标的使用,在一个带有空调的房间里进行了相机的热效应的校标定。设计了三种不同的测试场景,以研究图像虚位移变化规律是否与相机位姿方向有关。在此基础上,用一阶多项式模型对像平面的位移函数进行了阐述。详细检查了多项式参数的热诱导变化,并建立了多项式参数与平均相机温度之间的相关模型。本文开展了摄像测量现场模拟结构动态位移监测试验。通过模拟实际环境下结构动态位移现场实验,在温度控制和室外环境中进行了检查,以检查温致图像虚位移的校正方法。本研究得出以下结论:
(1) 温度变化会引起图像产生明显的虚位移，且在不同温度变化情况
