溫 鎖 林

(上海隧道工程有限公司，上海 200032)

建筑施工模板支架垂直度檢測方法研究

溫 鎖 林

(上海隧道工程有限公司，上海 200032)

介紹了建筑施工模板支架垂直度傳統(tǒng)檢測方法的缺點，提出了一種利用將立桿從空間位置投影到圖像平面、圖像處理與人機交互相結(jié)合等方式檢測立桿垂直度的技術(shù)方法，指出該方法適應(yīng)性強，安全性高，可實現(xiàn)遠程信息化管理。

立桿，垂直度，檢測方法，坐標(biāo)變換，圖像處理

0 引言

立桿作為腳手架體系中最主要的部件，是傳遞垂直施工荷載的承壓桿件。立桿在安裝時若有過大的垂直度偏差，其受力狀態(tài)會受到極大地影響，腳手架的承載能力也會隨之降低，甚者會因承載力損失而發(fā)生坍塌。國內(nèi)外曾有許多腳手架坍塌的安全事故，影響非常惡劣，諸多事故中立桿垂直度偏差較大是原因之一。

JGJ 130—2011建筑施工鋼管扣件式腳手架安全技術(shù)規(guī)范中規(guī)定，腳手架立桿垂直度偏差要求為不大于3‰，檢測方法為用經(jīng)緯儀或吊線和鋼尺，按3%比例抽檢。規(guī)范雖然對垂直度偏差及檢測方法等有明確規(guī)定，但采用現(xiàn)有技術(shù)檢測難度較大。首先是現(xiàn)有技術(shù)效率不高，無論經(jīng)緯儀還是吊線，操作都很繁瑣，每次只能檢測一根立桿，當(dāng)腳手架面積較大時工作量非常大；其次現(xiàn)有技術(shù)要求必須有人員爬到立桿頂部打點或吊線，當(dāng)腳手架體較高時，人員上下無專用安全通道，有很大安全隱患；再次，現(xiàn)有規(guī)范中規(guī)定了腳手架安裝完成后立桿垂直度要求，但在腳手架安裝完成后立桿與水平桿、剪刀撐等連成整體，如立桿垂直度偏差不符合規(guī)范要求，調(diào)整難度非常大，因此必須在腳手架安裝過程中實時檢測立桿垂直度，現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)。

因此，為解決現(xiàn)有檢測方法效率低、人工成本高以及適應(yīng)性差的缺點，研制了一種能夠快速、準(zhǔn)確檢測立桿垂直度的技術(shù)方法。

1 立桿從空間位置投影到圖像平面的過程

攝像機拍攝腳手架照片時，立桿的整個成像過程是由4個坐標(biāo)系組成：世界坐標(biāo)系、攝像機坐標(biāo)系、成像平面坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系。從世界坐標(biāo)系到攝像機坐標(biāo)系的變換由平移和旋轉(zhuǎn)組成，旋轉(zhuǎn)矩陣R由3個旋轉(zhuǎn)角度確定，分別是繞攝像機坐標(biāo)系x軸旋轉(zhuǎn)角度α、繞y軸旋轉(zhuǎn)角度β、繞z軸旋轉(zhuǎn)角度γ，旋轉(zhuǎn)矩陣均為正交矩陣。立桿在攝像機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xc,yc,zc)，在世界坐標(biāo)

系下的參數(shù)坐標(biāo)為(xw,yw,zw)，具體變換關(guān)系為：

其中，t為平移矩陣，R和t中的參數(shù)是攝像機的外部參數(shù)，由攝像機坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間關(guān)系決定。攝像機坐標(biāo)系下立桿投影到成像平面坐標(biāo)系中的過程為：

其中，f為攝像機焦距。綜上所述，立桿在圖像坐標(biāo)系上的坐標(biāo)就能變換到世界坐標(biāo)系中：

其中，sx,sy均為比例縮放因子，表示在水平和垂直方向上相鄰圖像像素之間的物理距離；(u0,v0)表示圖像的光心點。事先標(biāo)定好攝像機的內(nèi)部參數(shù)，就可以通過立桿在圖像上的坐標(biāo)求出立桿上點的世界坐標(biāo)值，當(dāng)計算出來的點越多，就越能更好地擬合出立桿垂直的情況，如圖1所示。

2 圖像處理與人機交互相結(jié)合計算垂直度

圖像處理的主要工作是獲取拍攝圖像時手機的姿態(tài)，同時結(jié)合人機交互、圖像壓縮、直線擬合等方法，計算出待測立桿的實際垂直度。單個立桿存在于整個腳手架當(dāng)中，拍攝立桿圖像時由于立桿長度較長、其他立桿遮擋等因素，用戶從整個圖像上無法看清立桿的垂直度情況，需要將立桿的大致區(qū)域提取出來，進行壓縮顯示。

用戶在腳手架圖像上手動點擊一下，選擇貨架桿所在大致區(qū)域，獲得該區(qū)域的數(shù)字圖像信息。手機屏幕大小為Ix×Iy，立桿大致區(qū)域的大小為Dx×Dy，則X軸壓縮倍數(shù)為：A=Ix/Dx，Y軸壓縮倍數(shù)為：B=Iy/Dy，將待測立桿的大致區(qū)域的像素轉(zhuǎn)換為手機屏幕區(qū)域進行顯示(如圖2所示)。

壓縮后的圖像每h個像素作為一個水平條，對每個水平條垂直投影(水平條大小為Ix×h，h為水平條每列的像素個數(shù))，則:

其中，p(j)為水平條中第j列所有像素的灰度值垂直投影值;c(i,j)為水平條內(nèi)(i,j)處的像素灰度值，j=1,2,…,Ix。根據(jù)p(j)曲線上波峰確定立桿區(qū)域，區(qū)域中心作為定位點。假設(shè)ρ表示原點到直線的垂直距離，θ表示直線的法線方向，x,y為平面直線坐標(biāo)系上定位點的坐標(biāo)，可采用如下參數(shù)方程表示立桿直線：

ρ=xcosθ+ysinθ。

曲線峰值計算出來定位點數(shù)量較多，并不是每個定位點都適合參與直線擬合計算，可以采用人工干預(yù)的方式去除不合適的定位點，合適定位點擬合出來的直線投影到距離與法線空間上，找出法線方向分布峰值，然后再求出立桿垂直度(如圖3所示)。具體步驟如下：

1)用戶在立桿所處壓縮圖的頂部和底部，各標(biāo)記兩個點。

2)分別找出與這兩個點距離上較近的兩組定位點集合P和Q。每組定位點與另一組所有點相連組成直線，對于集合P和Q上任意兩個點p(xi,yi),q(xi,yi)，由上式以及平面兩點共線原理可知，這兩點映射到(ρ,θ)參數(shù)平面上的兩條正弦曲線必定會交于某點(ρ0,θ0)：

ρ0=xicosθ0+yisinθ0；

ρ0=xjcosθ0+yjsinθ0。

上式變換可得θ0=arctan(xi-xj/yj-yi)，計算出一對(ρ0,θ0)參數(shù)值。

4)將壓縮圖中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為原圖坐標(biāo)：

從而計算立桿的斜率α=arctg(y2-y1/x2-x1)，最后結(jié)合拍攝時攝像機的滾角得到立桿實際垂直度β。

3 結(jié)語

與傳統(tǒng)方法相比，本技術(shù)具有成本低、效率高、計算精度較高的優(yōu)點，且可在智能手機、平板電腦等設(shè)備上運行，通用性強、操作簡便，檢測與施工可同步進行，適應(yīng)性強、安全性高，通過wifi還可將檢測結(jié)果上傳至服務(wù)器，實現(xiàn)遠程信息化管理。

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Study on verticality detection methods of building construction template support

Wen Suolin

(ShanghaiTunnelEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200032,China)

The paper introduces disadvantages of traditional verticality detection methods of building construction template support, and puts forward a kinds of upright verticality detecting technology method of projecting the upright from spatial location into image plane and combining image processing with man-machine interaction, and finally points out its merits, such as strong adaptability, high security and realizing remote information management and so forth.

upright, verticality, detection method, coordinate transformation, image processing

1009-6825(2017)22-0102-02

2017-05-26

溫鎖林(1981- )，男，碩士，高級工程師

TU755.2

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