一种基于红外热成像的拱桥温度场提取方法

本发明涉及温度场测量，具体为一种基于红外热成像的拱桥温度场提取方法。

背景技术：

1、拱桥一直在人类文明中扮演着连接城市、促进交流的重要角色。其设计和建造的技术创新推动了工程学科的发展。作为建筑工程中的经典之一，持续在世界各地的城市天际线中展现其优雅与力学的完美结合。随着交通建设纵深，山区桥梁已成为常态，拱桥因山区蜿蜒曲折的地形而拥有别的桥型不具备的优势而成为排头兵。拱桥的主要特点包括弯曲的拱形结构、均匀的荷载分布、优秀的强度和刚度等。这些特点使得拱桥在跨越大河、峡谷和山区道路等复杂地形时具有显著的优势。

2、随着桥梁设计跨度的增加，温度荷载对桥梁结构的影响愈发显著。温度变化会导致钢材膨胀或收缩，从而引发结构的伸缩和变形。如果忽视这种温度差异，仅采用均匀温度模型进行有限元分析，可能会导致与桥梁实际受力情况产生误差。传统的点式温度测量方法，如表贴式温度传感器，在测量拱桥温度场时存在效率低下等局限性。

技术实现思路

1、本发明实施方式的目的在于提供一种基于红外热成像的拱桥温度场提取方法，通过拍摄拱桥的红外图像来实现对其表面温度场的密集测量，该方法包括对拱桥四个方向(上、下、左、右)的数据采集和图像处理，从而建立一种红外热成像拱桥温度场的提取方法，同时开发了相应的局部温度图像识别和图像正射校正程序，使得拍摄过程中获取的局部红外温度图像能够更加良好的拼接，并且开发了温度场的自动提取方法，实现了对拱桥温度场的快速精确测量与提取。

2、本发明的实施方式是这样实现的：

3、本发明的实施方式提供了一种基于红外热成像的拱桥温度场提取方法，包括以下步骤：

4、步骤一、使用带有红外镜头的无人机，分别对桥梁的顶部、底部、左幅和右幅进行红外图像采集，采集路径按照从左往右依次进行拍摄，拍摄路径应平行于桥身，确保每张红外图像中拱桥的比例大小一致，并且保证相邻两张红外图像包含23％-26％的重合度；

5、步骤二、利用dji thermal sdk程序模块将拍摄所得的r-jpeg红外图像转换为raw格式图像；

6、步骤三、利用python程序模块将所得的raw格式图像转换为tif格式图像，并将转换后的tif格式图像处理为灰度值为0～255的灰度图像；

7、步骤四、利用matlab程序模块，对步骤三所得的灰度图像进行正射投影处理；

8、步骤五、利用phst软件模块将正射投影后的局部灰度图像拼接为整体灰度图像；

9、步骤六、利用matlab程序模块对拼接完成的整体灰度图像进行图像映射，并将灰度图像还原为温度图像；

10、步骤七、根据拱桥设计模型的坐标，利用matlab程序模块自动提取相应坐标点的温度值，从而实现对温度值的自动提取。

11、优选的，步骤四中对所得的灰度图像进行正射投影处理的方法如下：

12、a1、利用imread函数首先读取目标目录下的局部灰度图像image，并输入标定好的相机内参矩阵k＝[a11,a12,a13；a21,a22,a23；0,0,1]与相机的畸变参数c＝[b1,b2,b3,b4,b5]，内参矩阵k中a11和a22分别代表x轴和y轴方向相机焦距的长度，a12和a21表示相机的偏斜系数，a13和a23表示图像的主点坐标，畸变参数c中b1和b2表示主要径向畸变系数，b5表示次要径向畸变系数，b3和b4表示切向畸变系数；

13、a2、获取相机的焦距定义focallenth＝[k(1,1)k(2,2)]＝[(a11)(a22)]与主点定义principalpoint＝[k(1,3)k(2,3)]＝[(a13)(a23)]，提取局部灰度图像的尺寸大小，构建相机的内参矩阵对象：

14、intrinsics＝cameraintrinsics(focallength,principalpoint,imagesize)；

15、a3、构建相机的cameraparameters数据结构：

16、params＝struct(intrinsics,rp,tp)，其中包括相机的内参矩阵intrinsics，相机的径向畸变参数rp＝b(b1:b2)，相机的切向畸变参数tp＝b(b3:b4)；

17、a4、利用matlab程序模块中的undistortimage函数对原始图像进行畸变矫正，获得畸变矫正后的局部灰度图像；

18、a5、在局部灰度图像中沿拱桥轴向方向选取5个特征点并获取特征点的像素坐标picpoints＝[x1,y1；x2,y2；x3,y3；x4,y4；x5,y5]与对应5个特征点的局部世界坐标worldpoints＝[x1,0,z1；x2,0,z2；x3,0,z3；x4,0,z4；x5,0,z5]；

19、a6、利用matlab程序模块中的函数

20、estworldpose(picpoints,worldpoints,intrinsics)计算相机的姿态和外部参数，得到相机旋转矩阵cameraor和平移向量cameraloc；

21、a7、利用matlab程序模块中函数rotationmatrixtovector(cameraor')计算相机坐标系与世界坐标系的相对转角，得到相对转角rotationvector；

22、a8、分别构建关于x，y，z轴的旋转轴向量rotationaxis，利用matlab程序模块中的函数vrrotvec2mat([rotationaxis,rotationvector])依次对x轴、y轴、z轴进行旋转，从而得到旋转后的局部灰度图像世界坐标rotatedworldpoints；

23、a9、再次利用matlab程序模块中的函数

24、estworldpose(picpoints,rotatedworldpoints,intrinsics)计算相机的姿态和外部参数，得到新的相机旋转矩阵newcameraor和新的平移向量newcameraloc；

25、a10、根据新的旋转矩阵和平移向量，构建世界坐标系到相机坐标系的变换矩阵worldtocameramatrix＝[newcameraor',newcameraloc'；0 0 0 1]，通过变换矩阵将世界坐标系下的点变换到相机坐标系中，得到变换后的点在相机坐标系中的位置并保存到camerapointshomogeneous中，提取camerapointshomogeneous中x和y轴坐标，将其保存到transpicpoints；

26、a11、通过transpicpoints-transpicpoints(1,:)计算图像每个点与第一个特征点的坐标差delta，并通过delta+picpoints(1,:)计算出变换后的图像特征点坐标p；

27、a12、利用matlab程序模块中的函数

28、estgeotform2d(picpoints,p,'projective')，计算得到tform；

29、a13、利用matlab程序模块中的函数imwarp(image,tform)，处理得到转正射后的局部灰度图像，实现局部灰度图像的转正射处理。

30、优选的，步骤六中对拼接完成的整体温度图像进行图像温度映射的方法如下：

31、b1、利用matlab程序模块，分别获取若干个桥梁设计图像特征点的像素坐标designcoordinates和对应的整体温度拼接图像特征点的像素坐标imagecoordinates；

32、b2、利用matlab程序模块中的函数

33、fitgeotrans(imagecoordinates,designcoordinates,'affine')，计算出仿射变换矩阵t＝[a,b,tx；c,d,ty；0,0,1]，得到仿射变换形式为

34、[x；y]＝[a,b；c,d][x；y]+[tx；ty]；

35、b3、利用matlab程序模块中的imwarp函数，使温度拼接图像变换到桥梁设计图像上；

36、b4、利用matlab程序模块中的imbinarize函数，对变换后的图像进行二值化处理，将桥梁设计图像目标体外轮廓以外的灰度值全替换为0，外轮廓以内的灰度值全替换为1，并遍历图像中灰度值为1区域的像素坐标，把拼接完成的整体温度图像中对应的像素坐标的灰度值映射到设计图像中灰度值为1的区域中，完成图像温度映射与融合。

37、优选的，步骤七中对温度值的自动提取的方法如下：

38、c1、利用matlab程序模块，导入需要提取的温度图像和坐标表格，并显示温度图像；

39、c2、在温度图像中选择两个特征点，同时导入此特征点对应的设计模型坐标，从而计算出设计模型坐标与温度图像坐标的缩放比例因子与平移因子；

40、c3、根据缩放比例因子与平移因子计算出设计模型坐标对应的图像坐标，并对表格中所有坐标点进行标记；

41、c4、自动提取温度图像中标记点的温度值，从而实现温度自动提取。

42、优选的，步骤一中，图像采集时，相邻两张红外图像包含25％的重合度。

43、本发明提供的基于红外热成像的拱桥温度场提取方法，具备以下有益效果：

44、本发明利用搭载红外相机的无人机，能够高效快速获拱桥的局部红外图像，通过dji tsdk程序、python程序、matlab程序，phst软件，实现自动提取设计模型坐标点的温度值，解决了传统的拱桥温度测量方法在进行拱肋平面温度场的稠密测量时存在测温效率低、经济性较差的问题。