建筑施工模板支架垂直度检测方法研究

温 锁 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检测方法研究

温 锁 林

(上海隧道工程有限公司，上海 200032)

介绍了建筑施工模板支架垂直度传统检测方法的缺点，提出了一种利用将立杆从空间位置投影到图像平面、图像处理与人机交互相结合等方式检测立杆垂直度的技术方法，指出该方法适应性强，安全性高，可实现远程信息化管理。

立杆，垂直度，检测方法，坐标变换，图像处理

0 引言

立杆作为脚手架体系中最主要的部件，是传递垂直施工荷载的承压杆件。立杆在安装时若有过大的垂直度偏差，其受力状态会受到极大地影响，脚手架的承载能力也会随之降低，甚者会因承载力损失而发生坍塌。国内外曾有许多脚手架坍塌的安全事故，影响非常恶劣，诸多事故中立杆垂直度偏差较大是原因之一。

JGJ 130—2011建筑施工钢管扣件式脚手架安全技术规范中规定，脚手架立杆垂直度偏差要求为不大于3‰，检测方法为用经纬仪或吊线和钢尺，按3%比例抽检。规范虽然对垂直度偏差及检测方法等有明确规定，但采用现有技术检测难度较大。首先是现有技术效率不高，无论经纬仪还是吊线，操作都很繁琐，每次只能检测一根立杆，当脚手架面积较大时工作量非常大；其次现有技术要求必须有人员爬到立杆顶部打点或吊线，当脚手架体较高时，人员上下无专用安全通道，有很大安全隐患；再次，现有规范中规定了脚手架安装完成后立杆垂直度要求，但在脚手架安装完成后立杆与水平杆、剪刀撑等连成整体，如立杆垂直度偏差不符合规范要求，调整难度非常大，因此必须在脚手架安装过程中实时检测立杆垂直度，现有技术无法实现。

因此，为解决现有检测方法效率低、人工成本高以及适应性差的缺点，研制了一种能够快速、准确检测立杆垂直度的技术方法。

1 立杆从空间位置投影到图像平面的过程

摄像机拍摄脚手架照片时，立杆的整个成像过程是由4个坐标系组成：世界坐标系、摄像机坐标系、成像平面坐标系、图像坐标系。从世界坐标系到摄像机坐标系的变换由平移和旋转组成，旋转矩阵R由3个旋转角度确定，分别是绕摄像机坐标系x轴旋转角度α、绕y轴旋转角度β、绕z轴旋转角度γ，旋转矩阵均为正交矩阵。立杆在摄像机坐标系下的坐标为(xc,yc,zc)，在世界坐标

系下的参数坐标为(xw,yw,zw)，具体变换关系为：

其中，t为平移矩阵，R和t中的参数是摄像机的外部参数，由摄像机坐标系与世界坐标系之间关系决定。摄像机坐标系下立杆投影到成像平面坐标系中的过程为：

其中，f为摄像机焦距。综上所述，立杆在图像坐标系上的坐标就能变换到世界坐标系中：

其中，sx,sy均为比例缩放因子，表示在水平和垂直方向上相邻图像像素之间的物理距离；(u0,v0)表示图像的光心点。事先标定好摄像机的内部参数，就可以通过立杆在图像上的坐标求出立杆上点的世界坐标值，当计算出来的点越多，就越能更好地拟合出立杆垂直的情况，如图1所示。

2 图像处理与人机交互相结合计算垂直度

图像处理的主要工作是获取拍摄图像时手机的姿态，同时结合人机交互、图像压缩、直线拟合等方法，计算出待测立杆的实际垂直度。单个立杆存在于整个脚手架当中，拍摄立杆图像时由于立杆长度较长、其他立杆遮挡等因素，用户从整个图像上无法看清立杆的垂直度情况，需要将立杆的大致区域提取出来，进行压缩显示。

用户在脚手架图像上手动点击一下，选择货架杆所在大致区域，获得该区域的数字图像信息。手机屏幕大小为Ix×Iy，立杆大致区域的大小为Dx×Dy，则X轴压缩倍数为：A=Ix/Dx，Y轴压缩倍数为：B=Iy/Dy，将待测立杆的大致区域的像素转换为手机屏幕区域进行显示(如图2所示)。

压缩后的图像每h个像素作为一个水平条，对每个水平条垂直投影(水平条大小为Ix×h，h为水平条每列的像素个数)，则:

其中，p(j)为水平条中第j列所有像素的灰度值垂直投影值;c(i,j)为水平条内(i,j)处的像素灰度值，j=1,2,…,Ix。根据p(j)曲线上波峰确定立杆区域，区域中心作为定位点。假设ρ表示原点到直线的垂直距离，θ表示直线的法线方向，x,y为平面直线坐标系上定位点的坐标，可采用如下参数方程表示立杆直线：

ρ=xcosθ+ysinθ。

曲线峰值计算出来定位点数量较多，并不是每个定位点都适合参与直线拟合计算，可以采用人工干预的方式去除不合适的定位点，合适定位点拟合出来的直线投影到距离与法线空间上，找出法线方向分布峰值，然后再求出立杆垂直度(如图3所示)。具体步骤如下：

1)用户在立杆所处压缩图的顶部和底部，各标记两个点。

2)分别找出与这两个点距离上较近的两组定位点集合P和Q。每组定位点与另一组所有点相连组成直线，对于集合P和Q上任意两个点p(xi,yi),q(xi,yi)，由上式以及平面两点共线原理可知，这两点映射到(ρ,θ)参数平面上的两条正弦曲线必定会交于某点(ρ0,θ0)：

ρ0=xicosθ0+yisinθ0；

ρ0=xjcosθ0+yjsinθ0。

上式变换可得θ0=arctan(xi-xj/yj-yi)，计算出一对(ρ0,θ0)参数值。

4)将压缩图中的坐标转换为原图坐标：

从而计算立杆的斜率α=arctg(y2-y1/x2-x1)，最后结合拍摄时摄像机的滚角得到立杆实际垂直度β。

3 结语

与传统方法相比，本技术具有成本低、效率高、计算精度较高的优点，且可在智能手机、平板电脑等设备上运行，通用性强、操作简便，检测与施工可同步进行，适应性强、安全性高，通过wifi还可将检测结果上传至服务器，实现远程信息化管理。

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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

温锁林(1981- )，男，硕士，高级工程师

TU755.2

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