一种大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法
一种大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及大跨桥梁监测数据分析与处理领域，尤其是一种大跨桥梁监测数据空 间插值与可视化方法。
【背景技术】
[0002] 我国《公路长大桥隧安全运营管理办法（征求意见稿）》提出国道、省道特大桥的 安全运营管理应贯彻"安全第一、预防为主"的工作方针，建议管养单位采用现代信息技术， 逐步建立长大桥隧安全监测系统，及时掌握长大桥隧的整体技术状态和运营条件，为长大 桥隧运营管理、养护维修、可靠性评估及相关科学研宄提供依据。目前，桥梁结构监测的布 点主要集中在桥梁受力、承重的关键点。而大跨桥梁是一个无限自由度的整体，单从有限的 传感器布点是无法完全得到完整的桥梁健康状况信息的。
【发明内容】
[0003] 为了克服已有大跨桥梁监测数据的信息不完全、准确性较低的不足，本发明提供 一种监测信息完全、准确性较高的大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0005] -种大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法，所述方法包括以下步骤：
[0006] 1)插值模型的建立
[0007] 设所研宄区域为A，插值点xQ(xQGA)域内的n个已知点xi(XiGA，且i= 1，2. . .n)的桥梁结构监测数据值为Z(Xi)，以A,(i= 1，2. . .n)为权重系数，其权重公式：
[0009] 其中，diQ表示点X。与点Xi之间的距离，k为阶次；
[0010] 空间插值公式表示为：
[0012] 其中\(i= 1，2. ..n)为归一化的加权系数，
[0013] 2)桥梁监测数据变异函数的建立
[0014] 根据某一监测数据在大跨桥梁上的测点分布，构造同一监测数据在桥面上分布的 变异函数，权重系数表示如下：
[0015] 在一维条件下变异函数定义为，当空间点X在一维X轴上变化时，桥梁监测数据 Z(x)在空间坐标点XjPXi处的监测值Z(X(I)与Z(Xi)差的方差的一半为区域化变量Z(x) 在X轴方向上的变异函数，记为y(Xd,Xi)，即
[0017] 在二阶平稳假设条件下，有
[0019]因此，
[0021] 选择指数模型为理论变异函数模型进行拟合，指数模型的公式为：
[0023] 式中：CQ为块金常数；
[0024] C为拱高；
[0025] h为相对距离；
[0026] Q+C为基台值；
[0027] 由于l-e-3= 1-0. 05 = 0? 95 ~ 1，则变程为 3a;
[0028] 3)参估点的选取
[0029] 八方搜索方案是根据插值点的横坐标和纵坐标把平面分成八个象限，以变程3a 的长度为搜索半径，在每一个象限中查找与插值点距离最近的已知样本点；
[0030] 4)将变异函数的引入反距离平方加权法中进行监测数据的空间插值分析：
[0031] 交异函数是距离的函数，用变异函数代替IDW法中距离的幂，则IDW法中的权重系 可由变异函数来表示，那么权重系数A,改写为：
[0033] 从而将反距离加权法的计算公式改为：
[0035] 其中，&和x汾别为待估测点与周边已知点坐标，Y(x^Xi)是步骤2)中所定义 的基于桥梁实际监测布点信息的变异函数；
[0036] 5)使用三维建模软件建立用VRML语言编写的等比例大桥模型，实现可视化显示。
[0037] 进一步，所述步骤5)中，可视化显示包括如下步骤：
[0038] 5. 1)计算各个网格节点在模型相应位置的坐标，并将坐标矩阵填入VRML文件相 应位置；
[0039] 5. 2)采用VRML命令中的点上色命令，结合各个点并使用VRML命令来将整个桥面 分割成等规格的网格，将得到的结果填入VRML文件的相应位置；
[0040] 5. 3)将数值0到桥梁健康监测传感器报警阀值的数值区间分成49段小区间，每 一段小区间赋给相应的RGB值，根据每一个网格节点监测数据所在的小区间对这个节点在 桥梁三维模型相应位置进行上色，监测数值超出传感器报警阀值的网格节点直接标记为红 色，红色为警示。
[0041] 本发明的技术构思为：空间插值是一种通过已知空间数据推求未知空间数据的方 法。它是基于"地理学第一定律"的基本假设：空间位置上越靠近的点，具有相似特征值的 可能性越大；而距离越远的点，其具有相似特征值的可能性越小。结合大跨桥梁监测布点采 用变异函数来对监测数据（要对结构的挠度、应变测值）的区域化变量随机性和结构性进 行表达并运用于数据空间插值方法中。
[0042] 可视化（Visualization)是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图 形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图形 学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研宄数据表示、数据处理、决 策分析等一系列问题的综合技术。目前正在飞速发展的虚拟现实技术也是以图形图像的可 视化技术为依托的。VRML(VirtualRealityModelingLanguage)即虚拟现实建模语言，是 一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，也具有平台无 关性。是目前Internet上基于WWW的三维互动网站制作的主流语言。VRML本质上是一种 面向web，面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。VRML的对象称为结点，子 结点的集合可以构成复杂的景物。结点可以通过实例得到复用，对它们赋以名字，进行定义 后，即可建立动态的VR(虚拟世界）。
[0043] 首先将桥梁结构部件划分为规则的网格，根据空间插值算法将网格节点的估测值 全部求出；用建模软件建立大桥三维等比例模型，计算各个网格节点在模型相应位置的坐 标，按照估测值的大小给该网格节点所在的区域涂上相应的颜色，以颜色来反映桥梁各种 参数的变化，并三维显示出来。
[0044] 本发明的有益效果主要表现在：1.桥梁健康监测是关系老百姓出行安全的重要 环节，对经济民生有着重大影响，本发明中将一种新的方法应用到桥梁健康监测数据估测 及预警中，提高了桥梁健康监测的准确性；2.运用数据可视化技术将估测数据用清晰明了 的三维显示展示出来，让桥梁管理者可以容易地看到桥梁何处较为危险，可以及早做出防 范措施。
【附图说明】
[0045] 图1是某大桥主跨跨中单方向应力应变传感器理论变异函数图。
[0046] 图2是八方搜索方案。
[0047] 图3是桥梁监测数据空间插值流程图。
[0048] 图4是桥梁监测数据可视化流程图。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0050] 参照图1~图4,一种大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法，所述方法包括以 下步骤：
[0051] 1)插值模型的建立。
[0052] 设所研宄区域为A，插值点xQ(xQGA)域内的n个已知点xi(XiGA，且i= 1，2. . .n)的桥梁结构监测数据值为Z(Xi)，以A,(i= 1，2. . .n)为权重系数，对IDW算法基 本表达式做一个形式上的变化，其权重公式：
[0054] 其中，diQ表示点x。与点xi之间的距离，k为阶次；
[0055] 则空间插值公式可以表示为：
[0057] 其中入i(i= 1，2...n)为归一化的加权系数，
[0058] 2)桥梁监测数据变异函数的建立。
[0059] 由于反距离评方法中的权系数这种系数和Xi之间的构形没有任何关系，只要x。 和\两点间的距离 一定，则权重系数都是一样的。而0K算法中的权重系数X,是通过求解 基于变异函数的普通克里格方程组得到的，它不仅与和xi两点间的距离相关，还取决于 Xi(i= 1，2. ..n)的构性。这种构性由Z(x)的变异函数和协方差函数集中体现。根据某一 特定监测数据在大跨桥梁上的测点分布，构造同一监测数据在桥面上分布的变异函数并用 变异函数代替IDW法中距离的幂，那么权重系数表示如下：
[0060] 在一维条件下变异函数定义为，当空间点x在一维x轴上变化时，桥梁监测数据 Z(x)在空间坐标点XjPXi处的监测值Z(X(I)与Z(Xi)差的方差的一半为区域化变量Z(x) 在X轴方向上的变异函数，记为y(Xd,Xi)，即
[0062] 在二阶平稳假设条件下，有
[0064]因此，
[0066] 采用数字特征分析技术可以概括区域一些特征量的全貌，而变异函数则能够反映 局部范围和特定方向上特征的变化。由于变异函数能透过其随机性反映区域化变量的结构 性，同时还能给出这种空间相关的范围。因此，变异函数也称为结构函数。通过实验变异函 数的建立，选择合适的理论变异函数模型进行拟合（根据实际监测布点状况，这里选用指 数模型）。
[0067] 指数模型的一般公式为：
[0069] 式中：C。为块金（效应）常数；
[0070] C为拱高；
[0071] h为相对距离；
[0072] Q+C为基台值；
[0073] 由于l-e-3= 1-0. 05 = 0? 95 ~ 1，则变程为 3a。
[0074] 图1为某大桥主跨跨中单方向应力应变传感器理论变异函数图，通过指数模型进 行最小二乘法拟合后其中基台值Q+C为350,变程3a为25。即系统属性中最大的变异，变 异函数达到基台值时的间隔距离3a称为变程。变程表示在h多3a以后，区域化变量Z(x) 空间相关性消失。
[0075] 3)参估点的选取。
[0076] 八方搜索方案是根据插值点的横坐标和纵坐标把平面分成八个象限，以变程3a 的长度为搜索半径，在每一个象限中查找与插值点距离最近的已知样本点。查找时，需要遍 历所有的已知样本点，满信息时为8个信息点。如图2所示，在以插值点P0为中心，搜索半 径 3a的范围内，有P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P1616 个已知数据点，分别落在以P〇的横坐标和纵坐标为轴所划分的八个象限内。通过对它们与 P〇之间的距离比较，最终选择离P〇较近的PI、P3、P5、P8、P9、P12、P13、P16八个点作为参 估点。
[0077] 4)将变异函数的引入反距离平方加权法中进行监测数据的空间插值分析：
[0078] 交异函数是距离的函数，用变异函数代替IDW法中距离的幂，则IDW法中的权重系 数可由变异函数来表示，那么权重系数A,可改写为：
[0080] 从而将反距离加权法的计算公式改为：
[0082] 其中，&和x汾别为待估测点与周边已知点坐标，Y(x^ Xi)是步骤2中所定义的 基于桥梁实际监测布点信息的变异函数。具体桥梁监测数据插值流程图见图3。
[0084] 5)使用三维建模软件建立用VRML语言编写的等比例大桥模型，计算各个网格节 点在模型相应位置的坐标，并将坐标矩阵填入VRML文件相应位置。
[0085] 在此处我们采用VRML命令中的面上色命令，即是colorPerVertexFALSE。结合各 个点并使用VRML命令来将整个桥面分割成等规格的正方形，将得到的结果填入VRML文件 的相应位置；
[0086] 将数值0到桥梁健康监测传感器报警阀值的数值区间分成49段小区间，每一段小 区间赋给相应的RGB值（RGB列表如下表1所示），根据每一个网格节点监测数据所在的小 区间对这个节点在桥梁三维模型相应位置进行上色，监测数值超出传感器报警阀值的网格 节点所在区域直接标记为红色（RGB为100)，红色为警示，为同组数据在不同阀值下得到的 可视化结果。
[0089]表 1。
【主权项】
1. 一种大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法，其特征在于：所述方法包括以下步 骤： 1) 插值模型的建立 设所研宄区域为A，插值点X。(xQe A)域内的η个已知点X i (Xie A，且i = 1，2... η) 的桥梁结构监测数据值为Z (Xi)，以λ i (i = 1，2... η)为权重系数，其权重公式：(1) 其中，diQ表示点X。与点X i之间的距离，k为阶次； 空间插值公式表示为：(2) 其中λ i α = 1，2. . . η)为归一化的加权系数： 2) 桥梁监测数据变异函数的建立根据某一监测数据在大跨桥梁上的测点分布，构造同一监测数据在桥面上分布的变异 函数，权重系数表示如下： 在一维条件下变异函数定义为，当空间点X在一维X轴上变化时，桥梁监测数据Z(X) 在空间坐标点&和Xi处的监测值Z(Xtl)与Z(Xi)差的方差的一半为区域化变量Z(X)在X 轴方向上的变异函数，记为γ (χ〇, Xi),即在二阶平稳假设条件下，有选择指数模型为理论变异函数模型进行拟合，指数模型的公式为：式中=Ctl为块金常数； C为拱尚； h为相对距离； cQ+c为基台值； 由于 1-一= 1-0. 05 = 0· 95 ~ 1，则变程为 3a ; 3) 参估点的选取 八方搜索方案是根据插值点的横坐标和纵坐标把平面分成八个象限，以变程3a的长 度为搜索半径，在每一个象限中查找与插值点距离最近的已知样本点； 4) 将变异函数的引入反距离平方加权法中进行监测数据的空间插值分析： 交异函数是距离的函数，用变异函数代替IDW法中距离的幂，则IDW法中的权重系可由 变异函数来表示，那么权重系数Ai改写为：(7) 从而将反距离加权法的计算公式改为：其中，Xc^P 别为待估测点与周边已知点坐标，γ (XmXi)是步骤2)中所定义的基 于桥梁实际监测布点信息的变异函数； 5) 使用三维建模软件建立用VRML语言编写的等比例大桥模型，实现可视化显示。2.如权利要求1所述的一种大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法，其特征在于： 所述步骤5)中，可视化显示包括如下步骤： 5. 1)计算各个网格节点在模型相应位置的坐标，并将坐标矩阵填入VRML文件相应位 置； 5. 2)采用VRML命令中的点上色命令，结合各个点并使用VRML命令来将整个桥面分割 成等规格的网格，将得到的结果填入VRML文件的相应位置； 5. 3)将数值0到桥梁健康监测传感器报警阀值的数值区间分成49段小区间，每一段小 区间赋给相应的RGB值，根据每一个网格节点监测数据所在的小区间对这个节点在桥梁三 维模型相应位置进行上色，监测数值超出传感器报警阀值的网格节点直接标记为红色，红 色为警示。
【专利摘要】一种大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法，包括以下步骤：1)插值模型的建立；2)桥梁监测数据变异函数的建立，根据某一监测数据在大跨桥梁上的测点分布，构造同一监测数据在桥面上分布的变异函数；3)参估点的选取；4)将变异函数的引入反距离平方加权法中进行监测数据的空间插值分析：5)使用三维建模软件建立用VRML语言编写的等比例大桥模型，实现可视化显示。本发明提供一种监测信息完全、准确性较高的大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法。
【IPC分类】G06F17/15, G06F19/00, G06F17/50
【公开号】CN104899349
【申请号】CN201510200824
【发明人】余佩琼, 陈鹏, 杨立, 吴远, 吕常新, 赵玉贤
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月24日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及大跨桥梁监测数据分析与处理领域，尤其是一种大跨桥梁监测数据空 间插值与可视化方法。
【背景技术】
[0002] 我国《公路长大桥隧安全运营管理办法（征求意见稿）》提出国道、省道特大桥的 安全运营管理应贯彻"安全第一、预防为主"的工作方针，建议管养单位采用现代信息技术， 逐步建立长大桥隧安全监测系统，及时掌握长大桥隧的整体技术状态和运营条件，为长大 桥隧运营管理、养护维修、可靠性评估及相关科学研宄提供依据。目前，桥梁结构监测的布 点主要集中在桥梁受力、承重的关键点。而大跨桥梁是一个无限自由度的整体，单从有限的 传感器布点是无法完全得到完整的桥梁健康状况信息的。
【发明内容】
[0003] 为了克服已有大跨桥梁监测数据的信息不完全、准确性较低的不足，本发明提供 一种监测信息完全、准确性较高的大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0005] -种大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法，所述方法包括以下步骤：
[0006] 1)插值模型的建立
[0007] 设所研宄区域为A，插值点xQ(xQGA)域内的n个已知点xi(XiGA，且i= 1，2. . .n)的桥梁结构监测数据值为Z(Xi)，以A,(i= 1，2. . .n)为权重系数，其权重公式：
[0009] 其中，diQ表示点X。与点Xi之间的距离，k为阶次；
[0010] 空间插值公式表示为：
[0012] 其中\(i= 1，2. ..n)为归一化的加权系数，
[0013] 2)桥梁监测数据变异函数的建立
[0014] 根据某一监测数据在大跨桥梁上的测点分布，构造同一监测数据在桥面上分布的 变异函数，权重系数表示如下：
[0015] 在一维条件下变异函数定义为，当空间点X在一维X轴上变化时，桥梁监测数据 Z(x)在空间坐标点XjPXi处的监测值Z(X(I)与Z(Xi)差的方差的一半为区域化变量Z(x) 在X轴方向上的变异函数，记为y(Xd,Xi)，即
[0017] 在二阶平稳假设条件下，有
[0019]因此，
[0021] 选择指数模型为理论变异函数模型进行拟合，指数模型的公式为：
[0023] 式中：CQ为块金常数；
[0024] C为拱高；
[0025] h为相对距离；
[0026] Q+C为基台值；
[0027] 由于l-e-3= 1-0. 05 = 0? 95 ~ 1，则变程为 3a;
[0028] 3)参估点的选取
[0029] 八方搜索方案是根据插值点的横坐标和纵坐标把平面分成八个象限，以变程3a 的长度为搜索半径，在每一个象限中查找与插值点距离最近的已知样本点；
[0030] 4)将变异函数的引入反距离平方加权法中进行监测数据的空间插值分析：
[0031] 交异函数是距离的函数，用变异函数代替IDW法中距离的幂，则IDW法中的权重系 可由变异函数来表示，那么权重系数A,改写为：
[0033] 从而将反距离加权法的计算公式改为：
[0035] 其中，&和x汾别为待估测点与周边已知点坐标，Y(x^Xi)是步骤2)中所定义 的基于桥梁实际监测布点信息的变异函数；
[0036] 5)使用三维建模软件建立用VRML语言编写的等比例大桥模型，实现可视化显示。
[0037] 进一步，所述步骤5)中，可视化显示包括如下步骤：
[0038] 5. 1)计算各个网格节点在模型相应位置的坐标，并将坐标矩阵填入VRML文件相 应位置；
[0039] 5. 2)采用VRML命令中的点上色命令，结合各个点并使用VRML命令来将整个桥面 分割成等规格的网格，将得到的结果填入VRML文件的相应位置；
[0040] 5. 3)将数值0到桥梁健康监测传感器报警阀值的数值区间分成49段小区间，每 一段小区间赋给相应的RGB值，根据每一个网格节点监测数据所在的小区间对这个节点在 桥梁三维模型相应位置进行上色，监测数值超出传感器报警阀值的网格节点直接标记为红 色，红色为警示。
[0041] 本发明的技术构思为：空间插值是一种通过已知空间数据推求未知空间数据的方 法。它是基于"地理学第一定律"的基本假设：空间位置上越靠近的点，具有相似特征值的 可能性越大；而距离越远的点，其具有相似特征值的可能性越小。结合大跨桥梁监测布点采 用变异函数来对监测数据（要对结构的挠度、应变测值）的区域化变量随机性和结构性进 行表达并运用于数据空间插值方法中。
[0042] 可视化（Visualization)是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图 形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图形 学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研宄数据表示、数据处理、决 策分析等一系列问题的综合技术。目前正在飞速发展的虚拟现实技术也是以图形图像的可 视化技术为依托的。VRML(VirtualRealityModelingLanguage)即虚拟现实建模语言，是 一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，也具有平台无 关性。是目前Internet上基于WWW的三维互动网站制作的主流语言。VRML本质上是一种 面向web，面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。VRML的对象称为结点，子 结点的集合可以构成复杂的景物。结点可以通过实例得到复用，对它们赋以名字，进行定义 后，即可建立动态的VR(虚拟世界）。
[0043] 首先将桥梁结构部件划分为规则的网格，根据空间插值算法将网格节点的估测值 全部求出；用建模软件建立大桥三维等比例模型，计算各个网格节点在模型相应位置的坐 标，按照估测值的大小给该网格节点所在的区域涂上相应的颜色，以颜色来反映桥梁各种 参数的变化，并三维显示出来。
[0044] 本发明的有益效果主要表现在：1.桥梁健康监测是关系老百姓出行安全的重要 环节，对经济民生有着重大影响，本发明中将一种新的方法应用到桥梁健康监测数据估测 及预警中，提高了桥梁健康监测的准确性；2.运用数据可视化技术将估测数据用清晰明了 的三维显示展示出来，让桥梁管理者可以容易地看到桥梁何处较为危险，可以及早做出防 范措施。
【附图说明】
[0045] 图1是某大桥主跨跨中单方向应力应变传感器理论变异函数图。
[0046] 图2是八方搜索方案。
[0047] 图3是桥梁监测数据空间插值流程图。
[0048] 图4是桥梁监测数据可视化流程图。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0050] 参照图1~图4,一种大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法，所述方法包括以 下步骤：
[0051] 1)插值模型的建立。
[0052] 设所研宄区域为A，插值点xQ(xQGA)域内的n个已知点xi(XiGA，且i= 1，2. . .n)的桥梁结构监测数据值为Z(Xi)，以A,(i= 1，2. . .n)为权重系数，对IDW算法基 本表达式做一个形式上的变化，其权重公式：
[0054] 其中，diQ表示点x。与点xi之间的距离，k为阶次；
[0055] 则空间插值公式可以表示为：
[0057] 其中入i(i= 1，2...n)为归一化的加权系数，
[0058] 2)桥梁监测数据变异函数的建立。
[0059] 由于反距离评方法中的权系数这种系数和Xi之间的构形没有任何关系，只要x。 和\两点间的距离 一定，则权重系数都是一样的。而0K算法中的权重系数X,是通过求解 基于变异函数的普通克里格方程组得到的，它不仅与和xi两点间的距离相关，还取决于 Xi(i= 1，2. ..n)的构性。这种构性由Z(x)的变异函数和协方差函数集中体现。根据某一 特定监测数据在大跨桥梁上的测点分布，构造同一监测数据在桥面上分布的变异函数并用 变异函数代替IDW法中距离的幂，那么权重系数表示如下：
[0060] 在一维条件下变异函数定义为，当空间点x在一维x轴上变化时，桥梁监测数据 Z(x)在空间坐标点XjPXi处的监测值Z(X(I)与Z(Xi)差的方差的一半为区域化变量Z(x) 在X轴方向上的变异函数，记为y(Xd,Xi)，即
[0062] 在二阶平稳假设条件下，有
[0064]因此，
[0066] 采用数字特征分析技术可以概括区域一些特征量的全貌，而变异函数则能够反映 局部范围和特定方向上特征的变化。由于变异函数能透过其随机性反映区域化变量的结构 性，同时还能给出这种空间相关的范围。因此，变异函数也称为结构函数。通过实验变异函 数的建立，选择合适的理论变异函数模型进行拟合（根据实际监测布点状况，这里选用指 数模型）。
[0067] 指数模型的一般公式为：
[0069] 式中：C。为块金（效应）常数；
[0070] C为拱高；
[0071] h为相对距离；
[0072] Q+C为基台值；
[0073] 由于l-e-3= 1-0. 05 = 0? 95 ~ 1，则变程为 3a。
[0074] 图1为某大桥主跨跨中单方向应力应变传感器理论变异函数图，通过指数模型进 行最小二乘法拟合后其中基台值Q+C为350,变程3a为25。即系统属性中最大的变异，变 异函数达到基台值时的间隔距离3a称为变程。变程表示在h多3a以后，区域化变量Z(x) 空间相关性消失。
[0075] 3)参估点的选取。
[0076] 八方搜索方案是根据插值点的横坐标和纵坐标把平面分成八个象限，以变程3a 的长度为搜索半径，在每一个象限中查找与插值点距离最近的已知样本点。查找时，需要遍 历所有的已知样本点，满信息时为8个信息点。如图2所示，在以插值点P0为中心，搜索半 径 3a的范围内，有P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P1616 个已知数据点，分别落在以P〇的横坐标和纵坐标为轴所划分的八个象限内。通过对它们与 P〇之间的距离比较，最终选择离P〇较近的PI、P3、P5、P8、P9、P12、P13、P16八个点作为参 估点。
[0077] 4)将变异函数的引入反距离平方加权法中进行监测数据的空间插值分析：
[0078] 交异函数是距离的函数，用变异函数代替IDW法中距离的幂，则IDW法中的权重系 数可由变异函数来表示，那么权重系数A,可改写为：
[0080] 从而将反距离加权法的计算公式改为：
[0082] 其中，&和x汾别为待估测点与周边已知点坐标，Y(x^ Xi)是步骤2中所定义的 基于桥梁实际监测布点信息的变异函数。具体桥梁监测数据插值流程图见图3。
[0084] 5)使用三维建模软件建立用VRML语言编写的等比例大桥模型，计算各个网格节 点在模型相应位置的坐标，并将坐标矩阵填入VRML文件相应位置。
[0085] 在此处我们采用VRML命令中的面上色命令，即是colorPerVertexFALSE。结合各 个点并使用VRML命令来将整个桥面分割成等规格的正方形，将得到的结果填入VRML文件 的相应位置；
[0086] 将数值0到桥梁健康监测传感器报警阀值的数值区间分成49段小区间，每一段小 区间赋给相应的RGB值（RGB列表如下表1所示），根据每一个网格节点监测数据所在的小 区间对这个节点在桥梁三维模型相应位置进行上色，监测数值超出传感器报警阀值的网格 节点所在区域直接标记为红色（RGB为100)，红色为警示，为同组数据在不同阀值下得到的 可视化结果。
[0089]表 1。
【主权项】
1. 一种大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法，其特征在于：所述方法包括以下步 骤： 1) 插值模型的建立 设所研宄区域为A，插值点X。(xQe A)域内的η个已知点X i (Xie A，且i = 1，2... η) 的桥梁结构监测数据值为Z (Xi)，以λ i (i = 1，2... η)为权重系数，其权重公式：(1) 其中，diQ表示点X。与点X i之间的距离，k为阶次； 空间插值公式表示为：(2) 其中λ i α = 1，2. . . η)为归一化的加权系数： 2) 桥梁监测数据变异函数的建立根据某一监测数据在大跨桥梁上的测点分布，构造同一监测数据在桥面上分布的变异 函数，权重系数表示如下： 在一维条件下变异函数定义为，当空间点X在一维X轴上变化时，桥梁监测数据Z(X) 在空间坐标点&和Xi处的监测值Z(Xtl)与Z(Xi)差的方差的一半为区域化变量Z(X)在X 轴方向上的变异函数，记为γ (χ〇, Xi),即在二阶平稳假设条件下，有选择指数模型为理论变异函数模型进行拟合，指数模型的公式为：式中=Ctl为块金常数； C为拱尚； h为相对距离； cQ+c为基台值； 由于 1-一= 1-0. 05 = 0· 95 ~ 1，则变程为 3a ; 3) 参估点的选取 八方搜索方案是根据插值点的横坐标和纵坐标把平面分成八个象限，以变程3a的长 度为搜索半径，在每一个象限中查找与插值点距离最近的已知样本点； 4) 将变异函数的引入反距离平方加权法中进行监测数据的空间插值分析： 交异函数是距离的函数，用变异函数代替IDW法中距离的幂，则IDW法中的权重系可由 变异函数来表示，那么权重系数Ai改写为：(7) 从而将反距离加权法的计算公式改为：其中，Xc^P 别为待估测点与周边已知点坐标，γ (XmXi)是步骤2)中所定义的基 于桥梁实际监测布点信息的变异函数； 5) 使用三维建模软件建立用VRML语言编写的等比例大桥模型，实现可视化显示。2.如权利要求1所述的一种大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法，其特征在于： 所述步骤5)中，可视化显示包括如下步骤： 5. 1)计算各个网格节点在模型相应位置的坐标，并将坐标矩阵填入VRML文件相应位 置； 5. 2)采用VRML命令中的点上色命令，结合各个点并使用VRML命令来将整个桥面分割 成等规格的网格，将得到的结果填入VRML文件的相应位置； 5. 3)将数值0到桥梁健康监测传感器报警阀值的数值区间分成49段小区间，每一段小 区间赋给相应的RGB值，根据每一个网格节点监测数据所在的小区间对这个节点在桥梁三 维模型相应位置进行上色，监测数值超出传感器报警阀值的网格节点直接标记为红色，红 色为警示。
【专利摘要】一种大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法，包括以下步骤：1)插值模型的建立；2)桥梁监测数据变异函数的建立，根据某一监测数据在大跨桥梁上的测点分布，构造同一监测数据在桥面上分布的变异函数；3)参估点的选取；4)将变异函数的引入反距离平方加权法中进行监测数据的空间插值分析：5)使用三维建模软件建立用VRML语言编写的等比例大桥模型，实现可视化显示。本发明提供一种监测信息完全、准确性较高的大跨桥梁监测数据空间插值与可视化方法。
【IPC分类】G06F17/15, G06F19/00, G06F17/50
【公开号】CN104899349
【申请号】CN201510200824
【发明人】余佩琼, 陈鹏, 杨立, 吴远, 吕常新, 赵玉贤
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月24日
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