剖面邊緣檢測在民航臺站地質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用

摘要：民用通信導(dǎo)航監(jiān)視臺站受復(fù)雜地形影響，往往需要建設(shè)在山頂位置，而山體往往復(fù)雜多變，極易出現(xiàn)山體坍塌或地質(zhì)形變，因此對臺站地形做實(shí)時監(jiān)測很有必要。通過獲取山體的相關(guān)數(shù)據(jù)并采用基于橫向剖面的邊緣檢測算法，能夠較為直觀的檢測出山體形變的位置和形變量，獲取較好的地質(zhì)形變信息，達(dá)到實(shí)時檢測的目的。給出的檢測方法操作簡單實(shí)用，可為民航對臺站監(jiān)測研究提供思路和借鑒。

關(guān)鍵詞：橫向剖面;邊緣檢測;民航;臺站;地形監(jiān)測;三維數(shù)字高程

中圖分類號：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）20-0218-03

Application of Profile Edge Detection in Geological Monitoring of Civil Aviation Statiom

Qiu Tao

（Civil Aviation Guizhou Atc Sub-Bureau . Guiyang 550012 ， China ）

Abstract ： Influened by complex terrain. civil communication navigation and monitoring stations often need to be built at the top ofthe mountain， while the mountain is often complex and changeable. which is prone to collapse or geological deformation， so it isnecessary to conduct real-time monitoring of the station terrain. By acquiring the related data of mountain and adopting the edgedetection algorithm based on the transverse section， the position and shape variahles of mountain deformation can be detected intui-tively， and the better geological deformation information can be obtained， so as to achieve the purpose of real-time detection. Thedetection method is simple and practical， which can provide ideas and reference for the civil aviation to the station monitoring re-search.

Key words ： transverse section ; edge detection ; civil aviation ; station ; terrain monitoring ; 3D digital elevation

貴州地區(qū)山地較多，而民航用于為飛機(jī)提供服務(wù)的通信導(dǎo)航監(jiān)視臺站往往需要建設(shè)在山頂上，而復(fù)雜的地質(zhì)條件往往會對臺站造成不利的影響，因此進(jìn)行定期的監(jiān)測研究十分必要?；跈M向剖面的邊緣檢測研究在山體滑波監(jiān)測、地震地質(zhì)災(zāi)害、城市地表沉降等方面均有著廣泛的應(yīng)用。

1形變研究數(shù)據(jù)的獲取和處理

研究對象為某一山體數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)其實(shí)不難獲取，可通過網(wǎng)絡(luò)下載方式獲得，相關(guān)下載網(wǎng)站通過百度有很多。下載后需要進(jìn)行后期的處理才能得到真正的邊緣檢測圖和三維數(shù)字高程圖。處理軟件為DORIS軟件，全稱為DelftObject-orien-tedRadar Interferometric、Software，是荷蘭Delft大學(xué)Kampes等人使用C++語言編寫的完全免費(fèi)軟件，源代碼開放，方便研究者開發(fā)使用研究地表三維地形及地表形變。本文主要基于該軟件的形變干涉圖像生成模塊，將前面下載的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到干涉圖像以便于邊緣檢測研究。具體數(shù)據(jù)獲取和處理方法不在本次研究范圍，故不再贅述。

2剖面邊緣檢測與修正

剖面邊緣檢測研究最初起源于歐美，并且在我國有了一定的應(yīng)用，這種方法被廣泛應(yīng)用于火山、地震的監(jiān)測預(yù)報(bào)中。剖面邊緣檢測主要包括縱向和橫向兩種研究方式，本次采用橫向邊緣檢測加以研究[1]。那么如何得到剖面呢，首先通過DORIS軟件處理下載的數(shù)據(jù)得到相位解纏圖像和三維數(shù)字高程模型（DEM）圖像，得到反映地表信息的三維數(shù)據(jù)圖像。圖1（a）為貴州南部某區(qū)山體的俯視圖，選取其為研究對象來分析山體形變;（b）圖為其生成的三維數(shù)字高程圖像，即反映實(shí)際地形高度細(xì)節(jié)信息的三維立體仿真圖像。

有了三維DEM圖像，為何還要進(jìn)行橫向邊緣檢測呢？主要是因?yàn)橐坏┌l(fā)生山體形變，DEM圖像不便于利用肉眼定位形變位置，故而需要進(jìn)行檢測處理，提取形變邊緣。為了深入研究，將圖1作為對象開展剖面邊緣檢測，其中該山體高度為90m，底部直徑為200m，得到三維數(shù)字高程圖像后，利用邊緣檢測算法[2]可以得出0至90m上每10m間隔檢測一次的橫向剖面的山體邊緣（3D效果圖），如圖2所示。

形變前后得到的橫向剖面邊緣檢測圖像如圖3所示，其中（a）圖為形變發(fā)生前的橫向剖面檢測圖像，而（c）圖是形變后的橫向剖面檢測圖像，兩幅圖像的共同之處是圖像中心部分區(qū)域發(fā)生了漏檢現(xiàn)象，這是由于圖像像素原因得出的檢測不清晰、不明顯的情況。邊緣其實(shí)已經(jīng)全部檢測出來了，只是未全部顯示出來。需要進(jìn)行后期修正，將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像并且將圖像中灰度值不為零的區(qū)域（白色區(qū)域）進(jìn)行灰度值賦滿（灰度值為0），這樣可以清晰顯示所有區(qū)域。形變前后邊緣檢測圖像的修正圖像對應(yīng)圖3的（b）圖和（d）圖。

3形變目標(biāo)邊緣檢測對比分析

因圖像邊緣較為復(fù)雜，形變位置可能較多，加上邊緣位移形變量級可能從米級位移跨度到毫米級微小位移，肉眼無法較好察覺，于是需要進(jìn)行形變目標(biāo)的提取，形變目標(biāo)邊緣檢測還需考慮到檢測的精度和效率的問題[3][4]。

從形變前后兩幅圖像中提取邊緣位置，并把整幅圖像的位置數(shù)據(jù)存入矩陣，方便進(jìn)行誤差判定，這是在進(jìn)行特征位置提取之前需要進(jìn)行的重要一步。得到兩幅形變前后的邊緣檢測圖像一定會有誤差，通過判定該誤差是否為發(fā)生形變后期可忽略的程度，然后再考慮相關(guān)位置處的形變。具體操作時通過沒定閾值△S（此值無窮?。?，但實(shí)際操作時量級可以從毫米級到米級進(jìn)行沒定。假如得到的誤差值大于此閾值，那么前面一系列檢測失效，需要改變原有檢測算法重新檢測。誤差判定理論原理圖如圖4所示。圖中坐標(biāo)中心為（x0，y0），在形變前檢測到的條紋邊緣上任取一點(diǎn)（x1，y1），然后與坐標(biāo)中心點(diǎn)做直線與形變后檢測到的條紋邊緣交于一點(diǎn)（x2，y2）。那么（x1，y1）與（x2，y2）之間的距離為S，那么對整幅圖像中所有的S取平均值得到S0。那么判定S0與給定閾值△S的大小即可，詳見公式1：

進(jìn)行特征位置提取，在對兩幅圖像中的相同像素進(jìn)行標(biāo)記時需要忽略上述誤差，當(dāng)S0小于閾值△S時，將相同位置的像素值賦值為255（白色），對于不同的像素區(qū)域且S0遠(yuǎn)大于前面提到的閾值△S時，則進(jìn)行位置標(biāo)記，并把形變前后不同的位置存取進(jìn)圖像中，最后進(jìn)行位置特征提取，分離出形變前后的特征，具體操作參照公式2進(jìn)行。其檢測算法流程圖如圖5所示。

公式2中I2（x，y）存取的是形變位置，圖像大小和原始的形變前后邊緣檢測圖像I（x，y）與I1（x，y）一致。M與N則是用來存儲提取出的特征的坐標(biāo)值。

進(jìn)行形變目標(biāo)變化檢測[5][6]前先進(jìn)行誤差判定，沒定形變誤差值△S為0.01m，將形變前后的橫向剖面圖分別進(jìn)行圖像位置存取并代人公式2，結(jié)果為0.0015m，其值小于△S，滿足條件，形變前后所得檢測圖像可以進(jìn)行形變提取分析。形變位置前后檢測結(jié)果如圖6所示，其中（a）和（b）分別為形變前后的橫向剖面邊緣檢測圖像，而（c）圖為經(jīng)形變目標(biāo)檢測算法檢測，定位到的三處形變位置[7][8]。

（a）形變前的山體橫向剖面邊緣檢測圖像

（b）形變后的山體橫向剖面邊緣檢測圖像

（c）經(jīng)形變目標(biāo)檢測定位到的幾處形變邊緣

（a）分離出的形變前的邊緣

（b）分離出的形變后的邊緣

根據(jù)圖6（c）圖，還不清楚到底山體是因?yàn)閮?nèi)部發(fā)生凸起還是凹陷引起的形變。因此我們將其進(jìn)行分離，如圖7所示，其中（a）圖為分離得到的形變位置處的原始邊緣圖像，而（b）圖為分離得到的形變位置處的形變后的邊緣圖像。該山體在形變前后共發(fā)生三處形變，兩次山體凹陷和一次山體凸起，其中凹陷表明山體發(fā)生過向內(nèi)擠壓變形或已經(jīng)發(fā)生過山體滑坡，凸起說明山體結(jié)構(gòu)松動，需要引起足夠重視。針對民航臺站，則需要重點(diǎn)關(guān)注地質(zhì)變化對臺站設(shè)備造成的沖擊和影響，必要的話需要緊急對地基進(jìn)行加固處理。

4結(jié)束語

形變剖面邊緣檢測研究對于預(yù)報(bào)和防治山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害具有重要而現(xiàn)實(shí)的意義，同時針對民航臺站實(shí)時監(jiān)測也提供了研究依據(jù)，本文只是給出了研究的一種理論方法，當(dāng)然還有很多方法可以用來研究山體地質(zhì)形變。需要指出的是本文的形變研究用到了他人的算法，算法的好壞有待于進(jìn)一步研究落實(shí)，同時本章給出的形變結(jié)果僅是定性的檢測出山體的形變邊緣，形變量未定量給出，這也可以作為下一步研究的重點(diǎn)。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

收稿日期：2020-03-02

作者簡介：邱濤（1986-），男，山東費(fèi)縣人，碩士，工程師，主要研究方向：通信導(dǎo)航監(jiān)視。