機(jī)器視覺技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

向啟安

摘 要：本文首先分析了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，然后簡要介紹了機(jī)器視覺技術(shù)，重點(diǎn)闡述上海同禾工程科技有限公司基于機(jī)器視覺技術(shù)和5G傳輸技術(shù)開發(fā)出的“基于機(jī)器視覺的工程安全監(jiān)測解決方案”，最后分析該方案在邊坡和滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中的兩個(gè)成功應(yīng)用案例。實(shí)踐表明，該方案實(shí)施效果較好，能及時(shí)向施工單位及業(yè)主單位發(fā)出災(zāi)害預(yù)警。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;監(jiān)測預(yù)警;地質(zhì)災(zāi)害;滑坡

中圖分類號：P208;P694文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）05-0006-04

Abstract： This paper first analyzed the current situation and development trend of geological disaster monitoring and early warning， then briefly introduced the machine vision technology， focusing on the "engineering safety monitoring solution based on machine vision" developed by Shanghai Tonghe Engineering Technology Co.， Ltd. based on machine vision technology and 5G transmission technology， and finally analyzed the two advantages of this scheme in slope and landslide disaster monitoring and early warning Finally， the application cases were given. The practice shows that the implementation effect of the scheme is good， and the disaster warning can be sent to the construction unit and the owner in time.

Keywords： machine vision;monitoring and early warning;geological hazard;landslide

加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，進(jìn)行全國地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警體系建設(shè)的規(guī)劃和實(shí)施，不僅是防災(zāi)減災(zāi)的需要，而且也是國家經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的基本保障，是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性和公益性的國家地質(zhì)工作。地質(zhì)災(zāi)害主要包括崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷和地裂縫等，它們是比較公認(rèn)的原地殼表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)劇烈變化而產(chǎn)生的，且通常被認(rèn)為是突發(fā)性的。地質(zhì)災(zāi)害分布范圍廣，隱蔽性強(qiáng)，每年都造成眾多人員傷亡和嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失[1]。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)和規(guī)模等的不確定性，又在很大程度上增加了人們抵御災(zāi)害的難度。因此，地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)成為制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民安居的重要因素。為了在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)，以達(dá)到避免或減少地質(zhì)災(zāi)害的目的，本文將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中。

1 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1.1 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的現(xiàn)狀

我國逐步形成了具有特色的地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)體系模式。隨著物聯(lián)網(wǎng)及各種現(xiàn)代化技術(shù)的快速發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警裝備也從原來的貼片、刷漆、埋樁等方式發(fā)展成海量的傳感器構(gòu)成的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，我國正在逐步構(gòu)建由高精度遙感+InSAR“普查”、機(jī)載航拍的“詳查”和地面調(diào)查核實(shí)的“核查”共同組成的天基—空基—陸基一體化的“三查”體系。監(jiān)測方法主要有簡易觀測法、設(shè)站觀測法、儀表觀測法和遠(yuǎn)程監(jiān)測法等[2]。各種方法和技術(shù)都有其局限性，如監(jiān)測參數(shù)單一且無法有效捕獲災(zāi)害發(fā)生過程，監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)龐大等。另外，受監(jiān)測手段和精度的限制，尚有大量地質(zhì)災(zāi)害隱患沒有被發(fā)現(xiàn);已發(fā)現(xiàn)的災(zāi)害點(diǎn)，受經(jīng)費(fèi)限制，大多數(shù)沒有進(jìn)行地下情況勘查，很難準(zhǔn)確把握其性質(zhì)、規(guī)模和發(fā)展變化。需要引起關(guān)注的是，眾多研發(fā)企業(yè)構(gòu)建了不同參數(shù)的傳感器和不同類型監(jiān)測預(yù)警技術(shù)方案，使用單位很難甄別合適、有效的方案，轉(zhuǎn)化應(yīng)用進(jìn)度相對緩慢。相對于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，智能化、實(shí)時(shí)化災(zāi)害預(yù)警急需加快開發(fā)及應(yīng)用進(jìn)程。

1.2 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的趨勢

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾方面：①監(jiān)測技術(shù)從單一技術(shù)向天、空、地多基立體化技術(shù)發(fā)展;②監(jiān)測傳感器向智能化、數(shù)字化方向發(fā)展;③監(jiān)測手段從注重位移監(jiān)測向因果并重發(fā)展;④在數(shù)據(jù)采集和分析方面，向數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取和數(shù)據(jù)處理的智能化、模型化、網(wǎng)絡(luò)化和云計(jì)算方面發(fā)展;⑤集地質(zhì)災(zāi)害信息管理、危險(xiǎn)評估、專業(yè)監(jiān)測、預(yù)報(bào)預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)和指揮于一體，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害防治管理的科學(xué)化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化和可視化[3]。

2 機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)器視覺是人工智能快速發(fā)展的一個(gè)分支。機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來進(jìn)行測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（如圖像攝取裝置，分為CMOS和CCD兩種攝像頭）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息，根據(jù)像素分布、亮度和顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號;圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算，以抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動(dòng)作。機(jī)器視覺系統(tǒng)最基本的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的靈活性和自動(dòng)化程度。其應(yīng)用范圍涵蓋工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、軍事、航天、氣象、天文、公安、交通、安全、科研等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)[4]。

鑒于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工程測不了、測不準(zhǔn)和測不起的痛點(diǎn)，上海同禾工程科技有限公司基于機(jī)器視覺技術(shù)和5G傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了所見即所得的超高精度實(shí)時(shí)測量，在國內(nèi)開創(chuàng)性地利用同感云+華為云技術(shù)開發(fā)出“基于機(jī)器視覺的工程安全監(jiān)測解決方案”，獲得2020華為開發(fā)者大賽機(jī)器視覺賽道銀獎(jiǎng)。當(dāng)前，該方案已被廣泛應(yīng)用于邊坡、泥石流、橋梁、隧道、河堤、大壩、軌道、尾礦庫和采空區(qū)等的安全監(jiān)測中。

3 同禾基于機(jī)器視覺的工程安全監(jiān)測解決方案

3.1 監(jiān)測方案制定原則

①方案科學(xué)性，即根據(jù)工程特點(diǎn)監(jiān)測關(guān)鍵指標(biāo)。監(jiān)測體的直接安全指征即力與形變（位移）。形變（位移）是長度量，可直接測量，動(dòng)靜態(tài)位移一體測量。力是看不見摸不著的，不可直接測量，可通過彈性材料受力后的變形來測量。力是因，形變是果，力與形變是因果關(guān)系。形變更能直接指征監(jiān)測體的安全健康狀況，更容易監(jiān)測，更容易測準(zhǔn)[5]。

②技術(shù)可行性，即關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集、傳輸技術(shù)可行。

③系統(tǒng)可靠性，即監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定、精確地輸出。

④方案經(jīng)濟(jì)性，即監(jiān)測方案在成本上可控、經(jīng)濟(jì)。

3.2 邊坡監(jiān)測內(nèi)容

邊坡監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測方式和監(jiān)測部位具體如表1所示。

3.3 基于機(jī)器視覺的智能災(zāi)變識別系統(tǒng)

通過對隱患災(zāi)害地質(zhì)體的地表變形、深部變形、滑坡推力、地下水位、降雨量、視頻監(jiān)控等進(jìn)行監(jiān)測，對隱患災(zāi)體布設(shè)相關(guān)監(jiān)測傳感器，并將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至同禾的通用數(shù)據(jù)采集箱中進(jìn)行初步解算后，上傳到同感云+華為云平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，提前預(yù)測工程隱患危害，從而保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。機(jī)器視覺測量儀布設(shè)方式靈活，屬非接觸測量，一臺測量儀同時(shí)監(jiān)測若干測點(diǎn)，二維位移一體測量，具有廣泛的應(yīng)用場景[6]。本文對相關(guān)配套智能硬件不再贅述。基于機(jī)器視覺的智能災(zāi)變識別系統(tǒng)圖如2所示。

3.4 同感云平臺系統(tǒng)架構(gòu)

同感云平臺采用B/S架構(gòu)，平臺具有實(shí)時(shí)化、智能化的特點(diǎn)，可有效地對結(jié)構(gòu)物健康狀況進(jìn)行管理。平臺內(nèi)置各類結(jié)構(gòu)物監(jiān)測模板，包括測項(xiàng)與報(bào)警域值設(shè)置。平臺具有數(shù)據(jù)存儲與分析、結(jié)構(gòu)物狀態(tài)報(bào)警、報(bào)表自動(dòng)化、人員與設(shè)備管理等功能[7]。同感云平臺軟件有PC端和移動(dòng)端（iOS+Andriod），其具有以下優(yōu)點(diǎn)：①實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，大幅提升把握結(jié)構(gòu)物安全性能力;②全天候全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，大大節(jié)約人工監(jiān)測成本;③智能數(shù)據(jù)管理，進(jìn)一步提升企業(yè)的管理與運(yùn)營效率;④可定制基于通用數(shù)據(jù)接口的管理平臺，無縫連接至客戶的辦公自動(dòng)化（Office Automation，OA）系統(tǒng)。

4 機(jī)器視覺測量儀應(yīng)用案例

4.1 在貴州六盤水某地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用

在現(xiàn)有的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點(diǎn)附近穩(wěn)固的區(qū)域布設(shè)機(jī)器視覺測量儀，在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點(diǎn)上安裝紅外靶標(biāo)，機(jī)器視覺測量儀監(jiān)控地災(zāi)點(diǎn)上的靶標(biāo)，并實(shí)時(shí)輸出二維位移數(shù)據(jù)，當(dāng)收到地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)報(bào)警信息或自身監(jiān)測位移報(bào)警時(shí)，實(shí)時(shí)將報(bào)警時(shí)間點(diǎn)前后各1 min的視頻數(shù)據(jù)上傳至管理平臺，消除地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)誤報(bào)警的可能。同時(shí)，平臺對報(bào)警時(shí)間點(diǎn)的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，方便用戶核對查驗(yàn)。此外，平臺還具有監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看、監(jiān)測自動(dòng)預(yù)警、事件流程記錄等功能。

同感云平臺界面基于地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的圖形展示，可在圖形上實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測點(diǎn)的位移情況和狀態(tài)信息，并能實(shí)時(shí)查看各監(jiān)測點(diǎn)的視頻圖像;按照事件軸的形式顯示告警信息，如告警事件視頻數(shù)據(jù)、事件處理情況等?？蓪?shí)時(shí)查看各測點(diǎn)的視頻數(shù)據(jù)及位移數(shù)據(jù)，有效杜絕測點(diǎn)的誤報(bào)。數(shù)據(jù)查看界面如圖2所示。

4.2 在浙江申嘉湖邊坡監(jiān)測項(xiàng)目中的應(yīng)用

4.2.1 監(jiān)測項(xiàng)目介紹。項(xiàng)目時(shí)間：2017年9月;項(xiàng)目地點(diǎn)：浙江湖州至安吉申嘉湖西延邊坡;監(jiān)測范圍：申嘉湖西延沿線7個(gè)邊坡，長度為112～270 m，高度為30～52 m;項(xiàng)目概述：本次監(jiān)測共涉及7處邊坡，均為申嘉湖高速公路湖州鹿山至安吉孝源段的路塹高邊坡，監(jiān)測時(shí)間自交工驗(yàn)收完成開始至竣工驗(yàn)收完成后終止。由于采用長期遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在高速公路運(yùn)行之后仍可進(jìn)行長期遠(yuǎn)程在線監(jiān)測[8]。

4.2.2 同感云平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖。同感云平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖3和圖4所示。

4.2.3 監(jiān)測成果說明。從監(jiān)測情況可得出以下結(jié)果。

①2018年1月2日起，監(jiān)測區(qū)域開始出現(xiàn)連續(xù)降雨并伴有霜凍天氣，當(dāng)日出現(xiàn)了3個(gè)測點(diǎn)沉降速率超過5 mm/d的報(bào)警值，監(jiān)測平臺開始發(fā)出報(bào)警。

②1月2日至1月10日，日變量超限的測點(diǎn)數(shù)量增至9個(gè)，日變量增到8 mm/d，系統(tǒng)持續(xù)發(fā)出報(bào)警。

③1月11日07：00，4個(gè)測點(diǎn)沉降速率為10～200 mm/h，且累計(jì)沉降值超出50 mm的報(bào)警值，邊坡處于加速下滑狀態(tài)，同感云平臺發(fā)出了一級預(yù)警，邊坡隨時(shí)可能發(fā)生滑塌，提示施工單位和業(yè)主單位對坡腳下方進(jìn)行圍擋并禁止人員車輛進(jìn)入。

④從1月11日17：00開始，邊坡4個(gè)測點(diǎn)沉降速率超過100 mm/h。

⑤1月12日00：04，邊坡已經(jīng)滑塌。

對于此次邊坡滑塌事件，同感云平臺根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時(shí)向施工單位及業(yè)主單位發(fā)出預(yù)警，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化，升級預(yù)警等級，使相關(guān)單位及時(shí)對邊坡滑塌采取相關(guān)防護(hù)措施。

5 結(jié)語

同禾科技基于機(jī)器視覺技術(shù)和5G傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了所見即所得的超高精度實(shí)時(shí)測量，設(shè)計(jì)的“機(jī)器視覺的工程安全監(jiān)測解決方案”被成功應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中。隨著機(jī)器視覺技術(shù)不斷成熟，它將在現(xiàn)代和未來地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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