基于機(jī)器視覺的堤防堤壩沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測方法

廖 強(qiáng)

(江西省新干縣河道圩堤維護(hù)服務(wù)中心，江西 吉安 331300)

根據(jù)市場不完全調(diào)研與相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國現(xiàn)階段共有不同規(guī)模的河堤總長度約為2991萬km，現(xiàn)有的主干堤壩長度約為657萬km，相關(guān)建設(shè)成果不僅在歷史上起到了重大作用，還在一定程度上助推了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但在深入對現(xiàn)有堤防堤壩工程運(yùn)營的研究中發(fā)現(xiàn)，大部分工程由于年久失修與后期管理工作不到位，產(chǎn)生了不同程度的沉降現(xiàn)象[1]。加之堤防堤壩工程所在地的地殼運(yùn)動和地下水開采的加劇，導(dǎo)致堤防堤壩地表沉陷深度逐步增大，這一現(xiàn)象不僅對堤壩正常運(yùn)營與長期發(fā)展造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響，還造成了堤防堤壩出現(xiàn)了永久性結(jié)構(gòu)裂縫等，從而導(dǎo)致堤防堤壩的防洪能力下降、經(jīng)濟(jì)效益損失。因此，有必要采取有效的措施，進(jìn)行堤防堤壩在運(yùn)營中沉降的監(jiān)測，通過此種方式，及時(shí)了解堤防堤壩的變化，從而為水利部門采取相應(yīng)的對策提供依據(jù)。為實(shí)現(xiàn)對其沉降的有效監(jiān)測，有關(guān)單位提出了針對堤防堤壩沉降的專項(xiàng)監(jiān)測方法，包括大地測量法、GPS定位法、攝影測量法等，盡管現(xiàn)有的技術(shù)可以用于重要河堤區(qū)域的沉降監(jiān)測，但現(xiàn)行技術(shù)在使用中普遍存在經(jīng)費(fèi)高、監(jiān)測耗時(shí)長等問題，很難在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。近幾年來，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為代表的監(jiān)測技術(shù)逐步成熟，為堤防堤壩沉降的監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。為此，本文將在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，以新干縣堤防堤壩為例，引進(jìn)機(jī)器視覺技術(shù)，設(shè)計(jì)一種針對堤防堤壩工程沉降的實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，以期提高監(jiān)測結(jié)果的可靠性與時(shí)效性。

1 堤防堤壩沉降圖像采集與處理

為實(shí)現(xiàn)對堤防堤壩沉降的實(shí)時(shí)監(jiān)測，使用彩色CCD工業(yè)相機(jī)，在堤防堤壩沉降現(xiàn)場拍攝多組、多顏色照片，輸出的照片格式應(yīng)包括BG/RG或RGB。在拍攝前，對相機(jī)進(jìn)行校正，包括拍攝角度的調(diào)直、格式自動平衡處理等[2]。可在拍攝過程中，結(jié)合現(xiàn)場條件，增加補(bǔ)償光源，通過此種方式，確保拍攝的圖片滿足2048×4096分辨率要求。

考慮到通過此種方式采集的堤防堤壩沉降現(xiàn)場圖像可能攜帶噪聲，無法直接用于沉降計(jì)算。因此，在完成圖像的采集后，對其進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換處理[3]。在此過程中，使用CCD工業(yè)相機(jī)，將監(jiān)測對象反饋圖像從立體空間向二維影像投射，可以根據(jù)相機(jī)的成像模式，將其劃分為線性模式和非線性模式。為了便于計(jì)算機(jī)對其的加工，建立對應(yīng)影像坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系及世界坐標(biāo)系，對像素點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換[4]。此過程如公式(1)—(2)所示。

(1)

(2)

式中，x、y—拍攝圖像坐標(biāo)系的橫向與縱向坐標(biāo)點(diǎn)；dx、dy—像素圖像在x、y方向上的物理測量尺寸；u、v—拍攝圖像轉(zhuǎn)換后的空間坐標(biāo)點(diǎn)；u0、v0—以O(shè)為圓點(diǎn)的圖像空間坐標(biāo)點(diǎn)。按照上述方式，對采集的圖像進(jìn)行坐標(biāo)格式轉(zhuǎn)換，以此實(shí)現(xiàn)對堤防堤壩沉降圖像的采集與處理。

2 基于機(jī)器視覺的堤防堤壩沉降點(diǎn)視覺測距

完成上述設(shè)計(jì)后，引進(jìn)機(jī)器視覺技術(shù)，進(jìn)行堤防堤壩沉降點(diǎn)的視覺測距[5]。此過程如圖1所示。

圖1 基于機(jī)器視覺的堤防堤壩沉降點(diǎn)視覺測距

設(shè)計(jì)上述圖1中被測對象表示為A，圓點(diǎn)(中心點(diǎn))表示為O。參照光的散射與折射原理，使用機(jī)器視覺中的小孔成像方法，進(jìn)行空間內(nèi)的視覺測距[6]。定義空間中被測對象A的坐標(biāo)表示為(x，y，z)，則(x，y，z)在機(jī)器視覺下成像后，其空間點(diǎn)坐標(biāo)可以表示為(x1，y1，z1)，則兩者之間存在的視覺關(guān)系，可用公式(3)表示。

(x1，y1，z1)=R×(x，y，z)+T

(3)

式中，R—空間旋轉(zhuǎn)矩陣(此次研究設(shè)定R的矩陣為三階，表示為3×3)；T—坐標(biāo)點(diǎn)在空間中的平移向量。通過機(jī)器視覺中的小孔成像模型，進(jìn)行x1與y1到空間距離的計(jì)算[7]。計(jì)算公式如下。

(4)

(5)

式中，f—拍攝照片在計(jì)算機(jī)成像時(shí)的焦距。按照上述方式，對被測對象所在的空間的點(diǎn)位進(jìn)行測距，初步掌握沉降點(diǎn)所在的空間位置。

3 實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果校正處理

完成上述設(shè)計(jì)后，在終端計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋頻率，通過對反饋數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測距，掌握堤防堤壩的實(shí)時(shí)沉降數(shù)據(jù)。為避免監(jiān)測結(jié)果與真實(shí)結(jié)果存在偏差，應(yīng)對實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行校正處理[8]。在此過程中，使用標(biāo)定算法，對圖像進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按照標(biāo)準(zhǔn)將一個(gè)矩形圖像，劃分成由若干個(gè)網(wǎng)格構(gòu)成的圖像，調(diào)整三維微偏移平臺的微調(diào)旋鈕，使光點(diǎn)中心處于靶心的起始位置。同時(shí)調(diào)節(jié)目標(biāo)，使其能夠均勻地填滿整個(gè)圖像，這樣可以使焦點(diǎn)在整個(gè)圖像中均勻地分布[9]。此外，被測目標(biāo)不能離開相機(jī)太遠(yuǎn)，如果目標(biāo)太遠(yuǎn)，會導(dǎo)致影像上的角度發(fā)生很大的變化，像素點(diǎn)成像位置過近，從而影響到校準(zhǔn)效果。堤防堤壩發(fā)生沉降后，光點(diǎn)中心位置發(fā)生變化。在嵌入式計(jì)算機(jī)視覺程序中，通過下述公式進(jìn)行監(jiān)測結(jié)果的校正處理。

(6)

式中，Δ—監(jiān)測結(jié)果的校正處理；F—圖像灰度；m—圖像矩陣中的橫向參數(shù)；n—圖像矩陣中的豎向參數(shù)。將完成標(biāo)定處理的數(shù)據(jù)與視覺測距結(jié)果進(jìn)行適配，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的補(bǔ)償，保證沉降監(jiān)測結(jié)果具有較高的精度[10]。以此實(shí)現(xiàn)對實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果的校正處理，從而完成基于機(jī)器視覺的堤防堤壩沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測方法設(shè)計(jì)。

4 對比實(shí)驗(yàn)

上文通過3個(gè)方面，完成了基于機(jī)器視覺的堤防堤壩沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測方法設(shè)計(jì)，但相關(guān)方法的研究仍局限在理論階段，要實(shí)現(xiàn)對此方法在水利工程等相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的推廣使用，還應(yīng)在完成上述設(shè)計(jì)后，對實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

以新干縣堤防堤壩為例，根據(jù)技術(shù)人員的現(xiàn)場勘察，此堤防堤壩工程中的堤身結(jié)構(gòu)整體采用黏性土，按照分層施工的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過測量，分層結(jié)構(gòu)的厚度在20～40cm之間，堤防堤壩外部平臺使用淤泥質(zhì)土進(jìn)行填筑，堤防堤壩結(jié)構(gòu)斷面形式如圖2所示。

圖2 新干縣堤防堤壩結(jié)構(gòu)斷面形式

圖2中：(1)表示壩身結(jié)構(gòu)填土層；(2)表示淤泥粉質(zhì)填土層；(3)表示砂層；(4)表示黏土層；(5)表示淤泥支護(hù)層。各個(gè)土層物理參數(shù)見表1。

表1 堤防堤壩土層物理參數(shù)

從上述表1所示的數(shù)據(jù)可以看出，堤防堤壩土層屬于淤泥質(zhì)地，加之此工程項(xiàng)目在建成后，后續(xù)沒有采取有效的措施進(jìn)行維護(hù)與管理，導(dǎo)致工程部分區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)了沉降。在與運(yùn)營管理方綜合商議后，決定使用本文設(shè)計(jì)的方法，進(jìn)行堤防堤壩沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測。監(jiān)測過程中，先引進(jìn)機(jī)器視覺算法，進(jìn)行堤防堤壩沉降圖像采集與處理，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行堤防堤壩沉降點(diǎn)的視覺測距，通過對實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果的標(biāo)定處理，完成監(jiān)測工作。

為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的可比性，引進(jìn)基于SBAS-InSAR技術(shù)的監(jiān)測方法，與基于ARIMA-NAR技術(shù)的監(jiān)測方法，將引進(jìn)的2種方法作為傳統(tǒng)方法1與傳統(tǒng)方法2，使用2種傳統(tǒng)方法與本文方法，進(jìn)行堤防堤壩沉降的實(shí)時(shí)監(jiān)測。在監(jiān)測過程中，安排技術(shù)人員在監(jiān)測過程中，對沉降值進(jìn)行人工監(jiān)測。將3種方法監(jiān)測結(jié)果的相對誤差作為評價(jià)結(jié)果可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)。對相對誤差進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下。

(7)

式中，Q—堤防堤壩沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果相對誤差；L—人工在現(xiàn)場對堤防堤壩沉降的監(jiān)測結(jié)果；L′—設(shè)計(jì)方法在現(xiàn)場對堤防堤壩沉降的監(jiān)測結(jié)果。設(shè)計(jì)監(jiān)測天數(shù)為10d，對不同方法監(jiān)測結(jié)果的相對誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表2。

根據(jù)上述表2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文方法監(jiān)測結(jié)果相對誤差，小于傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2的監(jiān)測結(jié)果相對誤差，說明在相同的條件下，本文方法監(jiān)測結(jié)果的精度更高。綜合上述實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：本文此次研究設(shè)計(jì)的基于機(jī)器視覺的堤防堤壩沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，在實(shí)際應(yīng)用中，監(jiān)測結(jié)果精準(zhǔn)度較高，可以實(shí)現(xiàn)將監(jiān)測結(jié)果的相對誤差控制在1.0%以內(nèi)，即可將本文設(shè)計(jì)的方法作為決策依據(jù)，進(jìn)行水利工程中地方堤壩的沉降維修處理。

表2 堤防堤壩沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果相對誤差統(tǒng)計(jì) 單位：%

5 結(jié)語

堤防堤壩是水利工程在建設(shè)過程中最早提出的一項(xiàng)用于防洪工程的重要工程項(xiàng)目，建設(shè)此項(xiàng)工程不僅是地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的防洪、減災(zāi)的重要手段，也是我國防御洪澇災(zāi)害的基礎(chǔ)性工程。為降低由于堤壩沉降造成的水利工程安全隱患，本文通過堤防堤壩沉降圖像采集與處理、堤防堤壩沉降點(diǎn)視覺測距、實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果標(biāo)定處理，完成了基于機(jī)器視覺的堤防堤壩沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測方法設(shè)計(jì)，該方法在完成設(shè)計(jì)后，經(jīng)過對比測試證實(shí)，可以在應(yīng)用中，將監(jiān)測結(jié)果的相對誤差控制在1.0%范圍內(nèi)。因此，可在后續(xù)的水利工程管理中，將本文方法作為參照，進(jìn)行堤壩沉降的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以此種方式，為水利項(xiàng)目的規(guī)范化運(yùn)營與穩(wěn)定收益給予全面的幫助與支持。