專利名稱：一種基于數字照相的巖土工程變形實時監測與預警方法
技術領域：
本發明涉及一種巖土工程變形實時監測與預警方法，特別是一種基于數字照相的巖土工程變形實時監測與預警方法。
背景技術：
巖土工程領域，包括實驗室與工程現場，特別是城市地鐵及重要地下工程在修建過程中，為了確保工程結構或周邊重要建構筑物的安全，非常重視和強調變形的實時監測， 而一般常用的基于全站儀的實時變形監測系統，設備造價昂貴，使用操作復雜。目前，廣泛應用的基于CCD的遠程視頻網絡監控系統，也僅僅只能進行常規動態圖像的采集與回放， 不能實現目標的圖像采集與變形分析的同步進行以及以此為基礎的實時變形預警功能，同時，以動態影像采集為主要功能的CCD攝像頭存儲的靜態圖像清晰度比數碼相機要低很多，若用于變形分析則精度較低；而采用高清數碼相機代替一般CCD攝像頭作為巖土工程目標(如實驗模型或工程結構)的普通數字照相量測系統雖然解決了采集圖像清晰度和圖像實時采集的問題，但不能實現圖像的實時處理、變形計算和結果可視化。因此，當前巖土工程變形觀測方法未能有效解決連續實時監測、實時分析與實時預警的問題。發明內容
本發明的目的是要提供一種基于數字照相的巖土工程變形實時監測與預警方法， 解決現有基于數字照相的變形監測技術不能實現圖像采集與圖像變形同步分析的問題。
本發明的目的是這樣實現的包括以下步驟(a)采用高清數碼相機和與高清數碼相機配套的照明燈作為巖土工程目標的圖像采集設備，對巖土工程目標表面進行監測； 在實驗室內監測巖土工程目標表面時，不設置人工標志點；在較大工程結構監測巖土工程目標表面時，對該巖土工程目標表面設置“十字形”人工標志點；(b)在距巖土工程目標約 2 細處架設高清數碼相機和照明燈，高清數碼相機與監測現場一臺計算機連接，高清數碼相機和照明燈均對準巖土工程目標，調節高清數碼相機相關參數以使圖像清晰，連續拍攝兩幅圖像，并將圖像通過數據電纜存儲到連接計算機的預設文件夾上；(c)在連接的計算機上啟動自制的數字照相量測軟件程序PhotoMonitor，設定本次監控目標的預警值，所述的預警值包括位移預警值和位移速率預警值，添加上述兩幅圖像到軟件程序中的一組圖像集合名稱一“分析圖像序列”中，同時在第一幅圖像上人工設置監測點；(d)利用高清數碼相機帶有的圖像采集設置軟件設定圖像采集頻率，開始進行巖土工程目標的圖像實時采集工作；(e)新采集的圖像通過數據電纜傳輸到計算機預設的文件夾后，PhotoMonitor軟件自動感知該預設文件夾的新增圖像并自動添加到“分析圖像序列”中；(f )應用數字散斑相關分析原理，PhotoMonitor開始自動對每幅新增圖像進行監測點的位移和位移速率分析， 所述的監測點已在第一幅圖像上人工布置，同時根據已設定的預警值進行監測點安全狀態的評判；(g)分析完畢后，PhotoMonitor自動將監測點的位移、位移速率以曲線的形式和安全評判結果以文字的形式實時顯示在本地計算機的屏幕上或通過無線網絡顯示在遠程計算機屏幕上，當監測點的位移或位移速率超過了設定預警值時，PhotoMonitor將以短信的形式告知有關人員以引起重視，實現基于數字照相的巖土工程變形實時遠程監測與預警。
所述的步驟(b)中，高清數碼相機需要調節的參數包括通信參數和鏡頭參數，通信參數調節內容主要包括攝像機所在串口號、波特率、數據位和停止位四個參數，其中，串口號要確保與攝像機實際所在位置一致；鏡頭參數調節內容主要包括變倍、聚焦和光圈三個參數，一般先根據周圍環境光線的明暗調節光圈，光線暗則要進光量大，即光圈調大，反之則調小，然后，調節變倍，相當于將拍攝目標拉近或推遠，調好變倍后，再調節聚焦，使目標肉眼看起來清晰。
所述的步驟(c)中，啟動WiotoMonitor后，首先需要在該系統中新建一個“項目文件”來存儲本次的實時監測數據；然后在生成該“項目文件”的軟件界面中輸入本次變形監測的預警值，添加前兩幅圖像到“分析圖像序列”中；最后利用PhotoMonitor中的“測點布置”功能在顯示的第一幅圖像上用鼠標自由選定圖像中的幾個點來作為本次變形監測的監測點。
所述的步驟(e)中PhotoMonitor軟件自動感知文件夾的新增圖像的原理主要是PhotoMonitor會每秒掃描一次該文件夾下的所有文件，并記錄下該文件夾下每個圖像文件的文件名，當發現有圖像的文件名在上一次記錄中不存在時，就表示該圖像為新增圖像，系統就可根據設定的命名規則對這些圖像進行重命名，本發明設定的圖像命名規則為 第一幅圖像命名為“Sand-000-1000000”，第二幅圖像就為“Sand-000-1000001”，第三幅為 “Sand-000-1000002”，依此類推，并將命名后的新增圖像添加到軟件界面中的“分析圖像序列”中。
所述的步驟(f)中各個監測點的位移和位移速率分析過程如下所示1)以第一幅圖像的一個監測點為中心點來構建一個邊長為21個像素的正方形像素塊 Bi，該監測點設為1 點；2)像素塊的坐標均采用局部坐標系，用來確定像素塊上各個像素點的位置，即只要兩個像素塊大小相同，其坐標原點及范圍相同，計算結束后可轉換為全局坐標；3)在新增的一幅圖像上的搜索范圍內選擇任意一點Η ，以其中心點來構建一個邊長為21個像素的正方形像素塊B2i，所述的搜索范圍為新增圖像上以1 點位置處的像素點為中心，半邊長為300像素的一個正方形區域；4)按公式(1)計算出Bl和B2i的相關系數；式中R12—兩個大小相同的像素塊的一個顏色分量的灰度相關系數，對RGB三個顏色分量分別計算得到相應的相關系數值，然后取平均值作為兩個像素塊的相關系數值； ν (x,y) 一圖像A上坐標為(X，y)處的像素顏色分量RGB的灰度值，范圍為0 255 ； u (x,y) 一圖像B上坐標為(X，y)處的像素顏色分量RGB的灰度值，范圍為0 255 ； k一像素塊的邊長除以2后取整數；5)對圖像B上劃定的搜索范圍內所有像素點均按2) 4)步驟計算出相關系數，然后從中找出最大相關系數對應的像素點作為第一幅圖像上1 點在新增圖像上的對應點1 ；6)分別記錄1 點的坐標和1 點的坐標，按式(2)計算得到1 點的位移值，其它監測點的位移分析與之相同；
權利要求
1.一種基于數字照相的巖土工程變形實時監測與預警方法，其特征是包括以下步驟(a)采用高清數碼相機和與高清數碼相機配套的照明燈作為巖土工程目標的圖像采集設備，對巖土工程目標表面進行監測；在實驗室內監測巖土工程目標表面時，不設置人工標志點；在較大工程結構監測巖土工程目標表面時，對該巖土工程目標表面設置“十字形”人工標志點；(b)在距巖土工程目標約2 細處架設高清數碼相機和照明燈，高清數碼相機與監測現場一臺計算機連接，高清數碼相機和照明燈均對準巖土工程目標，調節高清數碼相機相關參數以使圖像清晰，連續拍攝兩幅圖像，并將圖像通過數據電纜存儲到連接計算機的預設文件夾中；(c)在連接的計算機上啟動自制的數字照相量測軟件程序 PhotoMonitor,設定本次監控目標的預警值，所述的預警值包括位移預警值和位移速率預警值，添加上述兩幅圖像到軟件程序中的一組圖像集合名稱一 “分析圖像序列”中，同時在第一幅圖像上人工設置監測點；(d)利用高清數碼相機帶有的圖像采集設置軟件設定圖像采集頻率，開始進行巖土工程目標的圖像實時采集工作；(e)新采集的圖像通過數據電纜傳輸到計算機預設的文件夾后，PhotoMonitor軟件自動感知該預設文件夾的新增圖像并自動添加到“分析圖像序列”中；(f )應用數字散斑相關分析原理，PhotoMonitor開始自動對每幅新增圖像進行監測點的位移和位移速率分析，所述的監測點已在第一幅圖像上人工設置，同時根據已設定的預警值進行監測點安全狀態的評判；(g)分析完畢后，PhotoMonitor 自動將監測點的位移、位移速率以曲線的形式和安全評判結果以文字的形式實時顯示在本地計算機的屏幕上或通過無線網絡顯示在遠程計算機屏幕上，當監測點的位移或位移速率超過了設定預警值時，PhotoMonitor將以短信的形式告知有關人員以引起重視，實現基于數字照相的巖土工程變形實時遠程監測與預警。
2.根據權利要求1所述的一種基于數字照相的巖土工程變形實時監測與預警方法，其特征是所述的步驟(b)中，高清數碼相機需要調節的參數包括通信參數和鏡頭參數，通信參數調節內容主要包括攝像機所在串口號、波特率、數據位和停止位四個參數，其中，串口號要確保與攝像機實際所在位置一致；鏡頭參數調節內容主要包括變倍、聚焦和光圈三個參數，一般先根據周圍環境光線的明暗調節光圈，光線暗則要進光量大，即光圈調大，反之則調小，然后，調節變倍，相當于將拍攝目標拉近或推遠，調好變倍后，再調節聚焦，使目標肉眼看起來清晰。
3.根據權利要求1所述的一種基于數字照相的巖土工程變形實時監測與預警方法， 其特征是所述的步驟(c)中，啟動WiotoMonitor后，首先需要在該系統中新建一個“項目文件”來存儲本次的實時監測數據；然后在生成該“項目文件”的軟件界面中輸入本次變形監測的預警值，添加前兩幅圖像到“分析圖像序列”中；最后利用PhotoMonitor中的“測點布置”功能在顯示的第一幅圖像上用鼠標選定圖像中的幾個像素點來作為本次變形的監測點ο
4.根據權利要求1所述的一種基于數字照相的巖土工程變形實時監測與預警方法，其特征是所述的步驟(e)中PhotoMonitor軟件自動感知文件夾的新增圖像的原理主要是 PhotoMonitor會每隔10秒掃描一次該文件夾下的所有文件，并記錄下該文件夾下每個圖像文件的文件名，當發現有圖像的文件名在上一次記錄中不存在時，就表示該圖像為新增圖像，系統就可根據設定的命名規則對這些圖像進行重命名，本發明設定的圖像命名規則為第一幅圖像命名為“Sand-000-1000000”，第二幅圖像就為“Sand-000-1000001 ”，第三幅為“Sand-000-1000002”，依此類推，并將命名后的新增圖像添加到軟件界面中的“分析圖像序列”中。
5.根據權利要求1所述的一種基于數字照相的巖土工程變形實時監測與預警方法，其特征是所述的步驟(f)中各個監測點的位移和位移速率分析過程如下所示1)以第一幅圖像的一個監測點為中心點來構建一個邊長為21個像素的正方形像素塊 Bi，該監測點設為1 點；2)像素塊的坐標均采用局部坐標系，用來確定像素塊上各個像素點的位置，即只要兩個像素塊大小相同，其坐標原點及范圍相同，計算結束后可轉換為全局坐標；3)在新增的一幅圖像上的搜索范圍內選擇任意一點Η ，以其為中心點來構建一個邊長為21個像素的正方形像素塊B2i，所述的搜索范圍為新增圖像上以1 點位置處的像素點為中心，半邊長為300像素的一個正方形區域；4)按公式(1)計算出Bl和B2i的相關系數；式中R12—兩個大小相同的像素塊的一個顏色分量的灰度相關系數，對RGB三個顏色分量分別計算得到相應的相關系數值，然后取平均值作為兩個像素塊的相關系數值； ν (x,y) 一圖像A上坐標為(X，y)處的像素顏色分量RGB的灰度值，范圍為0 255 ； u (x,y) 一圖像B上坐標為(X，y)處的像素顏色分量RGB的灰度值，范圍為0 255 ； k一像素塊的邊長除以2后取整數；5)對圖像B上劃定的搜索范圍內所有像素點均按2) 4)步驟計算出相關系數，然后從中找出最大相關系數對應的像素點作為第一幅圖像上1 點在新增圖像上的對應點1 ；6)分別記錄1 點的坐標和1 點的坐標，按式(2)計算得到1 點的位移值，其它監測點的位移分析與之相同；式中Δ χ— 1 點在橫向方向上的位移； xa_第一幅圖像上1 點的橫坐標； xb—新增圖像上1 點的橫坐標； Δγ—Pa點在豎向方向上的位移； ya_第一幅圖像上1 點的豎坐標； yb—新增圖像上1 點的豎坐標； As+I^a點的總位移；7)由于連續采集的兩幅圖像的間隔時間非常短，因此1 點的實時位移速率可按式(3) 來計算，其它監測點的位移速率分析與之相同；Fs.< Vy = (Af2-Ly1) ft(2)= fJ+yJ式中vx_新增圖像在橫向方向上的位移速率；δ&—新增圖像在橫向方向上的位移；Δ X1—新增圖像的上一幅圖像在橫向方向上的位移；t一兩幅圖像的采集間隔時間；Vy_新增圖像在豎向方向上的位移速率；Ay2—新增圖像在豎向方向上的位移；Ay1—新增圖像的上一幅圖像在豎向方向上的位移；△Vs— 1 點的總位移速率。
全文摘要
一種基于數字照相的巖土工程變形實時監測與預警方法，該方法由圖像采集與傳輸裝置、圖像實時同步分析軟件PhotoMonitor、無線網絡傳輸裝置組成。首先，利用高清數碼相機進行觀測目標的圖像采集，并將圖像通過數據纜線傳輸到安裝有PhotoMonitor的計算機上，PhotoMonitor自動偵測到新采集的圖像，然后自動命名加入到分析圖像序列中以對觀測目標的實時位移、位移速率進行計算，計算完成后，PhotoMonitor再將結果顯示在本地計算機屏幕上，同時，通過無線網絡將結果數據傳輸并顯示在遠程計算機屏幕上，結果如超出預先設定的控制基準值則發出預警信號。優點簡單靈活、使用經濟、精度高、易于推廣。
文檔編號G01B11/16GK102506738SQ201110349408
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月8日 優先權日2011年11月8日
發明者李元海, 林志斌, 靖洪文 申請人:中國礦業大學