專利名稱：基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法
技術領域：
基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法屬于計算機視覺、攝影測量和嵌入式研究范疇，主要技術領域涉及立體視覺測量、標志點的識別和無線傳輸。
背景技術：
山體滑坡是山區和鐵路、公路沿線最常見的地質災害之一，它嚴重威脅人民的生命財產安全，破壞工程設施，影響正常的生產和生活，造成巨大經濟損失和人員傷亡。傳統滑坡監測主要是在現場布置固定傳感器或儀表后，通過匯總人工定時讀取數據來得到滑坡的安全狀況。數據匯總后滑坡可能已經發生破壞，因此不可能及時準確地對滑坡狀況進行預測，其最大弊端是難于及時甚至無法捕捉到滑坡臨近失穩前的最寶貴信息。若安排工作人員晝夜值守，不僅浪費人力、物力，而且值守人員的生命安全得不到保障。
近年來，隨著新技術的發展，一些新的方法不斷應用于山體滑坡的監測中。黃春林等人[if##,李永倩，楊志，李成賓.BOTDR技術在 體滑坡監測中的應用研究[J].工程抗震與加固改造，2009, 31(6): 7汾-7如]將布里淵散射的BOTDR分布式光纖傳感技術應用于山體滑坡監測，并提出了結合TCP/IP協議實現立體遠程監測的方法。該方法具有抗電磁干擾、長距離檢測、高靈敏度等優點，不足之處在于傳感光纖的鋪設比較困難，而且滑坡監測是以電纜變形為前提，若電纜未產生變形破壞，就很難監測滑坡的位移。段建華等K V段建華，田豐· InSAR在山體滑坡監測中的應用[J].微計算機信息，2010，26(2-1): 22-24Λ將合成孔徑雷達干涉測量法(InSAR)應用于山體滑坡監測。這種方法在一些具有特定特征的地方應用非常成功，比如有足夠的散射體，坡度比較緩，植被變化比較慢等的地方。邱健壯等人[摩懲/太孫克強，趙立中.GPS監測山體滑坡方法的研究[J].山東農業大學學報，2008，39 (4): 577-582]采用GPS技術對滑坡進行監測，通過跟蹤GPS衛星連續不斷地傳送到全球的電磁波，系統可獲取經度、緯度及三維坐標。GPS法以坐標、距離和角度為基礎，用新值與初始坐標之差反映目標的運動，來實現監測變形的目的，存在的問題是在高山地區，衛星信號易被遮擋，多路徑效應較為嚴重，對測量有一定影響，另外接收機的價格較貴，妨礙其推廣應用。方億峰等人V方億峰.GPS與InSAR結合技術在滑坡監測中的應用[J].礦山測量，2010，々入·妨-52]將GPS與InSAR結合應用在滑坡監測中，能夠同時提高監測在空間域與時間域的分辨率。周溢德等人[廣溢籍.基于無線傳感器網絡的 體滑坡監測預警系統設計[J].鐵道通信信號，2011，47(4): 洲]將無線傳感器網絡應用于山體滑坡監測中，設計了一種針對朔黃鐵路山區沿線山體滑坡的監測預警系統，并進行了原型系統試驗。相對于傳統的人工監測和有線監測方法，該系統具有部署快速、節省人力等優勢，但也存在布設的傳感器供電與維護困難的問題以及傳感器易受雨水和動物等地影響。陳鐵軍等人[嚴鋝孝；陳華方，胡揚超.基于CC2480的山體滑坡檢測系統[J].計算機工程與設計，2010，必i幻將地質學的基于Verhulst模型的位移預報模型融入CC2480的無線傳感器網絡檢測系統，使之不但能檢測山體狀況，更能對山體狀況做出預估，并且提出了在居民區構建報警裝置的方案。趙國梁等人I趙國梁，岳建利，余學義，趙兵朝,張惠軍.三維激光掃描儀在西部礦區采動滑坡監測中的應用研究[J]·礦山測量，2009，βλ·匆U]將激光掃描儀應用于滑坡監測，通過對激光掃描儀量測數據和水準儀以及全站儀測量數據的對比，能夠反映出礦區地表移動變形的特殊規律，從而實現對滑坡的預測。然而激光掃描儀價格昂貴，一般用于滑坡后測量。
發明內容
針對傳統滑坡監測方法和現代監測方法的缺點，本發明給出了基于計算機視覺的山體滑坡實時監測的設計方法。該方法簡單便捷，準確性好，能實時監測山體的形變，為滑坡做出預警。本發明是這樣實現的，一種基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法，實現該監測方法包括標志點、圖像采集模塊、圖像處理模塊、GPRS傳輸模塊、監控中心，圖像采集模塊實時監測標志點，圖像采集模塊連接圖像處理模塊，圖像處理模塊連接GPRS傳輸模塊， GPRS傳輸模塊無線連接監控中心，其特征是首先通過圖像采集模塊對所布設標志點區域進行圖像信息的采集，然后在圖像處理模塊中進行圖像分析，包括圖像預處理、標志點的識另O，山體滑坡位移判斷；如果判斷為發生滑坡，則通過GPRS傳輸模塊將位移信息傳回監控中心，并在監控中心發出警報，加快圖像采集模塊的采集頻率，通過GPRS傳輸模塊將采集的現場圖片傳回監控中心，并顯示在監控中心的顯示模塊上；若山體滑坡位移判斷為安全，則繼續等待采集信息。所述標志點的形狀設計成圓形，圓形標志點形狀簡單，而且圓形標志經透鏡成像后為橢圓。橢圓的識別和提取過程簡單，并且橢圓的幾何特性使其易于定位。標志點表面采用紅色回光反射材料制作，回光反射材料的反射系數很高，在同等光源的照射下，其反射亮度較普通的材料高，而且紅色易于識別。采用立體視覺系統對待監測區域進行信息采集，立體視覺系統采用兩臺USB接口的工業攝像機實現對信息的采集，初始化采集頻率為
O所述立體視覺系統采用雙目攝像機構建立體視覺系統,具體包括
1)攝像機標定采用張正友的棋盤格標定法，分別對左右兩臺攝像機進行攝像機標定，求取攝像機內參數矩陣，畸變向量；
2)立體視覺標定根據立體視覺成像原理，由攝像機標定方法計算兩臺攝像機之間的空間位置關系，通過目標點在左右攝像機的成像平面上所成像的視差值計算目標點的深度信息；
3)立體校正兩臺攝像機平行向前放置，當兩個像平面是完全行對準時，計算立體視差是最簡單的；但由于兩臺攝像機幾乎不可能有準確的共面和行對準的成像平面，完美的對準結構在真實的立體系統中幾乎不存在，所以在這里使用兩臺標定攝像機的旋轉和平移參數對左右攝像機所成的像進行重投影，使其重投影后的圖像實現行對準。所述圖像預處理主要包括圖像的去噪，平滑和濾波。所述標志點的識別兩步實現標志點的精確定位,首先進行標志點的粗定位,初步確標定志點的位置，然后采取精確定位，求取標志點的坐標；標志點粗定位這里標志點的粗定位主要包括RGB彩色圖像到HSI彩色空間的轉換、HSI顏色空間分割、HSI空間圖像二值化、輪廓提取、采用形狀準則去除干擾區域，這里的形狀準則主要有周長，面積和橢圓度，最后對標志點進行查全和查準，以確保識別標志點的準確性；標志點的精確定位標志點的精確定位主要是在標志點粗定位的基礎上對標志點進行快速的精確定位，在粗定位識別的標志點大體位置的基礎上，對粗定位中識別的標志點設置感興趣區域，直接對圖像感興趣區域進行HSI空間轉換，采用周長、面積和橢圓度三個形狀準則進行約束，去除干擾因素。最后進行橢圓擬合，求取標志點的幾何形心坐標。山體滑坡判斷通過設定兩個閾值和Γ 實現對是否產生滑坡危險的判斷，避免了在単閾值情況下由于干擾因素引起的誤判等情況。所述的基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法的圖像傳輸前預處理 ，圖像的縮放，目的在于減小數據傳輸量，保證信息有效傳輸。所述的基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法的信息無線傳輸的方法，采用GPRS模塊實現無線傳輸，突破傳統有線傳輸受地域和布線等缺陷的控制，提供一種相對廉價和可靠的方案。 所述的基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法的數據保存和信息實時顯示方法，能夠保存近期大量的信息，可以隨時調用出來進行查看，而且山體滑坡時可以對現場的情況進行實時顯示，效果更加真實。監控中心可以對參數進行重新設定，方便快捷。本發明可用于山體滑坡的實時監測，用于捕捉山體失穩前的寶貴信息，該方法布設簡單，方便快捷。
圖I為本發明方法的模塊結構圖。
具體實施例方式下面通過具體的實施對本發明的技術方案做進一步描述。工作過程結合附圖I說明本發明的工作過程。首先通過圖像采集模塊2對所布設標志點區域I進行圖像信息的采集，然后在圖像處理模塊3中進行圖像分析，包括圖像預處理、標志點的識別，山體滑坡位移判斷；如果判斷為發生滑坡，則通過GPRS傳輸模塊4將位移信息傳回監控中心7，并在監控中心7發出警報，加快圖像采集模塊2的采集頻率，通過GPRS傳輸模塊4將采集的現場圖片傳回監控中心7，并顯示在監控中心的顯示模塊6上；若山體滑坡位移判斷為安全，則繼續等待采集信息，監控中心7的控制模塊5控制整個監測過程上。
具體實施方式
步驟一基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法的組成部分主要有
(1)標志點，標志點由反光板和反光膜組成；
(2)標志點支架，反光標志點支架由鋼結構組成，根據現場情況進行設計和安裝。反光標志點支架的作用是支撐反光標志點；
(3)數字攝像機，采用兩臺普通數字攝像機拍攝監測區域圖像，作為山體滑坡實時監測方法的信息源。調試完畢后，兩臺攝像機的基線固定、光軸固定；(4)光源，光源采用閃光光源，當環境光亮度不夠時，與數字攝像機拍攝同步給出閃
光;
(5)攝像機支架，攝像機支架由鋼結構組成，根據現場情況進行設計和安裝；
(6)電源，需要給數字攝像機、光源和節點控制箱供電。(7)節點控制箱，節點控制箱由攝像機控制電路、閃光控制電路、圖像處理模塊、信息存儲模塊、GPRS傳輸模塊組成；
(8)監控中心，監控中心由計算機(上位機)、存儲器、報警裝置、被監測場景顯示裝置、信息管理與分發軟件等組成。
具體實施方式
步驟二 基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法中雙目立體視覺系統的搭建方式，有以下幾個方面
(1)將兩臺攝像機固定，盡量保持前向平行放置；
(2)分別對左右攝像機進行標定，求取攝像機內參數矩陣和畸變向量；
(3)立體標定，求取左右攝像機之間的旋轉矩陣和平移向量。
具體實施方式
步驟三基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法的標志點的粗定位方法如下
(1)讀入采集的RGB圖像，將其轉換為HSI顏色空間；
(2)對標志點顏色進行分割，并將圖像二值化；
(3)提取二值圖像中的目標輪廓，并采用形狀準則去除干擾區域；
(4)標志點的查全和查準；
(5)標志點位置信息保存。
具體實施方式
步驟四基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法的標志點的精確定位方法如下
(1)對標志點粗定位確定的標志點位置設置為感興趣區域；
(2)對感興趣區域進行HSI顏色分割，并進行二值化；
(3)提取目標輪廓并對得到的輪廓進行橢圓擬合；
(4)采用形狀準則去除干擾區域；
(5)通過橢圓擬合后的橢圓得到中心點的坐標。根據附圖I所示的模塊結構圖，本設計構造方法包括在待監測的山體布設標志點，并且通過圖像采集模塊采集信息，然后由圖像處理模塊對采集的信息進行處理和分析和判斷，將處理的結果通過GPRS傳輸模塊傳回監控中心，最后在監控中心進行信息的發布與顯不。一個圖像米集模塊、一個圖像處理模塊、一個GPRS傳輸模塊構成一個節點，實現對山體的監測。采用基于計算機視覺技術的山體滑坡實時監測方法其各模塊工作原理具體包括
I、對待監測區域所設標志點的設計方法 標志點的設計方法應遵循以下幾個原則
I)特征簡單、易于識別
為了減少圖像處理的復雜度，提高識別準確率和減少處理時間，標志點應盡量做到特征簡單，最好是由適合用圖像處理進行識別的基本幾何元素構成。
2)尺寸適當
標志點的尺寸過小，成像面積小，容易丟失位置信息，不利于信息的識別；尺寸過大可能導致中心點計算誤差過大。3)易于從背景中分離
圖像處理的對象標志點所成的像，所以處理時首先要將整幅圖像的背景過濾掉。標志點的成像應該與背景有較大的差別，以利于從背景中分離。2、圖像采集模塊主要包括攝像機的選取，攝像機的布置和鏈接。本方法采用兩臺工業攝像機，攝像機應盡量成平行向前放置。攝像機由工控板通過USB接口進行驅動，構成雙目立體視覺系統。2. I、攝像機的成像模型
空間中任何一點P在圖像上的成像位置可以用針孔模型近似表示，將空間點P(x: V, Z)在世界坐標系中的坐標值(X: .}，z..)變換為圖像平面坐標系中的坐標值(*4分的過程可分解為下述的4步變換
(I)三維空間剛體變換將世界坐標系中的坐標值變換為攝像機坐標系中的坐標值咖下
權利要求
1.一種基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法，實現該監測方法包括標志點、圖像采集模塊、圖像處理模塊、GPRS傳輸模塊、監控中心，圖像采集模塊實時監測標志點，圖像采集模塊連接圖像處理模塊，圖像處理模塊連接GPRS傳輸模塊，GPRS傳輸模塊無線連接監控中心，其特征是首先通過圖像采集模塊對所布設標志點區域進行圖像信息的采集，然后在圖像處理模塊中進行圖像分析，包括圖像預處理、標志點的識別，山體滑坡位移判斷；如果判斷為發生滑坡，則通過GPRS傳輸模塊將位移信息傳回監控中心，并在監控中心發出警報，加快圖像采集模塊的采集頻率，通過GPRS傳輸模塊將采集的現場圖片傳回監控中心，并顯示在監控中心的顯示模塊上；若山體滑坡位移判斷為安全，則繼續等待采集信息。
2.根據權利要求I所述的基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法，其特征是所述標志點的形狀設計成圓形，標志點表面采用紅色回光反射材料制作。
3.根據權利要求I所述的基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法，其特征是采用立體視覺系統對待監測區域進行信息采集，立體視覺系統采用兩臺USB接口的工業攝像機實現對信息的采集，初始化采集頻率為
4.根據權利要求3所述的基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法，其特征是所述立體視覺系統采用雙目攝像機構建立體視覺系統，具體包括 1)攝像機標定采用張正友的棋盤格標定法，分別對左右兩臺攝像機進行攝像機標定，求取攝像機內參數矩陣，畸變向量； 2)立體視覺標定根據立體視覺成像原理，由攝像機標定方法計算兩臺攝像機之間的空間位置關系，通過目標點在左右攝像機的成像平面上所成像的視差值計算目標點的深度信息； 3)立體校正兩臺攝像機平行向前放置，當兩個像平面是完全行對準時，計算立體視差是最簡單的；但由于兩臺攝像機幾乎不可能有準確的共面和行對準的成像平面，完美的對準結構在真實的立體系統中幾乎不存在，所以在這里使用兩臺標定攝像機的旋轉和平移參數對左右攝像機所成的像進行重投影，使其重投影后的圖像實現行對準。
5.根據權利要求I所述的基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法，其特征是所述圖像預處理主要包括圖像的去噪，平滑和濾波。
6.根據權利要求I所述的基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法，其特征是所述標志點的識別兩步實現標志點的精確定位，首先進行標志點的粗定位，初步確標定志點的位置，然后采取精確定位，求取標志點的坐標；標志點粗定位這里標志點的粗定位主要包括RGB彩色圖像到HSI彩色空間的轉換、HSI顏色空間分割、HSI空間圖像二值化、輪廓提取、采用形狀準則去除干擾區域，這里的形狀準則主要有周長，面積和橢圓度，最后對標志點進行查全和查準，以確保識別標志點的準確性；標志點的精確定位標志點的精確定位主要是在標志點粗定位的基礎上對標志點進行快速的精確定位，在粗定位識別的標志點中心位置的基礎上，對粗定位中識別的標志點位置設為感興趣區域，直接對圖像感興趣區域進行HSI空間轉換，采用周長、面積和橢圓度三個形狀準則進行約束，去除干擾因素，最后進行橢圓擬合，求取標志點的幾何形心坐標。
7.根據權利要求I所述的基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法，其特征是山體滑坡判斷通過設定兩個閾值實現對是否產生滑坡危險的判斷，避免了在単閾值 情況下由于干擾因素引起的誤判等情況。
全文摘要
一種基于計算機視覺的山體滑坡實時監測方法，首先通過圖像采集模塊對所布設標志點區域進行圖像信息的采集，然后在圖像處理模塊中進行圖像分析，包括圖像預處理、標志點的識別，山體滑坡位移判斷；如果判斷為發生滑坡，則通過GPRS傳輸模塊將位移信息傳回監控中心，并在監控中心發出警報，加快圖像采集模塊的采集頻率，通過GPRS傳輸模塊將采集的現場圖片傳回監控中心，并顯示在監控中心的顯示模塊上；若山體滑坡位移判斷為安全，則繼續等待采集信息。本發明可用于山體滑坡的實時監測，用于捕捉山體失穩前的寶貴信息，該方法布設簡單，方便快捷。
文檔編號G01B11/02GK102721370SQ201210200560
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月18日 優先權日2012年6月18日
發明者劉肖忠, 曾接賢, 田波 申請人:南昌航空大學