专利名称：基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法
技术领域：
基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法属于计算机视觉、摄影测量和嵌入式研究范畴，主要技术领域涉及立体视觉测量、标志点的识别和无线传输。
背景技术：
山体滑坡是山区和铁路、公路沿线最常见的地质灾害之一，它严重威胁人民的生命财产安全，破坏工程设施，影响正常的生产和生活，造成巨大经济损失和人员伤亡。传统滑坡监测主要是在现场布置固定传感器或仪表后，通过汇总人工定时读取数据来得到滑坡的安全状况。数据汇总后滑坡可能已经发生破坏，因此不可能及时准确地对滑坡状况进行预测，其最大弊端是难于及时甚至无法捕捉到滑坡临近失稳前的最宝贵信息。若安排工作人员昼夜值守，不仅浪费人力、物力，而且值守人员的生命安全得不到保障。
近年来，随着新技术的发展，一些新的方法不断应用于山体滑坡的监测中。黄春林等人[if##,李永倩，杨志，李成宾.BOTDR技术在 体滑坡监测中的应用研究[J].工程抗震与加固改造，2009, 31(6): 7汾-7如]将布里渊散射的BOTDR分布式光纤传感技术应用于山体滑坡监测，并提出了结合TCP/IP协议实现立体远程监测的方法。该方法具有抗电磁干扰、长距离检测、高灵敏度等优点，不足之处在于传感光纤的铺设比较困难，而且滑坡监测是以电缆变形为前提，若电缆未产生变形破坏，就很难监测滑坡的位移。段建华等K V段建华，田丰· InSAR在山体滑坡监测中的应用[J].微计算机信息，2010，26(2-1): 22-24Λ将合成孔径雷达干涉测量法(InSAR)应用于山体滑坡监测。这种方法在一些具有特定特征的地方应用非常成功，比如有足够的散射体，坡度比较缓，植被变化比较慢等的地方。邱健壮等人[摩懲/太孙克强，赵立中.GPS监测山体滑坡方法的研究[J].山东农业大学学报，2008，39 (4): 577-582]采用GPS技术对滑坡进行监测，通过跟踪GPS卫星连续不断地传送到全球的电磁波，系统可获取经度、纬度及三维坐标。GPS法以坐标、距离和角度为基础，用新值与初始坐标之差反映目标的运动，来实现监测变形的目的，存在的问题是在高山地区，卫星信号易被遮挡，多路径效应较为严重，对测量有一定影响，另外接收机的价格较贵，妨碍其推广应用。方亿峰等人V方亿峰.GPS与InSAR结合技术在滑坡监测中的应用[J].矿山测量，2010，々入·妨-52]将GPS与InSAR结合应用在滑坡监测中，能够同时提高监测在空间域与时间域的分辨率。周溢德等人[廣溢籍.基于无线传感器网络的 体滑坡监测预警系统设计[J].铁道通信信号，2011，47(4): 洲]将无线传感器网络应用于山体滑坡监测中，设计了一种针对朔黄铁路山区沿线山体滑坡的监测预警系统，并进行了原型系统试验。相对于传统的人工监测和有线监测方法，该系统具有部署快速、节省人力等优势，但也存在布设的传感器供电与维护困难的问题以及传感器易受雨水和动物等地影响。陈铁军等人[嚴锊孝；陈华方，胡扬超.基于CC2480的山体滑坡检测系统[J].计算机工程与设计，2010，必i幻将地质学的基于Verhulst模型的位移预报模型融入CC2480的无线传感器网络检测系统，使之不但能检测山体状况，更能对山体状况做出预估，并且提出了在居民区构建报警装置的方案。赵国梁等人I赵国梁，岳建利，余学义，赵兵朝,张惠军.三维激光扫描仪在西部矿区采动滑坡监测中的应用研究[J]·矿山测量，2009，βλ·匆U]将激光扫描仪应用于滑坡监测，通过对激光扫描仪量测数据和水准仪以及全站仪测量数据的对比，能够反映出矿区地表移动变形的特殊规律，从而实现对滑坡的预测。然而激光扫描仪价格昂贵，一般用于滑坡后测量。
发明内容
针对传统滑坡监测方法和现代监测方法的缺点，本发明给出了基于计算机视觉的山体滑坡实时监测的设计方法。该方法简单便捷，准确性好，能实时监测山体的形变，为滑坡做出预警。本发明是这样实现的，一种基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法，实现该监测方法包括标志点、图像采集模块、图像处理模块、GPRS传输模块、监控中心，图像采集模块实时监测标志点，图像采集模块连接图像处理模块，图像处理模块连接GPRS传输模块， GPRS传输模块无线连接监控中心，其特征是首先通过图像采集模块对所布设标志点区域进行图像信息的采集，然后在图像处理模块中进行图像分析，包括图像预处理、标志点的识另O，山体滑坡位移判断；如果判断为发生滑坡，则通过GPRS传输模块将位移信息传回监控中心，并在监控中心发出警报，加快图像采集模块的采集频率，通过GPRS传输模块将采集的现场图片传回监控中心，并显示在监控中心的显示模块上；若山体滑坡位移判断为安全，则继续等待采集信息。所述标志点的形状设计成圆形，圆形标志点形状简单，而且圆形标志经透镜成像后为椭圆。椭圆的识别和提取过程简单，并且椭圆的几何特性使其易于定位。标志点表面采用红色回光反射材料制作，回光反射材料的反射系数很高，在同等光源的照射下，其反射亮度较普通的材料高，而且红色易于识别。采用立体视觉系统对待监测区域进行信息采集，立体视觉系统采用两台USB接口的工业摄像机实现对信息的采集，初始化采集频率为
O所述立体视觉系统采用双目摄像机构建立体视觉系统,具体包括
1)摄像机标定采用张正友的棋盘格标定法，分别对左右两台摄像机进行摄像机标定，求取摄像机内参数矩阵，畸变向量；
2)立体视觉标定根据立体视觉成像原理，由摄像机标定方法计算两台摄像机之间的空间位置关系，通过目标点在左右摄像机的成像平面上所成像的视差值计算目标点的深度信息；
3)立体校正两台摄像机平行向前放置，当两个像平面是完全行对准时，计算立体视差是最简单的；但由于两台摄像机几乎不可能有准确的共面和行对准的成像平面，完美的对准结构在真实的立体系统中几乎不存在，所以在这里使用两台标定摄像机的旋转和平移参数对左右摄像机所成的像进行重投影，使其重投影后的图像实现行对准。所述图像预处理主要包括图像的去噪，平滑和滤波。所述标志点的识别两步实现标志点的精确定位,首先进行标志点的粗定位,初步确标定志点的位置，然后采取精确定位，求取标志点的坐标；标志点粗定位这里标志点的粗定位主要包括RGB彩色图像到HSI彩色空间的转换、HSI颜色空间分割、HSI空间图像二值化、轮廓提取、采用形状准则去除干扰区域，这里的形状准则主要有周长，面积和椭圆度，最后对标志点进行查全和查准，以确保识别标志点的准确性；标志点的精确定位标志点的精确定位主要是在标志点粗定位的基础上对标志点进行快速的精确定位，在粗定位识别的标志点大体位置的基础上，对粗定位中识别的标志点设置感兴趣区域，直接对图像感兴趣区域进行HSI空间转换，采用周长、面积和椭圆度三个形状准则进行约束，去除干扰因素。最后进行椭圆拟合，求取标志点的几何形心坐标。山体滑坡判断通过设定两个阈值和Γ 实现对是否产生滑坡危险的判断，避免了在単阈值情况下由于干扰因素引起的误判等情况。所述的基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法的图像传输前预处理 ，图像的缩放，目的在于减小数据传输量，保证信息有效传输。所述的基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法的信息无线传输的方法，采用GPRS模块实现无线传输，突破传统有线传输受地域和布线等缺陷的控制，提供一种相对廉价和可靠的方案。 所述的基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法的数据保存和信息实时显示方法，能够保存近期大量的信息，可以随时调用出来进行查看，而且山体滑坡时可以对现场的情况进行实时显示，效果更加真实。监控中心可以对参数进行重新设定，方便快捷。本发明可用于山体滑坡的实时监测，用于捕捉山体失稳前的宝贵信息，该方法布设简单，方便快捷。
图I为本发明方法的模块结构图。
具体实施例方式下面通过具体的实施对本发明的技术方案做进一步描述。工作过程结合附图I说明本发明的工作过程。首先通过图像采集模块2对所布设标志点区域I进行图像信息的采集，然后在图像处理模块3中进行图像分析，包括图像预处理、标志点的识别，山体滑坡位移判断；如果判断为发生滑坡，则通过GPRS传输模块4将位移信息传回监控中心7，并在监控中心7发出警报，加快图像采集模块2的采集频率，通过GPRS传输模块4将采集的现场图片传回监控中心7，并显示在监控中心的显示模块6上；若山体滑坡位移判断为安全，则继续等待采集信息，监控中心7的控制模块5控制整个监测过程上。
具体实施方式
步骤一基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法的组成部分主要有
(1)标志点，标志点由反光板和反光膜组成；
(2)标志点支架，反光标志点支架由钢结构组成，根据现场情况进行设计和安装。反光标志点支架的作用是支撑反光标志点；
(3)数字摄像机，采用两台普通数字摄像机拍摄监测区域图像，作为山体滑坡实时监测方法的信息源。调试完毕后，两台摄像机的基线固定、光轴固定；(4)光源，光源采用闪光光源，当环境光亮度不够时，与数字摄像机拍摄同步给出闪
光;
(5)摄像机支架，摄像机支架由钢结构组成，根据现场情况进行设计和安装；
(6)电源，需要给数字摄像机、光源和节点控制箱供电。(7)节点控制箱，节点控制箱由摄像机控制电路、闪光控制电路、图像处理模块、信息存储模块、GPRS传输模块组成；
(8)监控中心，监控中心由计算机(上位机)、存储器、报警装置、被监测场景显示装置、信息管理与分发软件等组成。
具体实施方式
步骤二 基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法中双目立体视觉系统的搭建方式，有以下几个方面
(1)将两台摄像机固定，尽量保持前向平行放置；
(2)分别对左右摄像机进行标定，求取摄像机内参数矩阵和畸变向量；
(3)立体标定，求取左右摄像机之间的旋转矩阵和平移向量。
具体实施方式
步骤三基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法的标志点的粗定位方法如下
(1)读入采集的RGB图像，将其转换为HSI颜色空间；
(2)对标志点颜色进行分割，并将图像二值化；
(3)提取二值图像中的目标轮廓，并采用形状准则去除干扰区域；
(4)标志点的查全和查准；
(5)标志点位置信息保存。
具体实施方式
步骤四基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法的标志点的精确定位方法如下
(1)对标志点粗定位确定的标志点位置设置为感兴趣区域；
(2)对感兴趣区域进行HSI颜色分割，并进行二值化；
(3)提取目标轮廓并对得到的轮廓进行椭圆拟合；
(4)采用形状准则去除干扰区域；
(5)通过椭圆拟合后的椭圆得到中心点的坐标。根据附图I所示的模块结构图，本设计构造方法包括在待监测的山体布设标志点，并且通过图像采集模块采集信息，然后由图像处理模块对采集的信息进行处理和分析和判断，将处理的结果通过GPRS传输模块传回监控中心，最后在监控中心进行信息的发布与显不。一个图像米集模块、一个图像处理模块、一个GPRS传输模块构成一个节点，实现对山体的监测。采用基于计算机视觉技术的山体滑坡实时监测方法其各模块工作原理具体包括
I、对待监测区域所设标志点的设计方法 标志点的设计方法应遵循以下几个原则
I)特征简单、易于识别
为了减少图像处理的复杂度，提高识别准确率和减少处理时间，标志点应尽量做到特征简单，最好是由适合用图像处理进行识别的基本几何元素构成。
2)尺寸适当
标志点的尺寸过小，成像面积小，容易丢失位置信息，不利于信息的识别；尺寸过大可能导致中心点计算误差过大。3)易于从背景中分离
图像处理的对象标志点所成的像，所以处理时首先要将整幅图像的背景过滤掉。标志点的成像应该与背景有较大的差别，以利于从背景中分离。2、图像采集模块主要包括摄像机的选取，摄像机的布置和链接。本方法采用两台工业摄像机，摄像机应尽量成平行向前放置。摄像机由工控板通过USB接口进行驱动，构成双目立体视觉系统。2. I、摄像机的成像模型
空间中任何一点P在图像上的成像位置可以用针孔模型近似表示，将空间点P(x: V, Z)在世界坐标系中的坐标值(X: .}，z..)变换为图像平面坐标系中的坐标值(*4分的过程可分解为下述的4步变换
(I)三维空间刚体变换将世界坐标系中的坐标值变换为摄像机坐标系中的坐标值咖下
权利要求
1.一种基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法，实现该监测方法包括标志点、图像采集模块、图像处理模块、GPRS传输模块、监控中心，图像采集模块实时监测标志点，图像采集模块连接图像处理模块，图像处理模块连接GPRS传输模块，GPRS传输模块无线连接监控中心，其特征是首先通过图像采集模块对所布设标志点区域进行图像信息的采集，然后在图像处理模块中进行图像分析，包括图像预处理、标志点的识别，山体滑坡位移判断；如果判断为发生滑坡，则通过GPRS传输模块将位移信息传回监控中心，并在监控中心发出警报，加快图像采集模块的采集频率，通过GPRS传输模块将采集的现场图片传回监控中心，并显示在监控中心的显示模块上；若山体滑坡位移判断为安全，则继续等待采集信息。
2.根据权利要求I所述的基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法，其特征是所述标志点的形状设计成圆形，标志点表面采用红色回光反射材料制作。
3.根据权利要求I所述的基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法，其特征是采用立体视觉系统对待监测区域进行信息采集，立体视觉系统采用两台USB接口的工业摄像机实现对信息的采集，初始化采集频率为
4.根据权利要求3所述的基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法，其特征是所述立体视觉系统采用双目摄像机构建立体视觉系统，具体包括 1)摄像机标定采用张正友的棋盘格标定法，分别对左右两台摄像机进行摄像机标定，求取摄像机内参数矩阵，畸变向量； 2)立体视觉标定根据立体视觉成像原理，由摄像机标定方法计算两台摄像机之间的空间位置关系，通过目标点在左右摄像机的成像平面上所成像的视差值计算目标点的深度信息； 3)立体校正两台摄像机平行向前放置，当两个像平面是完全行对准时，计算立体视差是最简单的；但由于两台摄像机几乎不可能有准确的共面和行对准的成像平面，完美的对准结构在真实的立体系统中几乎不存在，所以在这里使用两台标定摄像机的旋转和平移参数对左右摄像机所成的像进行重投影，使其重投影后的图像实现行对准。
5.根据权利要求I所述的基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法，其特征是所述图像预处理主要包括图像的去噪，平滑和滤波。
6.根据权利要求I所述的基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法，其特征是所述标志点的识别两步实现标志点的精确定位，首先进行标志点的粗定位，初步确标定志点的位置，然后采取精确定位，求取标志点的坐标；标志点粗定位这里标志点的粗定位主要包括RGB彩色图像到HSI彩色空间的转换、HSI颜色空间分割、HSI空间图像二值化、轮廓提取、采用形状准则去除干扰区域，这里的形状准则主要有周长，面积和椭圆度，最后对标志点进行查全和查准，以确保识别标志点的准确性；标志点的精确定位标志点的精确定位主要是在标志点粗定位的基础上对标志点进行快速的精确定位，在粗定位识别的标志点中心位置的基础上，对粗定位中识别的标志点位置设为感兴趣区域，直接对图像感兴趣区域进行HSI空间转换，采用周长、面积和椭圆度三个形状准则进行约束，去除干扰因素，最后进行椭圆拟合，求取标志点的几何形心坐标。
7.根据权利要求I所述的基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法，其特征是山体滑坡判断通过设定两个阈值实现对是否产生滑坡危险的判断，避免了在単阈值 情况下由于干扰因素引起的误判等情况。
全文摘要
一种基于计算机视觉的山体滑坡实时监测方法，首先通过图像采集模块对所布设标志点区域进行图像信息的采集，然后在图像处理模块中进行图像分析，包括图像预处理、标志点的识别，山体滑坡位移判断；如果判断为发生滑坡，则通过GPRS传输模块将位移信息传回监控中心，并在监控中心发出警报，加快图像采集模块的采集频率，通过GPRS传输模块将采集的现场图片传回监控中心，并显示在监控中心的显示模块上；若山体滑坡位移判断为安全，则继续等待采集信息。本发明可用于山体滑坡的实时监测，用于捕捉山体失稳前的宝贵信息，该方法布设简单，方便快捷。
文档编号G01B11/02GK102721370SQ201210200560
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者刘肖忠, 曾接贤, 田波 申请人:南昌航空大学