CN102506738B - 一种基于数字照相的岩土工程变形实时监测与预警方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于数字照相的岩土工程变形实时监测与预警方法，该方法由图像采集与传输装置、图像实时同步分析软件PhotoMonitor、无线网络传输装置组成。首先，利用高清数码相机进行观测目标的图像采集，并将图像通过数据缆线传输到安装有PhotoMonitor的计算机上，PhotoMonitor自动侦测到新采集的图像，然后自动命名加入到分析图像序列中以对观测目标的实时位移、位移速率进行计算，计算完成后，PhotoMonitor再将结果显示在本地计算机屏幕上，同时，通过无线网络将结果数据传输并显示在远程计算机屏幕上，结果如超出预先设定的控制基准值则发出预警信号。优点：简单灵活、使用经济、精度高、易于推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩土工程变形实时监测与预警方法，特别是一种基于数字照相的岩土工程变形实时监测与预警方法。
背景技术
岩土工程领域，包括实验室与工程现场，特别是城市地铁及重要地下工程在修建过程中，为了确保工程结构或周边重要建构筑物的安全，非常重视和强调变形的实时监测，而一般常用的基于全站仪的实时变形监测系统，设备造价昂贵，使用操作复杂。目前，广泛应用的基于CCD的远程视频网络监控系统，也仅仅只能进行常规动态图像的采集与回放，不能实现目标的图像采集与变形分析的同步进行以及以此为基础的实时变形预警功能，同时，以动态影像采集为主要功能的CCD摄像头存储的静态图像清晰度比数码相机要低很多，若用于变形分析则精度较低；而采用高清数码相机代替一般CCD摄像头作为岩土工程目标（如实验模型或工程结构）的普通数字照相量测系统虽然解决了采集图像清晰度和图像实时采集的问题，但不能实现图像的实时处理、变形计算和结果可视化。因此，当前岩土工程变形观测方法未能有效解决连续实时监测、实时分析与实时预警的问题。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于数字照相的岩土工程变形实时监测与预警方法，解决现有基于数字照相的变形监测技术不能实现图像采集与图像变形同步分析的问题。
本发明的目的是这样实现的：包括以下步骤：（a）采用高清数码相机和与高清数码相机配套的照明灯作为岩土工程目标的图像采集设备，对岩土工程目标表面进行监测；在实验室内监测岩土工程目标表面时，不设置人工标志点；在较大工程结构监测岩土工程目标表面时，对该岩土工程目标表面设置“十字形”人工标志点；（b）在距岩土工程目标约2～4m处架设高清数码相机和照明灯，高清数码相机与监测现场一台计算机连接，高清数码相机和照明灯均对准岩土工程目标，调节高清数码相机相关参数以使图像清晰，连续拍摄两幅图像，并将图像通过数据电缆存储到连接计算机的预设文件夹上；（c）在连接的计算机上启动自制的数字照相量测软件程序PhotoMonitor，设定本次监控目标的预警值，所述的预警值包括位移预警值和位移速率预警值，添加上述两幅图像到软件程序中的一组图像集合名称—“分析图像序列”中，同时在第一幅图像上人工设置监测点；（d）利用高清数码相机带有的图像采集设置软件设定图像采集频率，开始进行岩土工程目标的图像实时采集工作；（e）新采集的图像通过数据电缆传输到计算机预设的文件夹后，PhotoMonitor软件自动感知该预设文件夹的新增图像并自动添加到“分析图像序列”中；（f）应用数字散斑相关分析原理，PhotoMonitor开始自动对每幅新增图像进行监测点的位移和位移速率分析，所述的监测点已在第一幅图像上人工布置，同时根据已设定的预警值进行监测点安全状态的评判；（g）分析完毕后，PhotoMonitor自动将监测点的位移、位移速率以曲线的形式和安全评判结果以文字的形式实时显示在本地计算机的屏幕上或通过无线网络显示在远程计算机屏幕上，当监测点的位移或位移速率超过了设定预警值时，PhotoMonitor将以短信的形式告知有关人员以引起重视，实现基于数字照相的岩土工程变形实时远程监测与预警。
所述的步骤（b）中，高清数码相机需要调节的参数包括通信参数和镜头参数，通信参数调节内容主要包括摄像机所在串口号、波特率、数据位和停止位四个参数，其中，串口号要确保与摄像机实际所在位置一致；镜头参数调节内容主要包括变倍、聚焦和光圈三个参数，一般先根据周围环境光线的明暗调节光圈，光线暗则要进光量大，即光圈调大，反之则调小，然后，调节变倍，相当于将拍摄目标拉近或推远，调好变倍后，再调节聚焦，使目标肉眼看起来清晰。
所述的步骤（c）中，启动PhotoMonitor后，首先需要在该系统中新建一个“项目文件”来存储本次的实时监测数据；然后在生成该“项目文件”的软件界面中输入本次变形监测的预警值，添加前两幅图像到“分析图像序列”中；最后利用PhotoMonitor中的“测点布置”功能在显示的第一幅图像上用鼠标自由选定图像中的几个点来作为本次变形监测的监测点。
所述的步骤（e）中PhotoMonitor软件自动感知文件夹的新增图像的原理主要是PhotoMonitor会每秒扫描一次该文件夹下的所有文件，并记录下该文件夹下每个图像文件的文件名，当发现有图像的文件名在上一次记录中不存在时，就表示该图像为新增图像，系统就可根据设定的命名规则对这些图像进行重命名，本发明设定的图像命名规则为：第一幅图像命名为“Sand-000-1000000”，第二幅图像就为“Sand-000-1000001”，第三幅为“Sand-000-1000002”，依此类推，并将命名后的新增图像添加到软件界面中的“分析图像序列”中。
所述的步骤（f）中各个监测点的位移和位移速率分析过程如下所示：
1）以第一幅图像即图像A的一个监测点为中心点来构建一个边长为21个像素的正方形像素块B1，该监测点设为Pa点；
2）像素块的坐标均采用局部坐标系，用来确定像素块上各个像素点的位置，即只要两个像素块大小相同，其坐标原点及范围相同，计算结束后可转换为全局坐标；
3）在新增的一幅图像即图像B上的搜索范围内选择任意一点Pbi，以其中心点来构建一个边长为21个像素的正方形像素块B2i，所述的搜索范围为新增图像上以Pa点位置处的像素点为中心，半边长为300像素的一个正方形区域；
4）按公式（1）计算出B1和B2i的相关系数；
式中： R12—两个大小相同的像素块的一个颜色分量的灰度相关系数，对RGB三个颜色分量分别计算得到相应的相关系数值，然后取平均值作为两个像素块的相关系数值；
v（x,y）—图像A上坐标为（x,y）处的像素颜色分量RGB的灰度值，范围为0~255；
u（x,y）—图像B上坐标为（x,y）处的像素颜色分量RGB的灰度值，范围为0~255；
k—像素块的边长除以2后取整数。
5）对图像B上划定的搜索范围内所有像素点均按2）～4）步骤计算出相关系数，然后从中找出最大相关系数对应的像素点作为第一幅图像上Pa点在新增图像上的对应点Pb；
6）分别记录Pa点的坐标和Pb点的坐标，按式（2）计算得到Pa点的位移值，其它监测点的位移分析与之相同；
式中：Δx—Pa点在横向方向上的位移；
xa—第一幅图像上Pa点的横坐标；
xb—新增图像上Pb点的横坐标；
Δy—Pa点在竖向方向上的位移；
ya—第一幅图像上Pa点的竖坐标；
yb—新增图像上Pb点的竖坐标；
Δs—Pa点的总位移。
7）由于连续采集的两幅图像的间隔时间非常短，因此Pa点的实时位移速率可按式（3）来计算，其它监测点的位移速率分析与之相同；
式中：Vx—新增图像在横向方向上的位移速率；
Δx2—新增图像在横向方向上的位移；
Δx1—新增图像的上一幅图像在横向方向上的位移；
t—两幅图像的采集间隔时间；
Vy—新增图像在竖向方向上的位移速率；
Δy2—新增图像在竖向方向上的位移；
Δy1—新增图像的上一幅图像在竖向方向上的位移；
V s —Pa点的总位移速率。
有益效果，利用高清数码相机将采集的图像通过数据缆线传输到本地计算机上；专用图像分析软件PhotoMonitor能够自动侦测到通过数据缆线传输来的新采集的数字图像，并自动命名加入到数字图像分析序列中以对观测目标进行实时位移、位移速率分析以及安全状态的评判，分析评判后，PhotoMonitor会将观测目标的实时位移、位移速率、安全状态评判结果显示在本地计算机的屏幕上或通过远程无线网络传输装置显示在远程计算机屏幕上。解决了常规基于数字照相技术的目标监测系统不能实现图像采集与图像变形同步分析的问题，达到了本发明的目的。
优点：简单灵活、使用经济、稳定性好、精度高、易于推广；实现了基于数字照相的岩土体或结构物变形的实时高精度监测与快速预警，可用于诸如边坡、隧道洞口、隧道洞内、基坑周边建筑等岩土工程结构及其周围环境建构筑物的实时安全监测。
附图说明
图1为本发明的工作流程图。
图2为在实时数字照相监测程序PhotoMonitor中人工添加初始拍摄图像示意图。
图3为在实时数字照相监测程序PhotoMonitor中进行人工布置控制点示意图。
图4为在实时数字照相监测程序PhotoMonitor中进行监测结果的实时显示图。
具体实施方式
实施例1：包括以下步骤：（a）采用高清数码相机和与高清数码相机配套的照明灯作为岩土工程目标的图像采集设备，对岩土工程目标表面进行监测；在实验室内监测岩土工程目标表面时，不设置人工标志点；在较大工程结构监测岩土工程目标表面时，对该岩土工程目标表面设置“十字形”人工标志点；（b）在距岩土工程目标约2～4m处架设高清数码相机和照明灯，高清数码相机与监测现场一台计算机连接，高清数码相机和照明灯均对准岩土工程目标，调节高清数码相机相关参数以使图像清晰，连续拍摄两幅图像，并将图像通过数据电缆存储到连接计算机的预设文件夹中；（c）在连接的计算机上启动自制的数字照相量测软件程序PhotoMonitor，设定本次监控目标的预警值，所述的预警值包括位移预警值和位移速率预警值，添加上述两幅图像到软件程序中的一组图像集合名称—“分析图像序列”中，同时在第一幅图像上人工设置监测点；（d）利用高清数码相机带有的图像采集设置软件设定图像采集频率，开始进行岩土工程目标的图像实时采集工作；（e）新采集的图像通过数据电缆传输到计算机预设的文件夹后，PhotoMonitor软件自动感知该预设文件夹的新增图像并自动添加到“分析图像序列”中；（f）应用数字散斑相关分析原理，PhotoMonitor开始自动对每幅新增图像进行监测点的位移和位移速率分析，所述的监测点已在第一幅图像上人工布置，同时根据已设定的预警值进行监测点安全状态的评判；（g）分析完毕后，PhotoMonitor自动将监测点的位移、位移速率以曲线的形式和安全评判结果以文字的形式实时显示在本地计算机的屏幕上或通过无线网络显示在远程计算机屏幕上，当监测点的位移或位移速率超过了设定预警值时，PhotoMonitor将以短信的形式告知有关人员以引起重视，实现基于数字照相的岩土工程变形实时远程监测与预警。
所述的步骤（b）中，高清数码相机需要调节的参数包括通信参数和镜头参数，通信参数调节内容主要包括摄像机所在串口号、波特率、数据位和停止位四个参数，其中，串口号要确保与摄像机实际所在位置一致；镜头参数调节内容主要包括变倍、聚焦和光圈三个参数，一般先根据周围环境光线的明暗调节光圈，光线暗则要进光量大，即光圈调大，反之则调小，然后，调节变倍，相当于将拍摄目标拉近或推远，调好变倍后，再调节聚焦，使目标肉眼看起来清晰。
所述的步骤（c）中，启动PhotoMonitor后，首先需要在该系统中新建一个“项目文件”来存储本次的实时监测数据；然后在生成该“项目文件”的软件界面中输入本次变形监测的预警值，添加前两幅图像到“分析图像序列”中；最后利用PhotoMonitor中的“测点布置”功能在显示的第一幅图像上用鼠标自由选定图像中的几个点作为本次变形监测的监测点。
所述的步骤（e）中PhotoMonitor软件自动感知文件夹的新增图像的原理主要是PhotoMonitor会每秒扫描一次该文件夹下的所有文件，并记录下该文件夹下每个图像文件的文件名，当发现有图像的文件名在上一次记录中不存在时，就表示该图像为新增图像，系统就可根据设定的命名规则对这些图像进行重命名，本发明设定的图像命名规则为：第一幅图像命名为“Sand-000-1000000”，第二幅图像就为“Sand-000-1000001”，第三幅为“Sand-000-1000002”，依此类推，并将命名后的新增图像添加到软件界面中的“分析图像序列”中。
所述的步骤（f）中各个监测点的位移和位移速率分析过程如下所示：
1）以第一幅图像即图像A的一个监测点为中心点来构建一个边长为21个像素的正方形像素块B1，该监测点设为Pa点；
2）像素块的坐标均采用局部坐标系，用来确定像素块上各个像素点的位置，即只要两个像素块大小相同，其坐标原点及范围相同，计算结束后可转换为全局坐标；
3）在新增的一幅图像即图像B上的搜索范围内选择任意一点Pbi，以其中心点来构建一个边长为21个像素的正方形像素块B2i，所述的搜索范围为新增图像上以Pa点位置处的像素点为中心，半边长为300像素的一个正方形区域；
4）按公式（1）计算出B1和B2i的相关系数；
式中： R12—两个大小相同的像素块的一个颜色分量的灰度相关系数，对RGB三个颜色分量分别计算得到相应的相关系数值，然后取平均值作为两个像素块的相关系数值；
v（x,y）—图像A上坐标为（x,y）处的像素颜色分量RGB的灰度值，范围为0~255；
u（x,y）—图像B上坐标为（x,y）处的像素颜色分量RGB的灰度值，范围为0~255；
k—像素块的边长除以2后取整数。
5）对图像B上划定的搜索范围内所有像素点均按2）～4）步骤计算出相关系数，然后从中找出最大相关系数对应的像素点作为第一幅图像上Pa点在新增图像上的对应点Pb；
6）分别记录Pa点的坐标和Pb点的坐标，按式（2）计算得到Pa点的位移值，其它监测点的位移分析与之相同；
式中：Δx—Pa点在横向方向上的位移；
xa—第一幅图像上Pa点的横坐标；
xb—新增图像上Pb点的横坐标；
Δy—Pa点在竖向方向上的位移；
ya—第一幅图像上Pa点的竖坐标；
yb—新增图像上Pb点的竖坐标；
Δs—Pa点的总位移。
7）由于连续采集的两幅图像的间隔时间非常短，因此Pa点的实时位移速率可按式（3）来计算，其它监测点的位移速率分析与之相同；
式中：Vx—新增图像在横向方向上的位移速率；
Δx2—新增图像在横向方向上的位移；
Δx1—新增图像的上一幅图像在横向方向上的位移；
t—两幅图像的采集间隔时间；
Vy—新增图像在竖向方向上的位移速率；
Δy2—新增图像在竖向方向上的位移；
Δy1—新增图像的上一幅图像在竖向方向上的位移；
V s —Pa点的总位移速率。
图1说明了本发明的工作流程。监测现场的计算机与高分辨率数码相机连接，并通过互联网与远程计算机连接，与数码相机配套有照明灯。数码相机的镜头轴线垂直于目标观测面，照明灯为照亮观测目标提供光源，利用现场计算机对数码相机的图像采集参数进行调整和控制，数码相机进行观测目标的数字图像采集，并将采集的图像通过数据缆线存储到现场计算机的硬盘中；然后由现场计算机上安装的能够自动感知新图像和进行图像实时分析的软件，对每一新采集的图像进行分析，得出观测目标的位移和安全状态，并将计算结果以动态历时曲线和文本的形式显示在本地计算机上。由于图像分析以文本数据格式存在，且每步分析数据量很小，因此可通过无线网络快速传输到远程计算机上并显示结果。
图2说明了利用图像实时分析软件PhotoMonitor添加初始拍摄图像的过程。在使用PhotoMonitor程序过程中，开始对观测目标实时数字照相监测前，首先需要在PhotoMonitor程序中新建一个“项目文件”（人工输入文件名，系统生成文件）来存储本次的实时监测数据；然后在生成该“项目文件”的过程中，人工选定存储本次监测图像的文件夹，并选中该文件夹下的初始拍摄的两幅图像作为本次实时监测的初始图像，进而为人工监测点布置和新增图像分析（数字图像处理中，新增图像需要以已有图像为参照才能进行分析计算）提供基础。
图3说明了利用图像实时分析软件PhotoMonitor人工布置控制点的过程。新建“项目文件”完毕后，PhotoMonitor将在屏幕上显示出第一幅拍摄图像，此时可用鼠标在这幅图像上的任意位置点击后形成监测点，监测点的坐标为鼠标点击处图像像素点的坐标，鼠标每点击一次，将形成一个监测点，考虑到图像分析时间和同时满足应用要求，PhotoMonitor一般限定同时最多布置100个监测点。
图4说明了实时分析软件PhotoMonitor对监测点的变形实时显示。当人工布置监测点完毕后，PhotoMonitor将会每秒扫描一遍本次监测图像的存储文件夹，并将扫描后文件夹中的新增图像自动添加到“分析图像序列”中；然后应用数字散斑相关分析原理对每幅新增图像进行监测点的位移、位移速率计算和安全状态评判；分析评判后，PhotoMonitor自动将监测点的位移及其变化率以曲线的形式，安全评判结果以文字的形式实时显示在本地计算机屏幕上（或通过无线网络技术显示在远程计算机屏幕上），这样就可以实现基于数字照相的岩土工程变形的实时远程监测与预警。
Claims (1)
1.一种基于数字照相的岩土工程变形实时监测与预警方法，其特征是：包括以下步骤：（a）采用高清数码相机和与高清数码相机配套的照明灯作为岩土工程目标的图像采集设备，对岩土工程目标表面进行监测；在实验室内监测岩土工程目标表面时，不设置人工标志点；在较大工程结构监测岩土工程目标表面时，对该岩土工程目标表面设置“十字形”人工标志点；（b）在距岩土工程目标约2～4m处架设高清数码相机和照明灯，高清数码相机与监测现场一台计算机连接，高清数码相机和照明灯均对准岩土工程目标，调节高清数码相机相关参数以使图像清晰，连续拍摄两幅图像，并将图像通过数据电缆存储到连接计算机的预设文件夹中；（c）在连接的计算机上启动自制的数字照相量测软件程序PhotoMonitor，设定本次监控目标的预警值，所述的预警值包括位移预警值和位移速率预警值，添加上述两幅图像到软件程序中的一组图像集合名称—“分析图像序列”中，同时在第一幅图像上人工设置监测点；（d）利用高清数码相机带有的图像采集设置软件设定图像采集频率，开始进行岩土工程目标的图像实时采集工作；（e）新采集的图像通过数据电缆传输到计算机预设的文件夹后，PhotoMonitor软件自动感知该预设文件夹的新增图像并自动添加到“分析图像序列”中；（f）应用数字散斑相关分析原理，PhotoMonitor开始自动对每幅新增图像进行监测点的位移和位移速率分析，所述的监测点已在第一幅图像上人工设置，同时根据已设定的预警值进行监测点安全状态的评判；（g）分析完毕后，PhotoMonitor自动将监测点的位移、位移速率以曲线的形式和安全评判结果以文字的形式实时显示在本地计算机的屏幕上或通过无线网络显示在远程计算机屏幕上，当监测点的位移或位移速率超过了设定预警值时，PhotoMonitor将以短信的形式告知有关人员以引起重视，实现基于数字照相的岩土工程变形实时远程监测与预警。
2、根据权利要求1所述的一种基于数字照相的岩土工程变形实时监测与预警方法，其特征是：所述的步骤（b）中，高清数码相机需要调节的参数包括通信参数和镜头参数，通信参数调节内容主要包括摄像机所在串口号、波特率、数据位和停止位四个参数，其中，串口号要确保与摄像机实际所在位置一致；镜头参数调节内容主要包括变倍、聚焦和光圈三个参数，一般先根据周围环境光线的明暗调节光圈，光线暗则要进光量大，即光圈调大，反之则调小，然后，调节变倍，相当于将拍摄目标拉近或推远，调好变倍后，再调节聚焦，使目标肉眼看起来清晰。
3、根据权利要求1所述的一种基于数字照相的岩土工程变形实时监测与预警方法，其特征是：所述的步骤（c）中，启动PhotoMonitor后，首先需要在该系统中新建一个“项目文件”来存储本次的实时监测数据；然后在生成该“项目文件”的软件界面中输入本次变形监测的预警值，添加前两幅图像到“分析图像序列”中；最后利用PhotoMonitor中的“测点布置”功能在显示的第一幅图像上用鼠标选定图像中的几个像素点来作为本次变形的监测点。
4、根据权利要求1所述的一种基于数字照相的岩土工程变形实时监测与预警方法，其特征是：所述的步骤（e）中PhotoMonitor软件自动感知文件夹的新增图像的原理主要是PhotoMonitor会每隔10秒扫描一次该文件夹下的所有文件，并记录下该文件夹下每个图像文件的文件名，当发现有图像的文件名在上一次记录中不存在时，就表示该图像为新增图像，系统就可根据设定的命名规则对这些图像进行重命名，本发明设定的图像命名规则为：第一幅图像命名为“Sand-000-1000000”，第二幅图像就为“Sand-000-1000001”，第三幅为“Sand-000-1000002”，依此类推，并将命名后的新增图像添加到软件界面中的“分析图像序列”中。
5、根据权利要求1所述的一种基于数字照相的岩土工程变形实时监测与预警方法，其特征是：所述的步骤（f）中各个监测点的位移和位移速率分析过程如下所示：
1）以第一幅图像即图像A的一个监测点为中心点来构建一个边长为21个像素的正方形像素块B1，该监测点设为Pa点；
2）像素块的坐标均采用局部坐标系，用来确定像素块上各个像素点的位置，即只要两个像素块大小相同，其坐标原点及范围相同，计算结束后可转换为全局坐标；
3）在新增的一幅图像即图像B上的搜索范围内选择任意一点Pbi，以其为中心点来构建一个边长为21个像素的正方形像素块B2i，所述的搜索范围为新增图像上以Pa点位置处的像素点为中心，半边长为300像素的一个正方形区域；
4）按公式（1）计算出B1和B2i的相关系数；
式中： R12—两个大小相同的像素块的一个颜色分量的灰度相关系数，对RGB三个颜色分量分别计算得到相应的相关系数值，然后取平均值作为两个像素块的相关系数值；
v（x,y）—图像A上坐标为（x,y）处的像素颜色分量RGB的灰度值，范围为0~255；
u（x,y）—图像B上坐标为（x,y）处的像素颜色分量RGB的灰度值，范围为0~255；
k—像素块的边长除以2后取整数。
5）对图像B上划定的搜索范围内所有像素点均按2）～4）步骤计算出相关系数，然后从中找出最大相关系数对应的像素点作为第一幅图像上Pa点在新增图像上的对应点Pb；
6）分别记录Pa点的坐标和Pb点的坐标，按式（2）计算得到Pa点的位移值，其它监测点的位移分析与之相同；
（2）
式中：Δx—Pa点在横向方向上的位移；
xa—第一幅图像上Pa点的横坐标；
xb—新增图像上Pb点的横坐标；
Δy—Pa点在竖向方向上的位移；
ya—第一幅图像上Pa点的竖坐标；
yb—新增图像上Pb点的竖坐标；
Δs—Pa点的总位移。
7）由于连续采集的两幅图像的间隔时间非常短，因此Pa点的实时位移速率可按式（3）来计算，其它监测点的位移速率分析与之相同；
式中：Vx—新增图像在横向方向上的位移速率；
Δx2—新增图像在横向方向上的位移；
Δx1—新增图像的上一幅图像在横向方向上的位移；
t—两幅图像的采集间隔时间；
Vy—新增图像在竖向方向上的位移速率；
Δy2—新增图像在竖向方向上的位移；
Δy1—新增图像的上一幅图像在竖向方向上的位移；
V s —Pa点的总位移速率。
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