CN108615035A - 基于图像识别的中小土石坝安全信息采集系统 - Google Patents

Abstract

基于图像识别的中小土石坝安全信息采集系统，基于图像识别技术，高效、集成化采集土石坝安全相关的外观变形、水库水位、渗流渗压、巡视检查等信息，并自动处理、分析，分类决策、预警。技术方案是通过程控拍摄系统，获得高分辨率图像，自动传输后台，识别图像上的位移、水位、巡视检查等安全信息，然后自动分析、评价，自动分类处理。本发明属于水利水电工程技术领域，能够可靠、低成本地服务于我国数量庞大的中小型土石坝安全，为应对行业安全风险，为一方社会安全，奠定了一种技术基础。

Description

基于图像识别的中小土石坝安全信息采集系统

技术领域

本发明具体涉及一种基于图像识别技术的中小土石坝安全相关的外观变形监测、水位监测、渗流渗压监测、巡视检查等信息采集的高效、低成本的集成系统，属于水利水电工程技术领域。

背景技术

土石坝是最普遍的一种水库大坝坝型。不论是在全世界，还是在中国，与其他坝型相比较，土石坝数量都占绝对优势，世界土石坝占大坝总数的82.9%，在中国土石坝数量则占到大坝总数的93%，且大多是在建国后的第一个五年计划(1953～1957年)和第二个五年计划〔1958～1962年〕大跃进时期以及十年“文革”期间修建，这些工程多是在“三边”(边勘测、边设计、边施工)工作方式下进行并完成的。特别是小型水库更是存在“四不清”(来水域、流域面积、库容、基础的地质情况均未调查清楚)就动工修建。不少工程虽然完成，但工程质量差，“后遗症”多，留下诸多隐患，经过了半个世纪左右的运行，形成了大批的病险水库。

土石坝是以散粒体材料填筑碾压而成的挡水建筑物,相较于砼大坝，其材料强度低、坝身不能过洪，在极端气候越来越频仍的今天，其安全风险度高于砼大坝。随着社会的深入发展，各个行业都逐渐重视并实质提升风险管控的意识、技术和设施。水资源和水电能源在社会产业链中处于基础位置，大坝又是水资源和水电能源的核心基础设施。

作为拥有世界上一半以上数量水坝的我国，现水库大坝9.8万余座，其中93%以上为土石坝。我国土石坝中，又以95%以上是上个世纪80年代以前建设的老坝。一方面随运行时间的累计，某些结构因老化存在安全风险，另一方面，以前的建设技术和管理水平也决定了其平均质量和安全状况总体不容乐观。

在这些巨量的土石坝中，由于历史原因和成本因素，相当数量的工程缺乏、甚至根本没有配置基本的安全监测系统，使本行业这类大坝的安全风险管控失去无本之木、无源之水。

当前我国的大坝安全监测手段虽具有较先进的技术性和较大的可靠性，但对于数量非常庞大的中小型土石坝工程，建设传统监测系统的经济性、以及长久运行的经济和人力成本，是不可承受的，因此，有必要研发一种低成本、集成度高、运行效率高、性能可靠、尤其长久运行成本低廉的适宜于我国数量众多的中小型土石坝工程的安全信息采集集成与管理系统。

发明内容

在我国，数量最为众多的中小型土石坝，基本都隶属于水利部门管理，这些工程多承担灌溉、供水等偏公益性质的功能，工程本身的直接经济效益非常有限，其运维多靠政府拨款维持。由于历史原因及成本因素，这些工程在建设期多缺乏、甚至根本没有配置任何的安全监测设施。虽然近10余年来进行过大规模的病险水库除险加固，但因水库大坝尤其土石坝数量太多，当前仍存在着相当的安全风险，其中最重要的因素之一，便是缺乏经济和运行成本“适用性”的集成化安全信息采集系统。

作为工程等级相对较低的中、小型土石坝工程（行业规范里多指3~5级、高度小于70m的大坝工程，本发明从摄影测量的相关参数出发，再约定一个“坝轴线长度小于300m”的条件），其安全管理要求也低于大型工程，只要配置基本可靠的外观变形监测、基本的渗流渗压监测、以及全面的“安全巡查”，进行这三类典型安全信息采集，便会大大提升工程安全管控的质量。

另一方面，随着信息技术的进步，图像识别技术的可靠性大增，其相关设施设备的成本也快速下降，研发一套高集成度、低建设成本和低运行成本、高效可靠的土石坝安全信息采集系统，成为一种可能。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

基于图像识别的中小土石坝安全信息采集系统（又能够称为采集装置或者采集设备），包含数码拍摄和图像识别技术。程控的左、右岸采集数码相机分别对称架设在土石坝两岸的基岩稳定位置的架设杆顶部，通过拍摄获得监控区域的3000万像素的高分辨率数码图像，对图像进行智能识别获得土石坝安全相关的监测点变形、水库水位、渗流量水堰水位、安全巡视等各项信息，从而完成对土石坝安全信息的集成化采集，然后在此基础上自动进行安全分析与管理。

根据当前近景摄影测量的相关参数（《近景摄影测量规范GB/T12979-2008》中对于大型目标20~300m尺度的定义），本系统适用于坝轴线距离恰当的土石坝，多数传统中、小型土石坝工程可满足；当坝轴线长度在100m以内时，能够经过优化，在左岸或右岸单侧设置一套程控采集数码系统即可。数码相机架设杆5的高度以10~20m为宜。

根据《土石坝安全监测规范》，在土石坝坝身特征位置，诸如代表性断面、坝顶、岸坡转折处、下游坝坡特征点处设置水平、垂直变形测点，在这些点位布置与高空架设的程控左、右岸采集数码相机完全通视（一侧摄影中全部直接可见）的标点，即本系统的变形监测点；在两岸岸坡稳定位置（不动点，最好是基岩）分别各设置2~5个可通视的变形标定点；变形监测点和变形标定点均按照《近景摄影测量规范GB/T12979-2008》设置明显的固定标志，能够被光学精确识别。

根据程控设定，每一轮监测启动后，右岸采集数码相机照准右岸量测范围，左岸采集数码相机照准左岸量测范围，同步获得高分辨率图像，图像自动无线传输至后台进行图像识别处理；图像处理时，以两岸变形标定点为基准，批量解算获得各监测点当前坐标值，与本系统采集的各监测点初始坐标值相减，得到本次监测的变形量，完成本轮监测的变形监测部分。

程控采集数码相机的每一次摄取图像里，以图像识别技术判读出上游水库水标尺的刻度数获得库水位；以图像识别技术判读出坝体渗漏量水堰刻度数，通过计算获得大坝渗漏流量；为了相机远距离可以拍摄清楚量水堰水位，坝体渗漏量水堰的堰板厚度为5cm，作为非常规的厚壁堰，其流量系数进行专门标定即可；三角堰堰口斜面上布置有温度敏感变色水标尺，上方架设水标尺光学放大镜，以便于程控左、右岸采集数码相机摄取到更清晰的量水堰水位刻度数。

对于大坝渗漏流量监测精度要求特别高的工程，可以在量水堰水标尺上方另外设置摄像头，单独获取高清晰度图像进行水位刻度识别。

系统同时集成了典型监测断面内部的2~3个渗压测点及其渗压计，并与图像识别系统同步程控自动采集渗压数据，与坝体渗漏量测读形成完整的渗压监测系统。

左右岸高空架设的程控数码采集数码相机的每一次摄取图像里，以图像识别技术对其各自照准范围内的大坝坝体、坝坡、上游水库库面、上下游库岸、近坝趾河床等部位的安全特征信息，诸如开裂、大变形、渗漏变湿颜色加深、库水面漩涡、岸坡崩塌变形或渗漏、外来闲杂动物、恐怖袭击等等异常进行识别、判读，从而代替人工，获取“巡检”安全信息。

外观变形监测、渗流渗压监测、巡视检查三类安全信息均程控自动采集，自动无线回传后台，进行自动化处理、分析，阈值以内为正常，整个过程无人值守；超过阈值的情况，系统即时自动将结论和关键信息传输给区域大坝安全管理员，启动人工介入干预，距离大坝最近的安全员迅速赶赴大坝现场，核实系统的安全状况，按照规范启动对应的应急预案。

本发明带来的有益效果，首先因为系统集成度高，综合建设成本低廉；其次因其包含图像识别等人工智能和自动化后台处理技术，在确保系统满足工程所需精度和可靠性的前提下，可以无人值守，运行成本极其低廉，从而做到系统综合运行成本低，大大提升我国数量庞大的中、小型土石坝工程的安全管理质量，为应对行业安全风险，为一方社会安全，奠定了一种技术基础。

附图说明

图1是系统布置示意图（下游空中俯瞰）。

图2是系统平面图。

图3最大坝高横剖面图。

图4是量水堰详图。

其中，1-土石坝坝体；2-变形监测点；3-左岸变形标定点；4-右岸变形标定点；5-数码相机架设杆；6-左岸采集数码相机；7-右岸采集数码相机；8-渗压测点及渗压计；9-坝体渗漏量水堰；10-右岸采集数码相机照准范围；11-左岸采集数码相机照准范围；12-上游库区水标尺；91-温度敏感变色水标尺；92-水标尺光学放大镜。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于图像识别的中小土石坝安全信息采集系统，包含数码拍摄与图像识别技术。程控的左岸采集数码相机6和右岸采集数码相机7分别对称架设在土石坝两坝肩的基岩稳定位置处的数码相机架设杆5的顶部，通过拍摄获得监控区域的3000万像素高分辨率数码图像，对图像进行智能识别获得土石坝安全相关的监测点变形、水库水位、渗流量水堰水位、安全巡视的各项信息，从而完成对土石坝安全信息的集成化采集，然后在此基础上自动进行安全分析与管理。

根据当前近景摄影测量的相关参数，本系统适用于坝轴线长度在300米以内的多数传统中、小型土石坝工程；当坝轴线长度在100m以内时，能够经过优化，在左岸或右岸单侧设置一套程控采集数码系统即可。数码相机架设杆5的高度以10~20m为宜。

在土石坝坝身传统的水平、垂直变形监测点处布置与高空架设的程控左岸采集数码相机6或右岸采集数码相机7完全通视的标点，即本系统的变形监测点2；在两岸岸坡稳定位置分别各设置2~5个可通视的左岸变形标定点3和右岸变形标定点4；变形监测点和变形标定点均设置明显的固定标志，能够被光学精密识别。根据程控设定，每一轮监测启动后，右岸采集数码相机7照准右岸采集数码相机照准范围10，左岸采集数码相机6照准左岸采集数码相机照准范围11，同步获得高分辨率图像，图像自动无线传输至后台进行图像识别处理；图像识别处理时以左岸变形标定点3和右岸变形标定点4为基准，批量解算获得各监测点当前坐标值，与本系统采集的各监测点初始坐标值相减，得到本次监测的变形量，完成本轮监测的变形监测部分。

程控采集数码相机的每一次摄取图像里，以图像识别技术判读出上游水库水标尺12刻度数获得库水位；以图像识别技术判读出坝体渗漏量水堰9的刻度数，通过计算获得大坝渗漏流量；坝体渗漏量水堰9的堰板厚度为5cm，其流量系数进行特别标定；三角堰堰口斜面上布置有温度敏感变色水标尺91；在坝体渗漏量水堰9的温度敏感变色水标尺91上方架设水标尺光学放大镜92，以便于程控左、右岸采集数码相机6、7摄取到更清晰的量水堰水位刻度数，确保大坝渗漏流量监测精度。

对于大坝渗漏流量监测精度要求特别高的工程，可以在量水堰水标尺上方另外设置摄像头，单独获取高清晰度图像进行水位刻度识别。

系统同时集成了典型监测断面内部的2~3个渗压测点及其渗压计8，并与图像识别系统同步程控自动采集渗压数据，与坝体渗漏量水堰9的渗漏量测读形成完整的渗压监测系统。

左右两岸高空架设的程控数码采集数码相机6、7的每一次摄取图像里，以图像识别技术对其各自照准范围11、10内的大坝坝体、坝坡、上游水库库面、上下游库岸、近坝趾河床部位的开裂、大变形、渗漏变湿颜色加深、库水面漩涡、岸坡崩塌变形或渗漏、外来闲杂动物、恐怖袭击安全特征信息进行识别、判读，从而代替人工，获取“巡检”安全信息。

外观变形监测、渗流渗压监测、巡视检查三类安全信息均程控自动采集，自动无线回传后台，进行自动化处理、分析，阈值以内为正常，整个过程无人值守；超过阈值的情况，系统即时自动将结论和关键信息传输给区域大坝安全管理员，启动人工介入干预。综合做到系统运行低成本。

Claims (9)

1.基于图像识别的中小土石坝安全信息采集系统，包含数码拍摄与图像识别技术，其特征是：程控的左岸采集数码相机（6）和右岸采集数码相机（7）分别对称架设在土石坝两坝肩的基岩稳定位置处的数码相机架设杆（5）的顶部，通过拍摄获得监控区域的3000万像素高分辨率数码图像，对图像进行智能识别获得土石坝安全相关的监测点变形、水库水位、渗流量水堰水位、安全巡视的各项信息，从而完成对土石坝安全信息的集成化采集。

2.根据权利要求1所述的基于图像识别的中小土石坝安全信息采集系统，其特征是：本系统适用于坝轴线长度在300米以内的多数传统中、小型土石坝工程；当坝轴线长度在100m以内时，能够经过优化，在左岸或右岸单侧设置一套程控采集数码系统即可。

3.根据权利要求1所述的基于图像识别的中小土石坝安全信息采集系统，其特征是：数码相机架设杆（5）的高度以10~20m为宜。

4.根据权利要求1所述的基于图像识别的中小土石坝安全信息采集系统，其特征是：在土石坝坝身水平、垂直变形监测点处布置与高空架设的程控左岸采集数码相机（6）或右岸采集数码相机（7）完全通视的标点，即本系统的变形监测点（2）；在两岸岸坡稳定位置分别各设置2~5个可通视的左岸变形标定点（3）和右岸变形标定点（4）；变形监测点和变形标定点均设置明显的固定标志，能够被光学精确识别。

5.根据权利要求1和4所述的基于图像识别的中小土石坝安全信息采集系统，其特征是：根据程控设定，每一轮监测启动后，右岸采集数码相机（7）照准右岸采集数码相机照准范围（10），左岸采集数码相机（6）照准左岸采集数码相机照准范围（11），同步获得高分辨率图像，图像自动无线传输至后台进行图像识别处理；图像识别处理时以左岸变形标定点（3）和右岸变形标定点（4）为基准，批量解算获得各监测点当前坐标值，与本系统采集的各监测点初始坐标值相减，得到本次监测的变形量，完成本轮监测的变形监测部分。

6.根据权利要求1所述的基于图像识别的中小土石坝安全信息采集系统，其特征是：高空架设的程控采集数码相机的每一次摄取图像里，以图像识别技术判读出上游水库水标尺（12）刻度数获得库水位；以图像识别技术判读出坝体渗漏量水堰（9）的刻度数，通过计算获得大坝渗漏流量；坝体渗漏量水堰（9）的堰板厚度为5cm，其流量系数进行特别标定；三角堰堰口斜面上布置有温度敏感变色水标尺（91）；在坝体渗漏量水堰（9）的温度敏感变色水标尺（91）上方架设水标尺光学放大镜（92），以便于程控左、右岸采集数码相机（6、7）摄取到更清晰的量水堰水位刻度数，确保大坝渗漏流量监测精度。

7.根据权利要求1所述的基于图像识别的中小土石坝安全信息采集系统，其特征是：系统集成了典型监测断面内部的2~3个渗压测点及其渗压计（8），并与图像识别系统同步程控自动采集渗压数据，与坝体渗漏量水堰（9）的渗漏量测读形成完整的渗压监测系统。

8.根据权利要求1所述的基于图像识别的中小土石坝安全信息采集系统，其特征是：左岸高空架设的左岸采集数码相机（6）和右岸高空架设的右岸采集数码相机（7）的每一次摄取图像里，以图像识别技术分别对左岸采集数码相机照准范围11和右岸采集数码相机照准范围10内的大坝坝体、坝坡、上游水库库面、上下游库岸、近坝趾河床部位的开裂、大变形、渗漏变湿颜色加深、库水面漩涡、岸坡崩塌变形或渗漏、外来闲杂动物、恐怖袭击安全特征信息进行识别、判读，从而代替人工，获取“巡检”安全信息。

9.根据权利要求1所述的基于图像识别的中小土石坝安全信息采集系统，其特征是：外观变形监测、渗流渗压监测、巡视检查三类安全信息均程控自动采集，自动无线回传后台，进行自动化处理、分析，阈值以内为正常，整个过程无人值守；超过阈值的情况，系统即时自动将结论和关键信息传输给区域大坝安全管理员，启动人工介入干预。