CN108897968B

CN108897968B - 基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法及系统

Info

Publication number: CN108897968B
Application number: CN201810761667.1A
Authority: CN
Inventors: 汪魁; 张欣; 赵明阶; 黄奎; 彭爱红; 荣耀; 刘潘; 程继顺; 胡玉婷; 杨书刚
Original assignee: Chongqing Jiaotong University
Current assignee: Chongqing Jiaotong University
Priority date: 2018-07-12
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2038-07-12
Also published as: CN108897968A

Abstract

本发明属于图像数据处理或产生技术领域，公开了一种基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法及系统，利用电阻率测试反演后的电阻率数据及相应坐标生成三维电阻率图像；对电阻率图像进行处理获得土石堤坝内部电阻率图像；根据土石堤坝内部电阻率图像提取土石堤坝隐患的几何特征参数；运用土石堤坝隐患的特征参数定量分析对土石堤坝进行诊断。本发明的数字图像处理过程快捷，自动化程度高，可操作性强；图像结果直观，易发现异常信息，因此可靠性高；直接观察坝体隐患分布规律，对土石堤坝隐患进行定量分析，达到准确诊断的目的。

Description

基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法及系统

技术领域

本发明属于图像数据处理或产生技术领域，尤其涉及一种基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法及系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：我国已建成的堤坝工程中，近90％是建于上世纪50～70年代，大多数为“三边”工程，工程设计标准低，建设质量差，运行多年出现各种隐患。而目前我国土石堤坝隐患检测的传统方法有流场法、示踪法、二维高密度电阻率法等。流场法是探测堤坝渗漏入口位置的电法探测技术，探测设备主要由建立流场的发射机、极板及测量流场的接收机及探头组成，流场法操作简单，探测结果能确定渗漏入口位置，不能探测坝体内部隐患分布。同位素示踪法是利用放射性同位素作标记物，根据放射性同位素在地下水中的迁移变化来研究地下水渗流运动规律的方法，示踪法探测深度大，探测过程易受环境影响。二维高密度电阻率法是利用地质体电阻率性质存在差异的成像技术，二维高密度电阻率法测试结果直观，但存在体积效应影响测量精度。这些方法仅能检测到隐患大致位置，通常不能准确描绘出隐患在坝体内的空间分布规律，也就不能对隐患的危害程度进行定量分析。

综上所述，现有技术存在的问题是：土石堤坝隐患检测的传统方法测量信息量小，仅能检测到隐患大致位置，判断隐患体总体走向，不能准确描绘出隐患在坝体内的空间分布规律，出现漏测，异常信息不明显等问题，测量结果精度易受外界环境干扰，出现多次测量得到多个结果的情况，不能对隐患的危害程度进行定量分析，测量过程可能会对坝体造成二次损伤，对环境造成破坏或污染，测量技术本身操作复杂，效率低成本高，成果解释需要进一步处理。

解决上述技术问题的难度和意义：

为克服上述问题难点在于需要建立更准确的模型和稳定的反演方法，才能对隐患的危害程度进行定量分析，本发明的研究将进一步推动堤坝隐患诊断技术的应用，不仅符合我国水利工程建设与发展方向和需求，而且对于推动水利工程病险诊断技术的进步具有极其重要的现实意义，具有巨大的经济效益和社会效益。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法及系统。

本发明是这样实现的，一种基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法，所述基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法利用电阻率测试反演后的电阻率数据及相应坐标生成三维电阻率图像；对电阻率图像进行处理获得土石堤坝内部电阻率图像；根据土石堤坝内部电阻率图像提取土石堤坝隐患的几何特征参数；运用土石堤坝隐患的特征参数定量分析对土石堤坝进行诊断。

进一步，所述利用电阻率测试反演后的电阻率数据及相应坐标生成三维电阻率图像具体包括：

1)根据各个数据点的坐标划分网格，建立土石堤坝三维模型；

2)将每个网格赋予相应的电阻率数据，生成三维电阻率图像；

3)由三维坝体电阻率图像计算整个坝体体积V₁：

式中：m、n、h分别为坝体梯形断面上底，下底和高，k为坝轴线长度。

3、如权利要求1所述的基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法，其特征在于，所述对电阻率图像进行处理获得土石堤坝内部电阻率图像具体包括：

1)加入变换角度的切片，并调整切片大小使之能覆盖坝体任一断面；

2)移动切片位置，观察坝体内部电阻率分布规律，找到土石堤坝隐患所在位置。

进一步，所述根据土石堤坝内部电阻率图像提取土石堤坝隐患的几何特征参数具体包括：

1)加入三轴直角坐标系；

2)计算各个切面所在断面异常电阻率分布的特征参数。

5、如权利要求4所述的基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法，其特征在于，所述2)具体包括：

(1)堤坝隐患的周长L：根据欧氏距离的定义，当水平或垂直方向相邻两像点间的距离设为1，倾斜方向上相邻两像点间的距离为

那么将曲线长度用曲线F链码表示，偶数的码元为1，奇数码元为2，并将曲线的F链码设为a₁a₂...a_n，曲线的长度表达为：

(2)堤坝隐患面积A：将各个图像像点视作边长1的不同小正方形网格的中心，那么区域面积等于区域内的所有像点所代表的小单位正方形面积的总和，该面积总和等价于区域中的像点数；将区域边界以F链码表示，设起始坐标点为(x₀，y₀)，所围成的区域面积A表达为：

式中：

a_i是第i个码元；

(3)堤坝隐患区域体积V：将堤坝区域图像的颜色分布范围进行调整，提取土石堤坝隐患体异常电阻区；计算土石堤坝隐患体异常体电阻率区的特征参数，电阻率异常体外接长方体体积v：当给定区域，作与之相切的体积最小的外接长方体，定义外接长方体体积：

v＝abc；

式中：a、b、c分别为外接长方体长宽高。

进一步，所述运用土石堤坝隐患的特征参数定量分析对土石堤坝进行诊断具体包括：

1)计算各个断面的特征参数区域周长L和区域面积A；

2)将各个断面的区域周长L和区域面积A的比值进行比较，选取比值最大的断面作为最不利断面；

3)将异常电阻率区的体积V与整个坝体体积V₁的比值进行比较，根据比值的大小作为坝体的安全指数，判断隐患的危害程度。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法的基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析系统，所述基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析系统包括：

三维电阻率图像生成模块，用于利用电阻率测试反演后的电阻率数据及相应坐标生成三维电阻率图像；

电阻率图像处理模块，用于对电阻率图像进行处理获得土石堤坝内部电阻率图像；

电阻率图像提取模块，用于根据土石堤坝内部电阻率图像提取土石堤坝隐患的几何特征参数；

诊断模块，用于运用土石堤坝隐患的特征参数定量分析对土石堤坝进行诊断。

进一步，所述三维电阻率图像生成模块包括：

土石堤坝三维模型建立单元，用于根据各个数据点的坐标划分网格，建立土石堤坝三维模型；

三维电阻率图像单元，用于将每个网格赋予相应的电阻率数据，生成三维电阻率图像；

计算坝体体积单元，用于由三维坝体电阻率图像计算整个坝体体积；

所述电阻率图像处理模块包括：

切片调整单元，用于加入可以变换角度的切片，并调整切片大小使之能覆盖坝体任一断面；

切片移动单元，用于移动切片位置，观察坝体内部电阻率分布规律，找到土石堤坝隐患所在位置。

进一步，所述电阻率图像提取模块包括：

坐标系单元，用于加入三轴直角坐标系；

特征参数计算单元，用于计算各个切面所在断面异常电阻率分布的特征参数；

所述诊断模块包括：

区域计算单元，用于计算各个断面的特征参数区域周长和区域面积；

第一比较单元，用于将各个断面的区域周长和区域面积的比值进行比较，选取比值最大的断面作为最不利断面；

第二比较单元，用于将异常电阻率区的体积与整个坝体体积的比值进行比较，根据比值的大小作为坝体的安全指数，判断隐患的危害程度。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法的信息数据处理终端。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：数字图像处理过程快捷，自动化程度高，一次测量可以获得丰富的数据，要获得相同的效果如采用如图5所示方法要多花约1倍的时间；图像结果直观，易发现异常信息，包括隐患体体积、空间分布规律、发育状况，隐患体与异常区对应位置吻合度达约70％，精度较高，而如图5所示方法只能获得单个断面的信息，包括断面面积、大致位置，隐患体与异常区对应位置吻合度达约50％，精度明显较低；因此数字图像处理技术可靠性高，通过对土石堤坝隐患进行定量分析，达到准确诊断的目的。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法流程图；

图2是本发明实施例提供的土石堤坝三维电阻率图像示意图；

图3是本发明实施例提供的土石堤坝三维电阻率处理图像示意图；

图4是本发明实施例提供的土石堤坝隐患电阻率图像示意图；

图5是本发明实施例提供的土石堤坝二维高密度电法电阻率图像示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

术在很大程度上克服了传统检测方法不能准确描绘出隐患在坝体内的空间分布规律，出现漏测，异常信息不明显的问题，也就不能对隐患的危害程度进行定量分析，为土石堤坝的安全评价提供数据支撑，为土石堤坝的治理提供了科学的依据。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法包括以下步骤：

S101：利用电阻率测试反演后的电阻率数据及相应坐标生成三维电阻率图像；

S102：对电阻率图像进行处理获得土石堤坝内部电阻率图像；

S103：根据土石堤坝内部电阻率图像提取土石堤坝隐患的几何特征参数；

S104：运用土石堤坝隐患的特征参数定量分析对土石堤坝进行诊断。

在本发明的优选实施例中：步骤S101具体包括：

3)由三维坝体电阻率图像计算整个坝体体积V₁：

在本发明的优选实施例中：步骤S102具体包括：

1)加入可以变换角度的切片，并调整切片大小使之能覆盖坝体任一断面；

在本发明的优选实施例中：步骤S103具体包括：

1)加入三轴直角坐标系；

2)计算各个切面所在断面异常电阻率分布的特征参数，具体包括：

(1)堤坝隐患的周长L：根据欧氏距离的定义，当水平或垂直方向相邻两像点间的距离设为1，那么倾斜方向上相邻两像点间的距离为

那么将曲线长度用曲线F链码表示，若偶数的码元为1，奇数码元为2，并将曲线的F链码设为a₁a₂...a_n，那么曲线的长度可以表达为：

(2)堤坝隐患面积A：将各个图像像点视作边长1的不同小正方形网格的中心，那么区域面积等于区域内的所有像点所代表的小单位正方形面积的总和，该面积总和等价于区域中的像点数；因此，隐患图像面积可以表示为区域边界像点连线围成的区域占单位正方形面积总数。那么将区域边界以F链码表示，设起始坐标点为(x₀，y₀)，所以其所围成的区域面积A可以表达为：

式中：

a_i是第i个码元。

(3)堤坝隐患区域体积V：首先将堤坝区域图像的颜色分布范围进行调整，提取土石堤坝隐患体异常电阻区；计算土石堤坝隐患体异常体电阻率区的特征参数，电阻率异常体外接长方体体积v：当给定区域，作与之相切的体积最小的外接长方体，定义外接长方体体积：

v＝abc；

式中：a、b、c分别为外接长方体长宽高。

在本发明的优选实施例中：步骤S104具体包括：

1)计算各个断面的特征参数区域周长L和区域面积A；

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明实施例提供的基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法具体包括以下步骤：

1.利用高密度电阻率测试数据生成三维电阻率图像

(1)根据各个数据点的坐标值(x，y，z)，确定网格单元的长宽高，划分网格，建立土石堤坝三维网格模型。

(2)将反演后的电阻率数据赋予每个对应的网格单元，生成三维电阻率图像。

(3)如图2所示由三维坝体电阻率图像计算整个坝体体积V₁：

2.获得土石堤坝内部电阻率图像

(1)加入可以变换角度的切片，根据观察视角选择相应的切片角度，并调整切片大小使之能覆盖坝体任一断面。

(2)确定移动单位长度，移动切片位置，每移动一个单位长度对切面进行编号，观察坝体内部电阻率分布规律，捕捉明显的异常信息，找到土石堤坝隐患所在位置如图3所示。

3.提取土石堤坝隐患的特征参数

(1)加入三轴直角坐标系。

(2)如图3所示读取各个切面所在位置异常电阻率分布的特征参数，具体包括：区域周长L、区域面积A；

4.对土石堤坝安全进行定量分析

(1)计算各个断面的特征参数区域周长L和区域面积A；

(2)将各个断面的区域周长L和区域面积A的比值进行比较，选取比值最大的断面作为最不利断面；

(3)将异常体外接长方体体积V与整个坝体体积V₁的比值进行比较，根据比值的大小作为坝体的安全指数，判断隐患的危害程度。

本发明结合数字图像处理技术，实现了对土石堤坝的定量分析诊断，克服了传统方法定性分析不够准确的缺陷，数字图像处理过程快捷，自动化程度高，可操作性强；图像结果直观，易发现异常信息，因此可靠性高；该技术有助于为土石堤坝的安全评价提供数据支撑，为土石堤坝的治理提供了科学的依据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法，其特征在于，所述基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法利用电阻率测试反演后的电阻率数据及相应坐标生成三维电阻率图像；对电阻率图像进行处理获得土石堤坝内部电阻率图像；根据土石堤坝内部电阻率图像提取土石堤坝隐患的几何特征参数；运用土石堤坝隐患的特征参数定量分析对土石堤坝进行诊断；

所述根据土石堤坝内部电阻率图像提取土石堤坝隐患的几何特征参数具体包括：1)加入三轴直角坐标系；2)计算各个切面所在断面异常电阻率分布的特征参数；

所述2)具体包括：(1)堤坝隐患的周长L：根据欧氏距离的定义，当水平或垂直方向相邻两像点间的距离设为1，倾斜方向上相邻两像点间的距离为那么将曲线长度用曲线F链码表示，偶数的码元为1，奇数码元为2，并将曲线的F链码设为aa...a，曲线的长度表达为：(2)堤坝隐患面积A：将各个图像像点视作边长1的不同小正方形网格的中心，那么区域面积等于区域内的所有像点所代表的小单位正方形面积的总和，该面积总和等价于区域中的像点数；将区域边界以F链码表示，设起始坐标点为(x，y)，所围成的区域面积A表达为：式中：a是第i个码元；(3)堤坝隐患区域体积V：将堤坝区域图像的颜色分布范围进行调整，提取土石堤坝隐患体异常电阻区；计算土石堤坝隐患体异常体电阻率区的特征参数，电阻率异常体外接长方体体积v：当给定区域，作与之相切的体积最小的外接长方体，定义外接长方体体积：v＝abc；式中：a、b、c分别为外接长方体长宽高；

所述运用土石堤坝隐患的特征参数定量分析对土石堤坝进行诊断具体包括：1)计算各个断面的特征参数区域周长L和区域面积A；2)将各个断面的区域周长L和区域面积A的比值进行比较，选取比值最大的断面作为最不利断面；3)将异常电阻率区的体积V与整个坝体体积V的比值进行比较，根据比值的大小作为坝体的安全指数，判断隐患的危害程度。

2.如权利要求1所述的基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法，其特征在于，所述利用电阻率测试反演后的电阻率数据及相应坐标生成三维电阻率图像具体包括：1)根据各个数据点的坐标划分网格，建立土石堤坝三维模型；2)将每个网格赋予相应的电阻率数据，生成三维电阻率图像；3)由三维坝体电阻率图像计算整个坝体体积V：式中：m、n、h分别为坝体梯形断面上底，下底和高，k为坝轴线长度。

3.如权利要求1所述的基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法，其特征在于，所述对电阻率图像进行处理获得土石堤坝内部电阻率图像具体包括：1)加入变换角度的切片，并调整切片大小使之能覆盖坝体任一断面；2)移动切片位置，观察坝体内部电阻率分布规律，找到土石堤坝隐患所在位置。

4.一种实现权利要求1所述基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法的基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析系统，其特征在于，所述基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析系统包括：三维电阻率图像生成模块，用于利用电阻率测试反演后的电阻率数据及相应坐标生成三维电阻率图像；电阻率图像处理模块，用于对电阻率图像进行处理获得土石堤坝内部电阻率图像；电阻率图像提取模块，用于根据土石堤坝内部电阻率图像提取土石堤坝隐患的几何特征参数；诊断模块，用于运用土石堤坝隐患的特征参数定量分析对土石堤坝进行诊断。

5.如权利要求4所述的基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析系统，其特征在于，所述三维电阻率图像生成模块包括：土石堤坝三维模型建立单元，用于根据各个数据点的坐标划分网格，建立土石堤坝三维模型；三维电阻率图像单元，用于将每个网格赋予相应的电阻率数据，生成三维电阻率图像；计算坝体体积单元，用于由三维坝体电阻率图像计算整个坝体体积；所述电阻率图像处理模块包括：切片调整单元，用于加入可以变换角度的切片，并调整切片大小使之能覆盖坝体任一断面；切片移动单元，用于移动切片位置，观察坝体内部电阻率分布规律，找到土石堤坝隐患所在位置。

6.如权利要求4所述的基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析系统，其特征在于，所述电阻率图像提取模块包括：坐标系单元，用于加入三轴直角坐标系；特征参数计算单元，用于计算各个切面所在断面异常电阻率分布的特征参数；所述诊断模块包括：区域计算单元，用于计算各个断面的特征参数区域周长和区域面积；第一比较单元，用于将各个断面的区域周长和区域面积的比值进行比较，选取比值最大的断面作为最不利断面；第二比较单元，用于将异常电阻率区的体积与整个坝体体积的比值进行比较，根据比值的大小作为坝体的安全指数，判断隐患的危害程度。

7.一种实现权利要求1～3任意一项所述基于数字图像处理的土石堤坝隐患定量分析方法的信息数据处理终端。