CN110411408A - 一种基于计算机视觉的地表沉降监测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于计算机视觉的地表沉降监测方法，具体实施流程如下：A.仪器布置，包括；B.设备调试；C.参数设定；D.监测与结果存储，在监测开始前，首先捕获第一帧图像，圈出LED灯作为追踪的模板，模板区域像素中心的位置作为计算该点沉降的基准点，根据预估的沉降量圈出该点的监测区域；监测开始后，在第二帧图像的监测区域内搜索LED灯模板的最佳匹配，通过第一帧模板区域像素中心的位置与当前帧匹配所得模板区域的像素中心位置，计算像素位移差值并将第二帧图像更新为新的基准点；依此类推，不断计算两相邻帧图像内LED灯模板的像素位移差值；通过像素位移差值的累计计算LED灯的像素位移，通过实际尺寸与像素尺寸的比例关系计算得到LED灯的实际沉降过程。

Description

一种基于计算机视觉的地表沉降监测方法

技术领域

本发明涉及光学、计算机视觉技术和图像处理技术，具体涉及到使用相机进行地表沉降的长期在线监测。

背景技术

随着我国经济发展水平的不断提高，地下空间建设蓬勃发展以满足人们在交通出行等方面的生产和生活需求。然而，包括地铁盾构隧道施工以及基坑开挖施工等在内的地下空间施工建设会引起土体扰动，并导致周围地表沉降，给周围建筑、管线和路面带来安全隐患。因此，对地下空间建设场地周围的地表进行及时监测有助于掌握其沉降发展规律和程度，及时调整施工参数，减小地下空间建设对周边的环境的影响。

地表沉降监测是地下空间建设期间的一个重要监测对象，但高效、及时、精确、低成本的沉降监测方法仍然是一个重大挑战。目前的沉降监测方法主要有以下几种：

1、基于水准仪的沉降监测方法。该方法是目前最常使用的监测手段，通过在控制点架设水准仪，测量被测点所在位置的高程，经过两次测量的高程差获得每个测点的沉降情况。然而，该方法每次实施均需要进行人工架设水准仪，树立水准尺，监测频率受到很大限制，难以进行实施观测；并且每次架设水准仪和水准尺存在一定误差。

2、基于光纤光栅静力水准仪的沉降监测方法。该方法选取基准点和被测点，在各点安装一台静力水准仪并与利用通液管和通气管连接，利用与筒内浮子连接的光纤光栅感受浮子随着水位变化引发的升降，通过各个测点液面的高差测量被测点的沉降变化。该方法可以实现全天候在线监测，但是测点之间的水准仪需要通液管和通气管连接，容易受到周围行人和车辆影响。同时，光纤光栅解调仪价格昂贵。

3、基于GPS的沉降监测方法。该方法在每个测点安装GPS接收器，通过接收器接收多个卫星的信号，并解算距离从而进行定位。但是，GPS信号容易受到高楼以及其他物体遮挡，受到电磁干扰以及恶劣天气的影响，而且单个接收器价格较高，难以进行多点监测。

4、基于全站仪的沉降监测方法。该方法在每个测点位置安装棱镜，通过全站仪逐一扫描棱镜获取每个测点的沉降变化情况。此方法需要逐一扫面监测点，监测频率受到限制，且能够自动扫描的全站仪价格较高，无法自动扫描的全站仪与水准仪相比优势也不大。

以上几种方法存在各自的缺点，无法有效胜任城市复杂环境下，对地表沉降进行长期、高精度、低成本监测的任务。如何满足地下空间建设区域周围快速布置、低成本、高精度、长期在线监测成为相关领域科研工作者和工程技术人员面对的一个难题。

发明内容

本发明要克服现有沉降监测方法在成本、精度、监测频率、监测时长等方面的不足，提出一种基于计算机视觉的地表沉降监测方法。该方法利用光学镜头、图像传感器和数字图像处理技术对目标区域的地表进行多点沉降监测。测量装置主要有监测靶标、工业相机、变焦镜头、计算机以及连接线缆。本发明要解决以下问题：

一是实现沉降监测设备的现场快速布置。由于现场监测需求灵活多变，沉降监测设备宜简化布置步骤，提高布置速度以适应不断变化的监测需求，及时对潜在区域进行沉降监测。

二是利用一台相机实现地表结构的多点沉降监测。通过提高单台相机的测点数量可以减少相机布置数量从而节约资源投入、减小了系统复杂程度，并进一步提高了布置速度。

三是实现全天候实施在线监测。地表沉降变化的连续性要求监测设备能够全天候实时监测沉降情况，以全面掌握地表沉降变化规律，保证能监测到沉降演化发展过程中的重要环节。

本发明所述的一种基于计算机视觉的地表沉降监测方法，具体实施流程如下：

A.仪器布置。

A1.考察待测区域地表情况，综合考虑地表土质与铺装、周围道路、植被情况和相应的监测需求，选择合适的地表监测点位；

A2.将监测靶标插入待测点位的地面，确保靶标安装牢固、不松动，不倾斜；每个监测靶标由顶部LED灯，顶部灯室，充电电池，LED灯开关，靶标杆组成；

A3.在测点连线中垂线上的适当位置、布置工业相机，安装变焦镜头，并将工业相机与计算机连接。

B.设备调试。

B1.调整三脚架，保证相机视野处于水平位置，确保三脚架着地牢固，连接螺丝拧紧；

B2.将顶部灯室开口侧面对镜头，安装电池，通过开关测试检验靶标顶部LED灯7是否可以正常发光；

B3.调节镜头焦距和光圈、相机曝光值和增益值，确保相机视野中靶标LED灯的成像清晰可见。

C.参数设定。

C1.获取第一帧图像，在第一帧图像内圈出LED灯作为追踪模板，预估每个测点在监测期间可能产生的沉降总量，给每个靶标LED灯划定监测区域；

C2.测量两个靶标杆中心的距离，计算视野中像素尺寸和实际尺寸的比例关系；

C3.设置采样频率与数据存储路径。

D.监测与结果存储。

D1.开始正式监测前，最后检验一次靶标LED灯成像是否清晰、相机曝光、增益和存储路径是否正确；

D2.开始监测，用肉眼观察的方式检验监测结果是否合理，是否存在锯齿波或者过大过小的非正常沉降结果，如果监测有误则重复D1步骤；

D3.经过检验判断无误之后，持续监测，直至监测周期结束。

上述步骤中工业相机与计算机之间采用千兆以太网线进行传输，保证工业相机捕捉到的图像能够及时传输至计算机进行处理。

靶标顶部为一端开口的灯室，开口侧面对相机镜头，灯室内壁采用黑色哑光漆处理，用以减小阳光或其他邻近照明光源的影响。

靶标顶部LED灯采用充电电池供电，电池安装在靶标杆内部，根据LED灯的功率和电池容量预估工作时间，电池耗尽前予以及时更换。

测量两靶标杆中心的距离，计算视野中像素尺寸和实际尺寸的比例关系的过程，宜采用手持激光测距仪进行，在条件受限的情况下，也可以采用卷尺，此时总测量长应当包含多个靶标以减小误差。

监测过程采用模板更新匹配算法进行。在监测开始前，首先捕获第一帧图像，圈出LED灯作为追踪的模板，模板区域像素中心的位置作为计算该点沉降的基准点，根据预估的沉降量圈出该点的监测区域；监测开始后，在第二帧图像的监测区域内搜索LED灯模板的最佳匹配，通过第一帧模板区域像素中心的位置与当前帧匹配所得模板区域的像素中心位置，计算像素位移差值并将第二帧图像更新为新的基准点；依此类推，不断计算两相邻帧图像内LED灯模板的像素位移差值。通过像素位移差值的累计计算LED灯的像素位移，通过实际尺寸与像素尺寸的比例关系计算得到LED灯的实际沉降过程。

与现有的技术相比，本技术有几下几个优点：

1、靶标安装快速高效、具有较高扩展性和灵活性、通过更换内部的充电电池，可以实现现场长期监测；

2、可以通过一台相机同时监测多个测点的沉降情况，提高测点沉降监测的时间同步性；

3、通过采用模板更新匹配和靶标顶部灯室内壁的哑光处理，可以有效降低包括阳光在内的环境光源的干扰，提高系统的鲁棒性；

4、系统采样频率可以通过选取合适的工业相机与参数进行调整，具有广泛的场景适应性；

5、相对其他方法，该方法仪器设备成本较低，布置迅速，精度较高，对现场环境影响小，可回首重复利用率高。

附图说明

图1本发明方法的装置示意图。

图2本发明方法的测量流程图。

图例说明：图1中的代号分别表示：

1——计算机，

2——工业相机，

3——变焦镜头，

4——三脚支撑架，

5——千兆以太网线，

6——地表监测点，

7——靶标顶部LED灯，

8——可充电电池，

9——靶标杆

10——靶标顶部一面开口的立方体盒

11——LED灯开关

12——地面

13——靶标

具体实施方式

结合图1所示的情景和图2所示的监测流程详细阐述本发明实施过程。

参见图1和图2，本发明中所举案例为利用一台工业相机及相应靶标对一个区域地表沉降情况进行监测的过程，具体的实施步骤如下：

A.仪器布置。

A1.考察待测区域地表情况，综合考虑地表土质与铺装、周围道路、植被情况和相应的监测需求，选择合适的地表监测点位6；

A2.将监测靶标13插入待测点位6的地面12，确保靶标13安装牢固、不松动，不倾斜；每个监测靶标13由顶部LED灯7，顶部灯室10，充电电池8，LED灯开关11，靶标杆9组成；

A3.在测点6连线中垂线上的适当位置、布置工业相机2，安装变焦镜头3，并将工业相机2与计算机1连接。

B.设备调试。

B1.调整三脚架4，保证相机2视野处于水平位置，确保三脚架4着地牢固，连接螺丝拧紧；

B2.将顶部灯室10开口侧面对镜头3，安装电池8，通过开关11测试检验靶标顶部LED灯7是否可以正常发光；

B3.调节镜头3焦距和光圈、相机2曝光值和增益值，确保相机2视野中靶标LED灯7的成像清晰可见。

C.参数设定。

C1.获取第一帧图像，在第一帧图像内圈出LED灯7作为追踪模板，预估每个测点6在监测期间可能产生的沉降总量，给每个靶标LED灯7划定监测区域；

C2.测量两个靶标杆9中心的距离，计算视野中像素尺寸和实际尺寸的比例关系；

C3.设置采样频率与数据存储路径。

D.监测与结果存储。

D1.开始正式监测前，最后检验一次靶标LED灯7成像是否清晰、相机曝光、增益和存储路径是否正确；

D2.开始监测，用肉眼观察的方式检验监测结果是否合理，是否存在锯齿波或者过大过小的非正常沉降结果，如果监测有误则重复D1步骤；

D3.经过检验判断无误之后，持续监测，直至监测周期结束。

上述步骤中工业相机2与计算机1之间采用千兆以太网线进行传输，保证工业相机2捕捉到的图像能够及时传输至计算机1进行处理。

靶标13顶部为一端开口的灯室10，开口侧面对相机镜头，灯室10内壁采用黑色哑光漆处理，用以减小阳光或其他邻近照明光源的影响。

靶标顶部LED灯7采用充电电池8供电，电池8安装在靶标杆9内部，根据LED灯7的功率和电池8容量预估工作时间，电池耗尽前予以及时更换。

测量两靶标杆9中心的距离，计算视野中像素尺寸和实际尺寸的比例关系的过程，宜采用手持激光测距仪进行，在条件受限的情况下，也可以采用卷尺，此时总测量长应当包含多个靶标13以减小误差。

监测过程采用模板更新匹配算法进行。在监测开始前，首先捕获第一帧图像，圈出LED灯7作为追踪的模板，模板区域像素中心的位置作为计算该点沉降的基准点，根据预估的沉降量圈出该点的监测区域；监测开始后，在第二帧图像的监测区域内搜索LED灯模板的最佳匹配，通过第一帧模板区域像素中心的位置与当前帧匹配所得模板区域的像素中心位置，计算像素位移差值并将第二帧图像更新为新的基准点；依此类推，不断计算两相邻帧图像内LED灯模板的像素位移差值。通过像素位移差值的累计计算LED灯的像素位移，通过实际尺寸与像素尺寸的比例关系计算得到LED灯的实际沉降过程。

本说明书实施案例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施案例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种基于计算机视觉的地表沉降监测方法，具体实施流程如下：

A.仪器布置；

A1.考察待测区域地表情况，综合考虑地表土质与铺装、周围道路、植被情况和相应的监测需求，选择合适的地表监测点位；

A2.将监测靶标插入待测点位的地面，确保靶标安装牢固、不松动，不倾斜；每个监测靶标由顶部小灯，顶部灯室，充电电池，小灯开关，靶标杆组成；

A3.在测点连线中垂线上的适当位置、布置工业相机，安装变焦镜头，并将工业相机与计算机用千兆以太网线连接；

B.设备调试；

B1.调整三脚架，保证相机视野处于水平位置，确保三脚架着地牢固，连接螺丝拧紧；

B2.将顶部灯室开口侧面对镜头，安装电池，通过开关测试检验靶标顶部小灯7是否可以正常发光；

B3.调节镜头焦距和光圈、相机曝光值和增益值，确保相机视野中靶标小灯的成像清晰可见；

C.参数设定；

C1.获取第一帧图像，在第一帧图像内圈出小灯作为追踪模板，预估每个测点在监测期间可能产生的沉降总量，给每个靶标小灯划定监测区域；

C2.测量两个靶标杆中心的距离，计算视野中像素尺寸和实际尺寸的比例关系；

C3.设置采样频率与数据存储路径；

D.监测与结果存储；

D1.开始正式监测前，最后检验一次靶标小灯成像是否清晰、相机曝光、增益和存储路径是否正确；

D2.开始监测，用肉眼观察的方式检验监测结果是否合理，是否存在锯齿波或者过大过小的非正常沉降结果，如果监测有误则重复D1步骤；

D3.经过检验判断无误之后，持续监测，直至监测周期结束，监测过程采用模板更新匹配算法进行，具体包括：

在监测开始前，首先捕获第一帧图像，圈出LED灯作为追踪的模板，模板区域像素中心的位置作为计算该点沉降的基准点，根据预估的沉降量圈出该点的监测区域；监测开始后，在第二帧图像的监测区域内搜索LED灯模板的最佳匹配，通过第一帧模板区域像素中心的位置与当前帧匹配所得模板区域的像素中心位置，计算像素位移差值并将第二帧图像更新为新的基准点；依此类推，不断计算两相邻帧图像内LED灯模板的像素位移差值；通过像素位移差值的累计计算LED灯的像素位移，通过实际尺寸与像素尺寸的比例关系计算得到LED灯的实际沉降过程。