CN112254663A - 一种基于影像识别的平面变形监测测量方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于影像识别的平面变形监测测量方法及其系统，包括固定的可旋转摄像头、网络传输模块、电源管理模块、图像存储模块、数据存储模块和数据展示模块；通过摄像头进行图像的采集，获得多张图像，然后上传；对上传的图像进行处理、计算；计算单张图像上目标监测点之间的实际相对位置，并计算一测回的水平闭合差和竖向闭合差；采用高程传递和位移传递，结合闭合差进行平差，计算目标监测点之间的实际相对位置并存储；循环前述步骤一次；将前后两次的计算结果进行对比，获取各目标监测点在监测平面内相对于起始目标监测点的实际变形量。本发明可实现一观测点对多目标的变形测量，从而可以实现低成本的无接触建构筑物的变形监测。

Description

一种基于影像识别的平面变形监测测量方法及其系统

技术领域

本发明涉及工程变形监测和测量技术领域，尤其是一种基于影像识别的平面变形监测测量方法及其系统。

背景技术

市政、桥梁、水利、土木等工程变形监测是结构健康监测的重要内容，是评价结构稳定性的重要指标。以水准仪、全站仪等为代表的常规测量方法，这些监测手段工作量大，受仪器操作方式的影响较大。测量机器人、三维激光扫描技术、静力水准测量等为代表的新监测手段受场地和安装难度、价格等因素影响，难以推广。

视觉变形监测测量技术融合了摄影测量、图像处理和计算机技术，以非量测数码相机设备获取目标图像，通过计算机对图像进行处理，比较目标点影像在图像序列上的变化，由此计算出位移的二维位移变形监测技术。

但是，现有的图像处理方法采用定点定向的方式，一个设备固定视角观测一个点，效率低，对于大面积长距离监测测量场景，就需要许多设备，不经济的同时还使得安装工作量加大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于影像识别的平面变形监测测量方法及其系统，采用图形拼接和位移数据传递方法，实现对目标物变形的非接触测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于影像识别的平面变形监测测量方法，包括以下步骤，

1)通过摄像头对所有的目标监测点进行图像的采集，获得多张图像，每张图像上至少包含两个目标监测点，然后将图像传输到服务器的图像处理平台；

2)对上传的图像进行处理、计算，得出单张图像上第一个目标监测点与最后一个目标监测点之间的图像相对位置；

3)通过步骤2)中两个目标监测点之间的图像相对位置计算单张图像上这两个目标监测点之间的实际相对位置，并由这两个目标监测点之间的实际相对位置计算一测回的水平闭合差和竖向闭合差；

4)采用高程传递和位移传递，结合步骤3)中的水平闭合差和竖向闭合差进行平差，计算其余目标监测点相对于起始目标监测点的实际相对位置并存储；

5)循环步骤1)-4)一次；

6)将当前获得的其余目标监测点相对于起始目标监测点的实际相对位置的计算结果与前一次获得的其余目标监测点相对于起始目标监测点的实际相对位置的计算结果进行对比，获取各目标监测点在监测平面内相对于起始目标监测点的实际变形量。

进一步的说，本发明所述的步骤1)中，摄像头为可调节焦距参数的旋转相机镜头；所述的目标监测点为多个，所有的目标监测点处于同一平面内。

再进一步的说，本发明所述的目标监测点上设置有直径为M的圆形靶标， M为10～15cm。

再进一步的说，本发明所述的步骤1)中，具有n个目标监测点，n为大于 1的自然数，图像采集时，设定每次拍摄的测段长度为两个相邻的目标监测点，每拍摄一测段，摄像头焦距就调整一次；两点间拍摄，n个目标监测点往返共拍摄2(n-1)张图像。

再进一步的说，本发明所述的步骤2)中，图像相对位置的计算方式为：

在图像上对相邻的两个目标监测点的靶标分别进行识别，计算两个靶标的中心点坐标和两个靶标的横竖轴的像素长度，在第i张图像上，i点靶标的中心点坐标为(x_2i-1，y_2i-1)，(i+1)点靶标的中心点坐标为(x_2i，y_2i)；i点靶标的横竖轴的像素长度为(a_2i-1，b_2i-1)，(i+1)点靶标的横竖轴的像素长度为(a_2i，b_2i)。

再进一步的说，本发明所述的步骤3)中，通过步骤2)中两个目标监测点之间的图像相对位置计算单张图像上这两个目标监测点之间的实际相对位置的方式为：

根据两个相邻的目标监测点的靶标的中心点坐标计算两者之间的像素差值为(x_2i-x_2i-1,y_2i-y_2i-1)；则，(i+1)点的实际相对位置坐标为，

(Δx_i,Δy_i)＝[(x_2i-y_2i-1)R_xi,(y_2i-y_2i-1)R_yi]；

其中R_xi、R_yi分别为中间图像横竖轴方向上的平均换算比例，

再进一步的说，本发明所述的步骤3)中，一测回的水平闭合差X_m和竖向闭合差Y_m为：

再进一步的说，本发明所述的步骤4)中，根据水平闭合差X_m和竖向闭合差Y_m计算各测段水平修正数Δm_x和竖向修正数Δm_y分别为：

平差修正后的(i+1)点的实际相对位置坐标为(Δx_i+Δm_x,Δy_i+Δm_y)，

则，采用高程传递和位移传递，(i+1)点相对于起始目标监测点的实际相对位置为

同时，本发明还提供了一种基于影像识别的平面变形监测测量系统，包括采集端、服务器端和客户端；

所述的采集端，包括固定的可旋转摄像头、网络传输模块、电源管理模块以及图像存储模块；所述可旋转摄像头采集图像，并将图像通过网络传输模块传输到服务器的图像处理平台；

所述的服务器端，包括图像处理平台、数据存储模块以及数据展示平台；所述图像处理平台采用包含权利要求1所述计算方法，计算解析各目标监测点的相对位置数据后得到变形数据；所述的数据存储模块将计算的变形数据存储入数据库；所述的数据展示平台可将各监测点相对变形数据标注在拼接的图像上，并通过网页形式将展示出来。

进一步的说，本发明所述的可旋转摄像头在监测系统安装时根据现场基准点和监测点的分布进行调试，预先设置焦距参数以及每次可旋转摄像头的转动角度。

本发明的有益效果是，解决了背景技术中存在的缺陷，本发明使用固定位置的可旋转变焦摄像头对目标监测点依次进行拍摄，利用高程和位移的传递，并采用专门图形算法计算各监测点的变形，可实现一观测点对多目标的变形测量，从而可以实现低成本的无接触建构筑物的变形监测。

附图说明

图1是本发明测量系统的硬件连接框图；

图2是本发明初始测量时的状态示意图；

图3是两测点之间距离的向量图；

图4-图5是本发明测量过程的状态示意图。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示的一种基于影像识别的平面变形监测测量系统，系统分采集端、服务器端和客户端三级结构。其中采集端主要包括固定可旋转摄像头、网络传输模块、电源管理模块、图像存储模块。通过摄像头进行图像的采集，获取一系列目标监测点的图像，图像通过网络设备模块传输到服务器的图像处理平台。服务器端包括图像处理平台、数据存储、在线展示平台。图像处理平台运用专门的图像处理算法和软件，计算解析出各监测点的相对位置数据，进而实现监测各点的变形；数据存储将计算的变形数据存储入数据库；数据展示平台通过网页形式将变形数据以阅读性强的方式展示出来。

本发明涉及的变形监测系统所用的固定可旋转摄像头为定制硬件，在监测系统安装时可根据现场基准点和监测点的分布进行调试，在配套驱动软件内预先设置焦距参数、每次相机的转动角度。此外分别在软硬件方面进行抗干扰和容错设置，原始图像数据按时间和拍摄顺序存储到数据存储模块，出现网络异常和数据异常时可人为远程获取复查。

获取的原始图像经网络传输模块进行保真传输，上传到服务器。服务器端配置有专门的图像处理算法和软件，对采集设备上传的图像处理、计算，最终得到各监测点的相对位置信息。计算结果与上次结果进行对比即可获取各监测点的在监测平面内的水平和竖直两个方向的相对变形数据。特别的，当采用2 个及以上的摄像头以两个不同的角度同时采集监测点的图像时，根据安装角度和同一监测点的图像参数还可解析出监测点在监测点平面法向的变形量。

解析出变形数据后服务器将数据存储入数据库，并且配合服务器上的网页平台和前端进行数据的可视化展示，用户可以通过访问展示平台地址获得。

测量时，预先设置好可调节焦距参数、旋转角度的高分辨率相机镜头，及配套的图片处理算法和软件。

为了便于计算，本测量方法在目标监测点上设置直径M为10cm的圆形靶标。

具体的测量方法步骤为：

如图1所示，本实施例的目标监测点位为4个，所有的目标监测点处于同一平面内；

1)开始测量时先启动相机，相机调整焦距为f₁进行第一次拍摄，如图2。通过相机对4个目标监测点进行图像的采集，设定每次拍摄的测段长度为两个相邻的目标监测点，如1号点到2号点为一测段，一测段拍摄完成后，调整镜头转动角度，调整相机焦距为f₂进进行第二次拍摄，以此类推，每拍摄依次，摄像头转动一次，摄像头焦距就调整一次；两点间拍摄，4个目标监测点往返共拍摄2×(4-1)＝6张图像，即第1张图像为1号点与2号点，第2张图像为2 号点与3号点，第3张图像为3号点与4号点；然后相机按原角度逆向转动拍摄，即第4张图像为3号点与4号点，第5张图像为2号点与3号点，第6张图像为1号点与2号点；如图4和图5，此一个往返拍摄过程为一测回；然后将 6张图像传输到服务器的图像处理平台；根据其他实施方式，也可以每拍摄一张图像即进行上传，上传后图像的计算、换算等处理方式与本实施例相同。

2)对上传的图像进行处理、计算，得出第i张图像上i点与(i+1)点之间的图像相对位置；

在图像上对相邻的两个目标监测点的靶标分别进行识别，计算两个靶标的中心点坐标和两个靶标的横竖轴的像素长度，如图3所示；在第i张图像上，i 点靶标的中心点坐标为(x_2i-1，y_2i-1)，(i+1)点靶标的中心点坐标为(x_2i，y_2i)；由于拍摄时图像可能会失真，因此，虽然靶标为圆形，但是，最终所呈现出来的图形不一定是圆形，因此，记录i点靶标的横竖轴(水平和竖直方向)的像素长度为(a_2i-1，b_2i-1)，(i+1)点靶标的横竖轴的像素长度为(a_2i，b_2i)。

3)通过两个目标监测点之间的图像相对位置计算单张图像上这两个目标监测点之间的实际相对位置，并由这两个目标监测点之间的实际相对位置计算一测回的水平闭合差和竖向闭合差；

根据两个相邻的目标监测点的靶标的中心点坐标计算两者之间的像素差值为：(x_2i-x_2i-1,y_2i-y_2i-1)；由于相机视角与监测点平面不一定垂直，因此有可能会存在角度畸变，因此，在换算实际相对位置时，取两靶标点附近的横竖轴的平均换算比例估算中间图像的换算比例以消除角度畸变的影响。

则，(i+1)点的实际相对位置坐标为，

(Δx_i,Δy_i)＝[(x_2i-y_2i-1)R_xi,(y_2i-y_2i-1)R_yi]；

其中R_xi、R_yi分别为中间图像横竖轴方向上的平均换算比例，

一测回的水平闭合差X_m和竖向闭合差Y_m为：

4)采用高程传递和位移传递，结合步骤3)中的水平闭合差和竖向闭合差进行平差，计算其余目标监测点相对于起始目标监测点的实际相对位置并存储；

根据水平闭合差X_m和竖向闭合差Y_m计算各测段水平修正数Δm_x和竖向修正数Δm_y分别为：

平差修正后的(i+1)点的实际相对位置坐标为(Δx_i+Δm_x,Δy_i+Δm_y)，

则，采用高程传递和位移传递，(i+1)点相对于起始目标监测点的实际相对位置为

5)循环步骤1)-4)一次，开始第二回次的测量；

6)将第二回次测量的计算结果与第二回次测量的计算结果进行对比，计算相邻两回次测量的监测点相对位置之差可得两次测量监测点在平面内的相对的位移(水平位移和竖向位移)，进而可以监测建构筑物的监测平面内的变形。

本实施例是设定1号点为变形较小或不具有变形的基准点，根据其他实施例，也可以在目标监测点的监测平面外的非变形位置设有不具有形变量的基准点。基准点和目标监测体的初始测量点的可同时出现在第一张图像上。

本发明所提供的基与影像识别的平面变形监测测量方法可以实现低成本的无接触的平面变形监测。一次安装后，无需人工干预，有效地解决传统常规大地测量方法进行变形监测的缺点。

本发明涉及镜头转动调焦设计，通过对图像标记点高程和位移的传递，可实现单镜头对多监测点的水平位移和竖向位移的测量，降低布设硬件成本。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。

Claims (10)

1.一种基于影像识别的平面变形监测测量方法，其特征在于：包括以下步骤，

1)通过摄像头对所有的目标监测点进行图像的采集，获得多张图像，每张图像上至少包含两个目标监测点，然后将图像传输到服务器的图像处理平台；

2)对上传的图像进行处理、计算，得出单张图像上第一个目标监测点与最后一个目标监测点之间的图像相对位置；

3)通过步骤2)中两个目标监测点之间的图像相对位置计算单张图像上这两个目标监测点之间的实际相对位置，并由这两个目标监测点之间的实际相对位置计算一测回的水平闭合差和竖向闭合差；

4)采用高程传递和位移传递，结合步骤3)中的水平闭合差和竖向闭合差进行平差，计算其余目标监测点相对于起始目标监测点的实际相对位置并存储；

5)循环步骤1)-4)一次；

6)将当前获得的其余目标监测点相对于起始目标监测点的实际相对位置的计算结果与前一次获得的其余目标监测点相对于起始目标监测点的实际相对位置的计算结果进行对比，获取各目标监测点在监测平面内相对于起始目标监测点的实际变形量。

2.如权利要求1所述的一种基于影像识别的平面变形监测测量方法，其特征在于：所述的步骤1)中，摄像头为可调节焦距参数的旋转相机镜头；所述的目标监测点为多个，所有的目标监测点处于同一平面内。

3.如权利要求2所述的一种基于影像识别的平面变形监测测量方法，其特征在于：所述的目标监测点上设置有直径为M的圆形靶标，M为10～15cm。

4.如权利要求3所述的一种基于影像识别的平面变形监测测量方法，其特征在于：所述的步骤1)中，具有n个目标监测点，n为大于1的自然数，图像采集时，设定每次拍摄的测段长度为两个相邻的目标监测点，每拍摄一测段，摄像头焦距就调整一次；两点间拍摄，n个目标监测点往返共拍摄2(n-1)张图像。

5.如权利要求4所述的一种基于影像识别的平面变形监测测量方法，其特征在于：所述的步骤2)中，图像相对位置的计算方式为：

在图像上对相邻的两个目标监测点的靶标分别进行识别，计算两个靶标的中心点坐标和两个靶标的横竖轴的像素长度，在第i张图像上，i点靶标的中心点坐标为(x_2i-1，y_2i-1)，(i+1)点靶标的中心点坐标为(x_2i，y_2i)；i点靶标的横竖轴的像素长度为(a_2i-1，b_2i-1)，(i+1)点靶标的横竖轴的像素长度为(a_2i，b_2i)。

6.如权利要求5所述的一种基于影像识别的平面变形监测测量方法，其特征在于：所述的步骤3)中，通过步骤2)中两个目标监测点之间的图像相对位置计算单张图像上这两个目标监测点之间的实际相对位置的方式为：

根据两个相邻的目标监测点的靶标的中心点坐标计算两者之间的像素差值为(x_2i-x_2i-1，y_2i-y_2i-1)；则，(i+1)点的实际相对位置坐标为，

(Δx_i，Δy_i)＝[(x_2i-y_2i-1)R_xi，(y_2i-y_2i-1)R_yi]；

其中R_xi、R_yi分别为中间图像横竖轴方向上的平均换算比例，

7.如权利要求6所述的一种基于影像识别的平面变形监测测量方法的测量系统，其特征在于：所述的步骤3)中，一测回的水平闭合差X_m和竖向闭合差Y_m为：

8.如权利要求7所述的一种基于影像识别的平面变形监测测量方法的测量系统，其特征在于：所述的步骤4)中，根据水平闭合差X_m和竖向闭合差Y_m计算各测段水平修正数Δm_x和竖向修正数Δm_y分别为：

平差修正后的(i+1)点的实际相对位置坐标为(Δx_i+Δm_x，Δy_i+Δm_y)，

则，采用高程传递和位移传递，(i+1)点相对于起始目标监测点的实际相对位置为

9.一种如权利要求1所述的基于影像识别的平面变形监测测量方法所采用的测量系统，其特征在于：包括采集端、服务器端和客户端；

所述的采集端，包括固定的可旋转摄像头、网络传输模块、电源管理模块以及图像存储模块；所述可旋转摄像头采集图像，并将图像通过网络传输模块传输到服务器的图像处理平台；

所述的服务器端，包括图像处理平台、数据存储模块以及数据展示平台；所述图像处理平台采用包含权利要求1所述计算方法，计算解析各目标监测点的相对位置数据后得到变形数据；所述的数据存储模块将计算的变形数据存储入数据库；所述的数据展示平台可将各监测点相对变形数据标注在拼接的图像上，并通过网页形式将展示出来。

10.如权利要求9所述的一种基于影像识别的平面变形监测测量系统，其特征在于：所述的可旋转摄像头在监测系统安装时根据现场基准点和监测点的分布进行调试，预先设置焦距参数以及每次可旋转摄像头的转动角度。

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