TWI406998B - Multi - lens monitoring system for pier height - Google Patents

Description

橋墩底床高程之多鏡頭監視系統

本發明係有關於一種橋墩底床高程之監視系統，特別是指一種具有多鏡頭之監視系統。

　 近幾年來，世界各國風災與水災頻繁，每當災害來時，經常導致河川、溪水暴漲，使得橋墩基礎沖刷嚴重，讓橋墩的基樁裸露於外，如此即會導致橋樑側向承載力量不足，因而發生傾斜或斷裂的情形。若洪水太大，即會直接沖斷橋墩，進而導致橋樑突然直接沖落於水，而危及通行安全。上述情形不僅導致交通聯絡中斷，而且往往在短時間內會造成人民生命、公共財產與地方建設的損失。因此，現今為能充分了解橋墩之底床沖刷情形並即時預警，係發展出監測系統，如此可盡早發現橋墩之底床沖刷嚴重，以即時預警管制，而確保通行安全，避免因為橋樑可能斷裂所造成之二次傷害，以及適時補強修護以延長橋樑的使用壽命。甚至更能長期記錄偵測資料，以建立完整橋墩沖刷資料庫，而供日後橋墩保護與底床整治之用。
　 目前在許多橋墩沖刷監測相關技術中，最常使用的監測方法如下：
　 透地雷達法(Ground Penetrating Radar)，其為一種非破壞性檢測技術，係以高頻電磁波源發射雷達波滲透入不同的物質界層，而推算出底床之高程變化，其優點為可連續記錄底床之高程變化，但缺點為操作費時，且需要專業的訓練後才能操作。
　 磚塊編號法(Numbered bricks)，其係利用固定尺寸之複數磚塊所組成的磚塊陣列，每一磚塊均依序編號與註記其上，然後埋置於橋墩上游河段的底床下，當洪水來臨時，藉由磚塊被沖離原位與數量，來量測底床之高程變化。其缺點為需要開挖底床，且每次只能使用一次，並且只能量測到刷下的深度，無法獲知回淤的深度。
　 滑動磁軸環法(Sliding magnetic collar)，其是在橋墩柱表面前裝置一個滑動桿，滑動桿為中空設計，其外部有一軸環套於其上，當河床被沖刷，軸環便會下移，提供特定位置的沖刷深度，而滑動桿的內部則有一磁力感應器，其會隨外部軸環套同步移動，並將移動的訊號利用線路傳輸到外部。其缺點為只能記錄沖下去的深度，無法獲知回淤的深度。
　 戶外監視鏡頭辨識水位法，其係藉由影像擷取裝置對該液面進行該待測水位影像之截取，再經由該影像前置處理對該待測影像進行一連串影像處理，之後再與已處理之影像進行比例計算，而得出該液面之高度值，但其無法用於橋墩沖刷監測。
　 自移式鏡頭監測法，其為申請人於台灣所申請之第098131157號發明專利申請案，其主要在橋墩底床邊埋入一中空容置體，並固定於橋墩，容置體內部有監測用之攝影機裝置並設於承載具上，利用馬達來控制承載具上下做垂直移動，以監視沙面沖刷的狀況。當沙面淤積上升或是沖刷下降時，可由即時影像辨識系統來追蹤沙面，所以不管淤積或沖刷皆可探知。其缺點為因為要控制承載具移動所以耗電量大，且由於是利用無線傳輸方式傳送數據，所以傳輸品質易受馬達干擾。
　 重力式沖刷測量裝置，沙面遭受沖刷後降低，隨著沙面降低探測體也由於重力作用往下沉降，讀取下降的高度即可獲知沖刷深度。其缺點為只能偵測沖刷，當淤積時無從量測。
　 發報器式土層沖刷監測系統，其埋設多個發報器於土層中，當沙面遭受沖刷到達一定深度時，發報器會移動或震動，藉此來獲得沙面之沖刷狀況。其缺點是只能測沖刷，當淤積無從量測。
　 光纖感測器，利用光纖光柵來做監測的一種量測系統。由於介質附於光纖上會改變光纖內部之折射率，以及造成內部光波波長有漂移現象，如此即可進而推知介質之所在深度。其缺點是光纖必須直接附在水或沙面上，而光纖較脆弱，容易遭受破壞。
　 由上述說明現今常用之監測方法可得知，其於使用上皆有一定限制與不便之處，因此如何以其他較佳方式監測橋墩之底床沖刷狀態，以延長橋樑的使用壽命，仍為現今的一大重要課題。
　 因此，本發明即針對上述問題而提出一種橋墩底床高程之多鏡頭監視系統，不僅可改善上述習用缺點，且可即時監控橋墩底床之高程變化，以解決上述問題。

　 本發明之目的之一，在於提供一種橋墩底床高程之多鏡頭監視系統，其設置一容置體於橋墩，且設置複數攝影單元於容置體，藉由一控制模組啟動該些攝影單元之一以攝影水面下之底床並產生一監視影像，控制模組隨即分析監視影像，而即時得知底床的高程變化並傳輸至遠端監視單元，以進行即時監控與記錄，如此可達到降低傳輸資料之目的，而減少所需之傳輸頻寬。
　 本發明之目的之一，在於提供一種橋墩底床高程之多鏡頭監視系統，其僅啟動一攝影單元對水面下之底床進行攝影，且不需移動攝影單元，所以可達節省電源之目的。
　 本發明之目的之一，在於提供一種橋墩底床高程之多鏡頭監視系統，其藉由處理模組依據攝影單元所擷取之監視影像，自動變換啟動該些攝影單元，而不需利用人力操控，如此可節省人力成本與提高監控上之便利性。
　 本發明橋墩底床高程之多鏡頭監視系統，其包含一容置體、一支架、複數攝影單元與一處理模組，容置體設置於橋墩，且支架設置於容置體內部，該些攝影單元設置於支架上方，以用於攝影水面下之底床而產生一監視影像，處理模組用於啟動該些攝影單元之一，以對水面下之底床進行攝影，處理模組並分析監視影像，而得知底床的高程變化，並且傳送高程變化至一遠端監視單元，如此即可即時監控底床的高程變化與記錄，處理模組於監控過程會依據監視影像變更啟動該些攝影單元之一，而選擇適當位置之攝影單元攝影水面下之底床，由於處理模組僅啟動單一攝影單元攝影底床，且不需要移動攝影單元，所以可節省電力。此外，本發明橋墩底床高程之多鏡頭監視系統更包含一電源供應單元，以供應電源至該些攝影單元與處理模組。

　 茲為使　貴審查委員對本發明之技術特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：
　 首先，請參閱第一圖，其係本發明之一較佳實施例之結構示意圖。如圖所示，本發明之橋墩底床高程監視系統係設置於一橋墩30，而用於即時監控水面下之底床32的高程變化。本發明之監視系統包含有一容置體10、一支架11、複數攝影單元13與一處理模組20，容置體10藉由任何習知方式而設置於橋墩30，容置體10為密閉式且材質包含有防水材質並具耐撞擊性，譬如鋼材，以避免水進入容置體10內以及防止遭受外物撞擊而損壞，而保護內部裝設之設備。根據本發明之一實施例中，容置體10為中空長圓管，且其具有流線外型以減少對水流場之影響。
　 復參閱第一圖，容置體10內部設有支架11，該些攝影單元13分別設置於支架11，該些攝影單元13之間皆有間距，該些攝影單元13用於攝影水面下之底床32，而產生一監視影像並傳送至處理模組20。處理模組20分析監視影像以得知底床32之高程變化，如此即可得知底床32之高程是否有因沙淤積而增高，或者因為沙被沖刷而降低。處理模處20係會將所得知的高程變化傳輸至一遠端監視單元55（請參閱第五圖）。處理模組20更用於控制該些攝影單元13，即開啟或關閉該些攝影單元13。本發明之處理模組20會依據底床32之當前高度，選擇啟動該些攝影單元13之一攝影水面下之底床32以產生監視影像，其餘攝影單元13皆為關閉。由於控制模組20僅啟動單一攝影單元13，且不需要移動攝影單元13，所以可以節省電力。上述之攝影單元13之一較佳實施例可為一感光耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）或者其他類型之攝影器具。控制模組20控制該些攝影單元13之詳細方式，之後係有詳細說明。
　 此外，本發明多鏡頭監視系統更包含有一透明視窗15，其設置於容置體10之迎水面，該些攝影單元13依序由上到下排列，且透過透明視窗15攝影水面下之底床32，以產生監視影像。另外容置體10更具有一刻度尺14，其設置於容置體10並位於透明視窗15，如此攝影單元13攝影水面下之底床32時，亦會攝影到刻度尺14之刻度，如此控制模組20分析監視影像即可得知底床32目前的高程。本發明多鏡頭監視系統更包含有至少一照明單元17，其皆設置於支架11，較佳地係可設置於兩攝影單元13之間，照明單元17用於提供攝影單元13於攝影時所需要的光線。
　 復參閱第一圖，容置體10內更具有一電源供應單元29，其用於提供本發明監視系統內部設備所需之電源，例如攝影單元13、處理模組20與照明單元17。上述之電源供應單元29之一較佳實施例可為一電池或一太陽能電池。本發明電源供應單元29供應電源之方式可為定時制或持續制，定時制即藉由一般常用電路設定時間，而控制電源供應單元29供應電源至設備的時間，但是會維持供應電源至處理模組20，以保持監測系統的運作，如此可有效節省電源，而提高電源供應單元29供應電源之時間。電源供應單元29若採用持續式供應電源，即24小時全天候供應電源，以進行全天候偵測底床32之高程變化，如此電源供應單元29即可採用太陽能電池。
　 請參閱第二圖，其係本發明之一較佳實施例之處理模組的方塊圖。如圖所示，本發明之處理模組20更包含一影像傳輸單元21、一切換單元22、一影像擷取單元23、一類比數位轉換單元24、一影像分析單元25、一處理器26、一儲存單元27與一傳輸單元28。影像傳輸單元21連接該些攝影單元13，其為一影像傳輸介面而用於傳輸攝影單元13之監視影像。切換單元22耦接影像傳輸單元21與處理器26，切換單元22接收處理器26所產生的一切換訊號，以依據切換訊號並透過影像傳輸單元21切換該些攝影單元21，即依據切換訊號開啟該些攝影單元13之一，而關閉其餘攝影單元13，僅開啟單一攝影單元13攝影水面下之底床32。
　 復參閱第二圖，影像擷取單元23耦接切換單元22，以經由切換單元22擷取影像傳輸單元21所傳輸之監視影像，且將擷取到的監視影像傳輸至類比數位轉換單元24，以供類比數位轉換單元24數位化監視影像，以產生一數位影像，進而傳輸至影像分析單元25。影像分析單元25用於分析數位影像，以得知水面下之底床32的高程，影像分析單元25分析影像之技術可運用現有技術，即可分析出影像中底床32之高程，而得知底床32之目前高度。譬如，由於本發明之容置體10具有刻度尺14，所以攝影單元13所產生的監視影像即會有刻度尺14之刻度，藉由影像分析單元25對影像進行分析即可得知影像中底床32所對應之刻度，如此即可得知底床32之目前高度。
　 此外，影像分析單元25分析影像後，亦可得知影像中之底床32與河水之交界線位於監視影像之位置，譬如位於監視影像高度之三分之二處，由於監視影像之高度為固定，且攝影單元13之位置也固定，所以依據底床32與河水之交界線位於監視影像之位置，即可推得底床32實際之高度。由上述說明可知，本發明亦可不需要設置刻度尺14，亦可分析影像而得知底床32現今之高度。
　 復參閱第二圖，影像分析單元25更耦接處理器26，並將所得知的底床高程傳送至處理器26，以供處理器26依據底床32之一原始高程與影像分析單元25所得知的底床高程，而計算出底床32之高程變化。傳輸單元28耦接處理器26，以接收處理器26計算出之高程變化並傳輸高程變化至遠端監視單元55（請參閱第五圖），以供監控人員即時監控底床32之高程變化，並可長期記錄以供日後追蹤。本發明由於獲得的數據皆在處理模組20完成處理，最後傳輸單元28僅傳輸出底床32之高程變化數據至外部之遠端監視單元55，因此，只需少量頻寬即可完成傳輸。本發明之傳輸單元之一較佳實施例可為有線傳輸或無線傳輸，遠端監視單元55之一較佳實施例為一電腦。
　 此外，處理器26更耦接影像擷取單元23與類比數位轉換單元24，以控制影像擷取單元23與類比數位轉換單元24。處理器24更耦接儲存單元27，儲存單元27儲存一系統軟件，以供處理器26執行。另外，處理器26會依據底床32現今之高程與每一攝影單元13之攝影範圍，而啟動適當之一攝影單元13，進行拍攝底床21以產生監視影像。若底床32現今之高程已欲超過現在運作之攝影單元13的攝影範圍，即會關閉現在運作之攝影單元13而啟動其他攝影單元13。
　 請參閱第三圖，其係本發明之另一較佳實施例之處理模組的方塊圖。如圖所示，此實施例不同於上一實施例在於此實施例之處理模組20並未包含第二圖之切換單元22。此實施例之處理模組20的處理器26直接耦接第一圖所示之該些攝影單元13，而直接控制該些攝影單元13，而不需透過第二圖所示之切換單元22。此外，影像擷取單元23耦接影像傳輸單元21，以擷取影像傳輸單元21所傳輸的監視影像。
　 請參閱第四圖，其係本發明之微處理模組切換攝影單元的示意圖。如圖所示，由上到下排列之該些攝影單元13係分別具有一攝影範圍40，相鄰之兩攝影範圍40係會重疊，其表示兩相鄰之攝影單元13攝影底床32所產生之監視影像會有部分影像重疊。以此實施例來說，頂端攝影單元13與中間攝影單元13所產生之兩監視影像的邊界，即會相重疊而具有一影像重疊區域45，而中間攝影單元13與底端攝影單元13所產生之兩監視影像的邊界，亦會相重疊而具有一影像重疊區域47。由於兩攝影單元13所產生之監視影像的邊界會相重疊，所此可以確保該些攝影單元13在攝影上可以攝影所有區域而不會有攝影不到的區域。
　 本發明之處理模組20依據監視影像可得知第一圖所示之底床32的現今高程，並依據底床32的現今高程與每一攝影單元13之攝影範圍40，判斷是否需要切換該些攝影單元13，也就是判斷是否要關閉現有運作的攝影單元13，而啟動另一攝影單元13。本發明處理模組20是藉由處理器26（參閱第二圖或第三圖）依據底床32的現今高程，而判斷底床32的現今高程是否位於切換位置，若是則關閉現有運作的攝影單元13，而啟動與現有運作攝影單元13相鄰的攝影單元13。此實施例係以影像重疊區域45之一半位置處與影像重疊區域47之一半位置處作為切換位置，圖示中之切換線46與48即表示切換位置。以下係舉例說明，本發明之處理模組20何時切換該些攝影單元13。
　 假設現今運作之攝影單元為頂端攝影單元13，且處理模組20得知底床32之現有高程已下降至切換線46，如此處理模組20之處理器26即會關閉頂端攝影單元13，而啟動中間攝影單元13。若日後底床32受到河水沖刷，而導致底床32之高程下降至切換線48時，處理器26會關閉中間攝影單元13，並啟動底端攝影單元13。若日後沙淤積於底床32，而導致底床32之高程增加至切換線48時，處理器26會關閉底端攝影單元13，並啟動中間攝影單元13。同理，若底床32之高程增加至切換線46時，處理器26會關閉中間攝影單元13，並啟動頂端攝影單元13。
　 由上述說明可知，如果底床32之高程在某部攝影單元13之攝影範圍40內，且尚未位於影像重疊區域45或47，則僅開啟此部攝影單元13攝影底床32。一旦，底床32之高程位於影像重疊區域45或47之切換線46或48，則處理器26會自動切換至相鄰攝影單元13繼續進行攝影底床32，並關閉原運作攝影單元13，以節省電力消耗。另外，由於處理模組20會自動變換啟動該些攝影單元13，而不需利用人力操控，如此可節省人力成本與提高監控上之便利性。此實施例以重疊區域45與47之中間位置處作為切換位置，其僅為本發明之一實施例，本發明亦可依據需要而以其他位置作為切換位置。
　 此外，本發明之監視系統於開始監視底床32之高程時，處理模組20可先陸續開啟各台攝影單元13，而探知底床23之所在位置，以決定初始運作之攝影單元13。初始運作之攝影單元13開始攝影底床32而產生之影像為一初始影像，處理模組20分析此初始影像與攝影單元13之後產生之監視影像，即可計算出底床32之高程變化。由於該些攝影單元13之所在位置為固定且為已知，所以分析初始影像中之底床位於初始影像之位置，即可得到底床32之原始高程。如此之後即可依據原始高程與所得知的高程計算出底床23之高度變化。本發明之監視系統開始監視底床32時，亦可不需利用初始影像計算出原始高程，而可先行利用其他方式量測底床32之原始高程，並設定於處理模組20內。
　 另外，本發明之處理模組20於監視系統進行監視之過程中，亦會記錄變換攝影單元13之歷程以及底床32之高程變化的歷程，其係處理模組20之處理器26記錄歷程於儲存單元27內。如此，若監視系統有中斷監視，之後若再重新進行監視時，處理模組20之處理器26僅需依據底床32之高程變化的歷程記錄，即可推算出當前底床32之高程，即可決定開啟那一部攝影單元13，而不需要全部開啟所有攝影單元13，因此，可減少電量之耗損與延長第一圖所示之電源供應單元29之使用時間。
　 請參閱第五圖，其係本發明監視系統執行遠端傳輸的示意圖。如圖所示，本發明之監視系統所得知的高程變化係會傳輸至遠端監視單元55，即設置於容置體10內之處理模組20以無線傳輸方式，將高程變化傳輸至一外部接收器50，再藉由外部接收器50傳輸高程變化至遠端監視單元55，以供監視人員得知水面下之底床32的高程變化，並記錄於遠端監視單元55，而建成資料庫，以供日後所需作為參考資料，就像是如第五圖所示，遠端監視單元55所呈現之高程變化曲線圖。本發明之遠端監視單元55可為一電腦，或者其他電子裝置，譬如個人數位助理（Personal Digital Assistant，PDA）。
　 綜上所述，本發明橋墩底床高程之多鏡頭監視系統包含容置體、支架、複數攝影單元與處理模組，容置體設置於橋墩上，而支架設置於容置體內以用於設置該些攝影單元，本發明藉由處理模組啟動該些攝影單元之一，以攝影水面下之底床而產生監視影像，處理模組分析監視影像以得知底床的高程變化，進而傳輸高程變化至遠端監視單元，以即時遠端監視與記錄底床之高程變化。由於本發明僅需傳輸底床之高程變化至遠端監視單元，而不需傳輸影像至遠端監視單元，所以本發明可有效降低資料傳輸量，並有效的縮短傳輸頻寬。此外，處理模組在監視底床之高程變化的過程，係會依據監視影像得知底床之高程，而依據底床之高程啟動該些攝影單元之一，以攝影底床而產生監視影像，由於處理模組僅只啟動一攝影單元攝影底床且攝影單元不需移動，如此即可達到節省電源之目的。
　 故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈鈞局早日賜准專利，至感為禱 。
　 惟以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10‧‧‧容置體
11‧‧‧支架
13‧‧‧攝影單元
14‧‧‧刻度尺
15‧‧‧透明視窗
17‧‧‧照明單元
20‧‧‧處理模組
21‧‧‧影像傳輸單元
22‧‧‧切換單元
23‧‧‧影像擷取單元
24‧‧‧類比數位轉換單元
25‧‧‧影像分析單元
26‧‧‧處理器
27‧‧‧儲存單元
28‧‧‧傳輸單元
29‧‧‧電源供應單元
30‧‧‧橋墩
32‧‧‧底床
40‧‧‧攝影範圍
45‧‧‧影像重疊區域
46‧‧‧切換線
47‧‧‧影像重疊區域
48‧‧‧切換線
50‧‧‧外部接收器
55‧‧‧遠端監視單元

第一圖係本發明之一較佳實施例設置於橋墩的結構示意圖；
第二圖係本發明之一較佳實施例之處理模組的方塊圖；
第三圖係本發明之另一較佳實施例之處理模組的方塊圖；
第四圖係本發明之微處理模組切換攝影單元之示意圖；以及
第五圖係本發明監視系統執行遠端傳輸的示意圖。

10‧‧‧容置體

11‧‧‧支架

13‧‧‧攝影單元

14‧‧‧刻度尺

15‧‧‧透明視窗

17‧‧‧照明單元

20‧‧‧處理模組

29‧‧‧電源供應單元

30‧‧‧橋墩

32‧‧‧底床

Claims (12)

1. 一種橋墩底床高程之多鏡頭監視系統，其包含有：
   一容置體，設置於一橋墩：
   一支架，設置於該容置體內；
   複數攝影單元，設置於該支架，並攝影水面下之一底床而產生一監視影像；以及
   一處理模組，啟動該些攝影單元之一攝影水面下之該底床而產生該監視影像，該處理模組分析該監視影像以得知該底床的高程變化，且傳輸該高程變化至一遠端監視單元，該處理模組更依據該監視影像啟動該些攝影單元之一攝影水面下之該底床。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多鏡頭監視系統，其中該容置體設置有一透明視窗，該些攝影單元之一透過該透明視窗攝影水面下之該底床，以產生該監視影像。
3. 如申請專利範圍第1項所述之多鏡頭監視系統，其中該容置體為密閉且具有防水材質。
4. 如申請專利範圍第3項所述之多鏡頭監視系統，其中該防水材質為一鋼材。
5. 如申請專利範圍第1項所述之多鏡頭監視系統，其中該處理模組更包含有：
   一影像傳輸單元，傳輸該監視影像；
   一影像擷取單元，擷取該影像傳輸單元傳輸之該監視影像；
   一類比數位轉換單元，耦接該影像擷取單元並轉換該監視影像為一數位影像；
   一影像分析單元，分析該數位影像，以得知水面下之該底床的高程；
   一處理器，依據該底床的該高程與一原始高程計算出該底床的該高程變化，並依據該底床的該高程與每一攝影單元之一攝影範圍啟動該些攝影單元之一攝影水面下之該底床；以及
   一傳輸單元，耦接該處理器並傳輸該高程變化至該遠端監視單元。
6. 如申請專利範圍第5項所述之多鏡頭監視系統，其中該傳輸單元為一無線傳輸單元或一有線傳輸單元。
7. 如申請專利範圍第5項所述之多鏡頭監視系統，其中該處理模組更包含：
   一儲存單元，耦接該處理器，並儲存一系統軟件，以供該處理器執行。
8. 如申請專利範圍第5項所述之多鏡頭監視系統，其中該處理模組更包含
   一切換單元，耦接該些攝影單元並依據該處理器產生之一切換訊號，而切換該些攝影單元，以啟動該些攝影單元之一產生該監視影像，並傳送至該類比數位轉換單元。
9. 如申請專利範圍第1項所述之多鏡頭監視系統，其中該些攝影單元之一擷取一初始影像，該處理模組分析該初始影像與該監視影像而得知該底床之該高程變化，並依據該監視影像與每一攝影單元之一攝影範圍啟動該些攝影單元之一攝影水面下之該底床。
10. 如申請專利範圍第1項所述之多鏡頭監視系統，其中該支架設有至少一照明單元。
11. 如申請專利範圍第1項所述之多鏡頭監視系統，其中更包含：
    一電源供應單元，供應電源至該些攝影單元與該處理模組。
12. 如申請專利範圍第1項所述之多鏡頭監視系統，其中更包含：
    一刻度尺，其設置於該容置體內。