WO2023236897A1 - 一种落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测系统，包括硬件系统与数据分析系统，硬件系统采用多点分布式高清高速摄像机非接触式采集防护结构在落石冲击下的动态图像序列；数据分析系统包含冲击变形状态全场追踪模块与多测点冲击大变形提取模块，冲击变形状态全场追踪模块采用帧间光流法捕捉防护系统冲击变形的时空变化，并构建速度幅值二维分布图，对系统的大变形进行全场全历程追踪；多测点冲击大变形提取模块利用特征点检测与匹配算法提取防护结构多区域的动态变形曲线并计算其在落石冲击下的最大变形量，为柔性防护系统的工作性态评价提供关键数据基础。还提供一种落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测方法。
Description
本发明涉及智能运维技术领域，具体地说，涉及一种落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测系统及方法。
目前，落石崩塌、泥石流等地质灾害频繁且分布广泛，灾害发生容易导致交通枢纽中断，对抢险救灾造成重大威胁。因此，对崩塌落石与泥石流冲击灾害进行有效防护与智能监测是亟需解决的问题。近年来，智能传感技术、物联网、计算机视觉等新兴技术得到了快速发展，为冲击灾害与防护系统智能监测提供了契机。
各类传感技术在高陡边坡监测中得到了广泛应用，根据原理的不同，可以将其分为接触式传感技术和非接触式传感技术。光纤光栅传感器为典型的接触式传感技术，利用光纤光栅传感器可监测高陡边坡各测点的应变与位移，然而光纤光栅传感器需要埋入边坡，在实际应用时需要开挖布设且容易损坏。为克服此问题，各类型非接触式传感技术包括全站仪、三维激光扫描技术、合成孔径雷达、视觉成像技术等得到了快速发展。总的来说，既有传感技术主要针对边坡稳定问题，监测对象主要为稳态小增量长持时变形、对瞬态大增量动态冲击变形的非接触监测技术研究目前鲜见报道。因此，对崩塌落石冲击作用下的防护工程大变形监测技术开展研究显得很有必要。
柔性防护网结构是一种复杂的柔性结构系统，因其防护能力强、施工简便，被广泛应用于铁路、公路、能源、国防等领域的防护工程。当前，落石崩塌灾害下柔性防护网系统工作性态的监测基本依靠接触式传感技术。国内外学者利用光纤光栅拉力计、加速度计、力传感器等接触式设备监测了落石冲击下被动柔性防护网系统的网片内力、支撑绳拉力、下拉锚绳等关键构建的动力学特征。
然而由于价格昂贵，安装困难，且在实际使用中容易遭受碰撞损坏，因此实际使用具有局限和不足。特别是落石冲击作用下，柔性防护网结构具有显著的瞬时大变形、大滑移等变位特征，直接遭受冲击作用的拦截单元的变形及内力采用接触式监测将变得非常困难。
发明内容
本发明的内容是提供落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测系统及方法，其能够克服现有接触式传感技术效率低、监测点位少、容易破坏等缺陷。
根据本发明的落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测系统，其包括硬件系统与数据分析系统，所述硬件系统利用高清高速摄像机非接触式采集防护结构在落石冲击下的动态图像序列；所述数据分析系统包含柔性防护系统变形状态全场追踪模块与多测点冲击大变形提取模块，变形状态全场追踪模块利用帧间光流法追踪落石冲击下防护结构全场全历程变形，多测点冲击大变形提取模块利用图像特征点检测与匹配算法同时提取防护网系统在落石冲击下的多测点动态冲击大变形并提取其最大伸长量。
本发明还提供了落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测方法，其包括以下步骤：
1)、落石冲击灾害下防护系统动态图像采集；
2)、柔性防护系统全场变形状态追踪；
3)、柔性防护系统多测点冲击大变形提取。
作为优选，步骤1)中，具体方法为：
依据防护网尺寸和安装位置确定高速相机布置方案，对于长度较小的防护网结构仅布置单套视觉测量系统即可，反之，则应沿防护网长度分布方向间隔布置多套视觉测量系统。
作为优选，步骤2中，具体方法为：
高速摄像机拍摄图像t和t+dt时刻的灰度相等，即：
I(x,y,t)＝I(x+u(x,y),y+v(x,y),t+dt)
I(x,y,t)＝I(x+u(x,y),y+v(x,y),t+dt)
其中：I(x+u(x,y),y+v(x,y),t+dt)为像素点(x,y)在t+dt时刻的图像灰度信息；I(x,y,t)为像素点(x,y)在t时刻的灰度信息；u(x,y)和v(x,y)分别为像素点(x,y)在水平向和竖向的位移场分量；dt为时间间隔；
利用一阶泰勒展开公式对像素点(x,y)在t+dt时刻的灰度信息进行近似，得：
I(x+u(x,y),y+v(x,y),t+dt)＝I(x,y,t)+Ixu(x,y)+Iyv(x,y)+Itdt
I(x+u(x,y),y+v(x,y),t+dt)＝I(x,y,t)+Ixu(x,y)+Iyv(x,y)+Itdt
其中：Ix和Iy分别为图像在水平向和竖向的空间域灰度梯度，分别表示为和It为图像在时间域的灰度梯度，表示为
由于相邻两帧图像的亮度不会发生变化，因此，可以得到：
Ixu(x,y)+Iyv(x,y)+Itdt＝0
Ixu(x,y)+Iyv(x,y)+Itdt＝0
根据空间一致性假设，利用3×3窗口内的9个像素点，可得到两个方向的位移场矢量，即：
据此，可以计算柔性防护系统在此点的速度幅值均方根，即：
将拍摄视场内所有像素点的速度幅值均方根形成一个二维矩阵，便可得到速度幅值二维分布图，通过不同帧速度幅值二维分布图的比较，便可以追踪落石冲击下柔性结构变形全过程。
作为优选，步骤3中，具体方法为：
根据落石冲击下防护结构变形特征确定冲击大变形提取区域，分别计算区各域的图像质心，即：
其中：m00为图像0阶矩，表示为m10和m01分别为图像的1阶矩，分别表示为
从而计算检测特征点与图像质心的方向角为：
θ＝a tan 2(m01,m10)
θ＝a tan 2(m01,m10)
通过方向角形成旋转矩阵，对检测的多个点对进行旋转，获取防护结构具有旋转不变特性的特征点；通过不同帧检测特征点与参考帧检测特征点比较，便可以得到防护结构在落石冲击下的动态变形di，定义不同特征点动态变形曲线的相关系数来消除错误匹配，即：
其中：dni和dnj分别为特征点i、特征点j的动态变形在第n个时刻的值；和分别为特征点i、特征点j的动态变形均值；Rij为特征点i、特征点j动态变形的相关系数；
利用转换系数将防护结构在落石冲击下的像素位移转换为物理位移，根据针孔相机模型，由相似三角形原理，可得以下关系为：
其中：f为相机焦距；Z为相机所在位置与被测物体之间的实际距离；p是相机传感器的单位长度(mm/pixel)。
将此转换系数与落石冲击下防护结构多测点的动态像素位移相乘，便可以
得到防护结构真实位移，进而提取其最大伸长量并评价其性能状态。
本发明首先利用高速摄像系统非接触式监测柔性防护结构在落石冲击下的动态图像序列，进而利用计算机视觉技术实现其运动信息检测，并提出基于二维速度幅值分布图的系统变形状态全过程跟踪方法；其次，发明了基于特征点检测与匹配的防护系统多测点冲击大变形提取方法，进而计算其在落石冲击下的最大伸长量。不同于传统接触式传感技术，本发明方法能够非接触式、远距离、高精度获取柔性防护结构在落石冲击下的全场变形状态与多测点冲击大变形，克服了常规接触式传感技术效率低、监测点位少、容易遭受冲击破坏的问题。本发明方法可直接应用于我国落石、崩塌等地质灾害防治，对保障民生与生命线安全具有迫切性和现实意义。
图1为实施例1中一种落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测方法流程图；
图2为实施例2中三跨柔性防护结构视觉测量流程图；
图3为实施例2中帧间光流运动检测方法原理图；
图4为实施例2中防护网系统全场变形状态识别；
图5为实施例2中不同时间下防护网变形状态全过程追踪；
图6为实施例2中防护结构多测点冲击变形提取示意图；
图7为实施例2中多测点动态变形曲线与理论值的对比图；
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
本实施例提供了一种落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测系统，其包括
硬件系统与数据分析系统，所述硬件系统利用高清高速摄像机非接触式采集防护结构在落石冲击下的动态图像序列；所述数据分析系统包含柔性防护结构变形状态全场追踪模块与多测点冲击大变形提取模块，变形状态全场追踪模块利用帧间光流法捕捉落石冲击下防护网结构全场全历程变形，多测点冲击大变形提取模块利用图像特征点检测与匹配算法同时提取防护结构在落石冲击下的多测点动态冲击大变形并提取其最大伸长量。
如图1所示，本实施例提供了落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测方法，其包括以下步骤：
一、柔性防护结构冲击变形状态全场追踪：对高速相机拍摄的落石冲击下防护结构图像序列进行处理，获取防护结构冲击变形的时空变化，利用帧间光流法获取防护网结构全场速度向量分布，并构建速度向量幅值的二维分布图，对高速相机拍摄的所有帧图像进行追踪，便可以捕捉防护结构冲击变形状态全场全过程追踪；
具体包括以下步骤：
1)图像数据采集：依据防护网尺寸和安装位置确定高速相机布置方案，对于长度较小的防护网系统仅布置单套视觉测量系统即可，反之，则应沿防护网长度分布方向间隔布置多套视觉测量系统；
2)防护结构变形状态全场追踪：
拍摄图像在t和t+dt时刻的灰度相等，即：
I(x,y,t)＝I(x+u(x,y),y+v(x,y),t+dt)
I(x,y,t)＝I(x+u(x,y),y+v(x,y),t+dt)
其中：I(x+u(x,y),y+v(x,y),t+dt)为像素点(x,y)在t+dt时刻的图像灰度信息；I(x,y,t)为像素点(x,y)在t时刻的灰度信息；u(x,y)和v(x,y)分别为像素点(x,y)在水平向和竖向的位移场分量；dt为时间间隔；
利用一阶泰勒展开公式对像素点(x,y)在t+dt时刻的灰度信息进行近似，得：
I(x+u(x,y),y+v(x,y),t+dt)＝I(x,y,t)+Ixu(x,y)+Iyv(x,y)+Itdt
I(x+u(x,y),y+v(x,y),t+dt)＝I(x,y,t)+Ixu(x,y)+Iyv(x,y)+Itdt
其中：Ix和Iy分别为图像在水平向和竖向的空间域灰度梯度，分别表示为和It为图像在时间域的灰度梯度，表示为
由于相邻两帧图像的亮度不会发生变化，因此，可以得到：
Ixu(x,y)+Iyv(x,y)+Itdt＝0
Ixu(x,y)+Iyv(x,y)+Itdt＝0
根据空间一致性假设，利用3×3窗口内的9个像素点，可得到两个方向的位移场矢量，即：
据此，可以计算柔性防护系统在此点的速度幅值均方根，即：
将拍摄视场内所有像素点的速度幅值均方根形成一个二维矩阵，便可得到速度幅值二维分布图，通过不同帧速度幅值二维分布图的比较，便可以追踪落石冲击下柔性防护结构变形全过程。
二、柔性防护结构多测点冲击大变形提取：根据防护网结构尺寸，确定落石冲击下防护结构多区域位移提取点，利用特征点检测算法对各区域内特征点进行检测与匹配，由于防护结构大变形特点，需进一步根据相关准测对各区域提取变形进行筛选，实现各区域内动态变形曲线准确提取，从而对落石冲击下防护结构的最大伸长量进行计算，为落石冲击下防护结构的性能验证提供关键数据支撑；
具体方法为：
根据落石冲击下防护结构变形特征确定冲击大变形提取区域，分别计算区各域的图像质心，即：
其中：m00为图像0阶矩，表示为m10和m01分别为图像的1阶矩，分别表示为
从而计算检测特征点与图像质心的方向角为：
θ＝a tan 2(m01,m10)
θ＝a tan 2(m01,m10)
通过方向角形成旋转矩阵，对检测的多个点对进行旋转，获取防护结构具有旋转不变特性的特征点；通过不同帧检测特征点与参考帧检测特征点比较，便可以得到防护结构在落石冲击下的动态变形di，定义不同特征点动态变形曲线的相关系数来消除错误匹配，即：
其中：dni和dnj分别为特征点i、特征点j的动态变形在第n个时刻的值；和分别为特征点i、特征点j的动态变形均值；Rij为特征点i、特征点j动态变形的相关系数；
利用转换系数将防护结构在落石冲击下的像素位移转换为物理位移，根据针孔相机模型，由相似三角形原理，可得以下关系为：
其中：f为相机焦距；Z为相机所在位置与被测物体之间的实际距离；p是相机传感器的单位长度(mm/pixel)。
将此转换系数与落石冲击下防护结构多测点的动态像素位移相乘，便可以
得到防护结构真实位移，进而提取其最大伸长量并评价其性能状态。
实施例2
结合图2～图7，通过三跨柔性防护结构案例来说明本实施例的落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测方法的具体实施过程，其具体步骤如下：
1)防护结构图像数据采集：试验模型环形网孔径为0.3m，共三联，每联宽度10米、支撑钢柱悬挑长度为4米，单联网片尺寸为4m×10m，总面积为120m2。通过高速相机拍摄柔性防护结构中间跨在落石冲击下的振动图像序列(如图2所示)，为保证覆盖大型防护结构全场的振动信息，可采用多点分布式同时数据采集的方式。
2)防护结构变形状态全场追踪：采用本发明方法的时空运动检测算法(图3)对拍摄图像进行分析，得到其在落石冲击下的速度向量分布，进而利用所有像素点的速度信息，得到防护结构速度向量幅值的二维分布图(图4)，其全场变形状态与数值解一致。进一步提取落石冲击下防护结构的变形全过程(图5)，可以看到落石刚接触防护网系统(t＝0.04s)时，防护开始产生变形，随后防护网变形加大，逐渐变成狭窄形状(t＝0.18s，0.35s)；为验证非接触式监测防护结构变形状态的正确性，利用LS-DYNA模拟了落锤冲击下防护结构的变形状态(图5右侧)，可以看出，利用有限元软件模拟的防护结构变形状态和非接触式视觉监测结果一致，验证了本发明方法的正确性与有效性。
3)防护结构多测点冲击大变形提取：本发明方法可以从高速相机拍摄视频中提取落石冲击下防护结构多测点动态冲击大变形，本实施例中多测点变形提取示意图如图6所示。利用特征点检测算法提取的柔性防护结构5个测点的竖向变形曲线，其与理论值的对比如图7所示。可以看出，利用本发明特征点检测算法提取的防护结构各测点动态变形曲线与理论值规律一致，但各测点产生的最大变形值不一样，测点P1到测点P5的最大变形量分别为-2.755m,-3.244m,-6.201m,-3.723m和-2.473m。由此可见，落石冲击下防护结构的最大
变形位置发生在测点P3，其变形值最大，测量值为-6.201m，其与理论值之间的相对误差为6.41％，验证了本发明方法提取防护结构多测点变形与最大伸长量的正确性与鲁棒性。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
- 一种落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测系统，其特征在于：包括硬件系统与数据分析系统，所述硬件系统利用多点分布式高清高速摄像机非接触式采集防护结构在落石冲击下的动态图像序列；所述数据分析系统包含柔性防护结构冲击变形状态全场追踪模块与多测点冲击大变形提取模块，柔性防护结构全场变形状态追踪模块利用帧间光流法捕捉落石冲击下防护结构全场全历程变形状态，多测点冲击大变形提取模块利用图像特征点检测与匹配算法同时提取防护结构在落石冲击下的多测点动态冲击大变形并提取其最大伸长量。
- 一种落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测方法，其特征在于：包括以下步骤：1)、落石冲击灾害下防护结构动态图像采集；2)、柔性防护结构全场变形状态追踪；3)、柔性防护结构多测点冲击大变形提取。
- 根据权利要求2所述的一种落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测方法，其特征在于：步骤1)中，图像采集方法为：依据柔性防护网系统的尺寸，确定多点分布式图像数据采集与布置方案，对落石冲击下防护网结构的动态图像序列进行拍摄。
- 根据权利要求2所述的一种落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测方法，其特征在于：步骤2)中，柔性防护结构全场变形状态追踪的具体方法为：高速相机拍摄图像在t和t+dt时刻的灰度相等，即：
I(x,y,t)＝I(x+u(x,y),y+v(x,y),t+dt)其中：I(x+u(x,y),y+v(x,y),t+dt)为像素点(x,y)在t+dt时刻的图像灰度信息；I(x,y,t)为像素点(x,y)在t时刻的灰度信息；u(x,y)和v(x,y)分别为像素点(x,y)在水平向和竖向的位移场分量；dt为时间间隔；利用一阶泰勒展开公式对像素点(x,y)在t+dt时刻的灰度信息进行近似，得：
I(x+u(x,y),y+v(x,y),t+dt)＝I(x,y,t)+Ixu(x,y)+Iyv(x,y)+Itdt其中：Ix和Iy分别为图像在水平向和竖向的空间域灰度梯度，分别表示为和It为图像在时间域的灰度梯度，表示为由于相邻两帧图像的亮度不会发生变化，因此，可以得到：
Ixu(x,y)+Iyv(x,y)+Itdt＝0根据空间一致性假设，利用3×3窗口内的9个像素点，可得到两个方向的位移场矢量，即：
据此，可以计算柔性防护系统在此点的速度幅值均方根，即：
将拍摄视场内所有像素点的速度幅值均方根形成一个二维矩阵，便可得到速度幅值二维分布图，通过不同帧速度幅值二维分布图的比较，便可以追踪落石冲击下柔性防护系统变形全过程。 - 根据权利要求2所述的一种落石灾害柔性防护结构非接触视觉监测方法，其特征在于：步骤3)中，柔性防护系统多测点冲击大变形提取方法为：根据落石冲击下防护系统变形特征确定冲击大变形提取区域，分别计算区各域的图像质心，即：
其中：m00为图像0阶矩，表示为m10和m01分别为图像的1阶矩，分别表示为从而计算检测特征点与图像质心的方向角为：
θ＝a tan 2(m01,m10)通过方向角形成旋转矩阵，对检测的多个点对进行旋转，获取防护结构具有旋转不变特性的特征点；通过不同帧检测特征点与参考帧检测特征点比较，便可以得到防护结构在落石冲击下的动态变形di，定义不同特征点动态变形曲线的相关系数来消除错误匹配，即：
其中：dni和dnj分别为特征点i、特征点j的动态变形在第n个时刻的值；和分别为特征点i、特征点j的动态变形均值；Rij为特征点i、特征点j动态变形的相关系数；利用转换系数将防护结构在落石冲击下的像素位移转换为物理位移，根据针孔相机模型，由相似三角形原理，可得以下关系为：
其中：f为相机焦距；Z为相机所在位置与被测物体之间的实际距离；p是相机传感器的单位长度。将此转换系数与落石冲击下防护结构多测点的动态像素位移相乘，便可以得到防护结构真实位移，进而提取其最大伸长量并评价其性能状态。
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