基于數(shù)字圖像處理的邊坡落石識(shí)別算法研究

簡云瑞++肖碩

摘 要：邊坡安全問題影響巨大，不但關(guān)乎著人們的財(cái)產(chǎn)生命以及交通安全，而且還涉及國家經(jīng)濟(jì)利益。該文采用圖像識(shí)別技術(shù)來分析攝取的數(shù)字圖像，該技術(shù)可以測量與監(jiān)測數(shù)字圖像當(dāng)中的具體目標(biāo)，并測量目標(biāo)的位移，相比較以往的位移檢測技術(shù)而言，該技術(shù)擁有安全可靠、使用成本低、快速等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：圖像處理 邊坡落石 移動(dòng)識(shí)別

中圖分類號(hào)：P642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（b）-0088-02

在一些地區(qū)，受當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定的影響，常常在邊坡等位置由于地質(zhì)的改變而引發(fā)垮塌、山體滑坡等自然災(zāi)害，對人們的出行安全以及財(cái)產(chǎn)生命安全造成了極大影響，因而有關(guān)部門亟需提高對潛在安全隱患的邊坡監(jiān)測力度，在盡可能早的時(shí)間內(nèi)檢測出危險(xiǎn)，避免人員和生命財(cái)產(chǎn)的損失。有關(guān)部門在加大對地質(zhì)自然災(zāi)害治理投入的同時(shí)，加大監(jiān)測地質(zhì)自然災(zāi)害同樣有非常重要的意義。然而當(dāng)前在邊坡安全檢測領(lǐng)域內(nèi)缺少有效的技術(shù)和檢測工具，現(xiàn)有的技術(shù)無法迎合目前的現(xiàn)實(shí)要求。以往的檢測技術(shù)都必須給定一個(gè)固定的并且已知三維坐標(biāo)與數(shù)字圖像當(dāng)中坐標(biāo)的參照物，與該技術(shù)相區(qū)別的是，該文所闡述的方法不用事先提供這些坐標(biāo)信息，而是利用獲取到的圖像當(dāng)中對應(yīng)點(diǎn)的相關(guān)信息，進(jìn)而通過數(shù)字圖像來檢測邊坡的巖石崩落，這種方法擁有魯棒性好、計(jì)算簡單等特點(diǎn)。

1 現(xiàn)有邊坡監(jiān)測技術(shù)分析

目前收集巖石崩落數(shù)據(jù)信息的技術(shù)主要有以下4種：人工觀測測量方法、數(shù)字圖像、邊坡雷達(dá)、GPS技術(shù)測量。

（1）傳統(tǒng)的人工觀測測量法，這種方法需要預(yù)先在邊坡的表面選取觀測的目標(biāo)，之后由測量人員用專業(yè)的測量儀器來測量目標(biāo)的位移信息。將觀測墩建于邊坡的表面，用專門的光學(xué)測量儀器測量邊坡表面的絕對位移，其中的基點(diǎn)從測控網(wǎng)中獲得。顯然，工作效率過低是這種傳統(tǒng)的測量方法最大的缺點(diǎn)，不適應(yīng)目前環(huán)境的需求。

（2）GPS測量技術(shù)，這種方法的原理是首先將GPS固定天線設(shè)置在邊坡各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，同時(shí)在邊坡以外的某個(gè)穩(wěn)定的地區(qū)安裝GPS接收機(jī)，之后接收至少3顆衛(wèi)星的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，接收機(jī)的坐標(biāo)位置就可以通過三點(diǎn)坐標(biāo)的三維空間定位的原理來求得，然而GPS監(jiān)測點(diǎn)需要定時(shí)向衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)，這種監(jiān)測設(shè)備造價(jià)高昂并且設(shè)備維護(hù)的費(fèi)用同樣較高，而且這種設(shè)備的組織也比較復(fù)雜。

（3）邊坡雷達(dá)，這種方法可以順著邊坡的表面同時(shí)不需要和邊坡產(chǎn)生任何形式的接觸，進(jìn)行持續(xù)的、精度在毫米級(jí)的精確測量。由此可以實(shí)時(shí)監(jiān)測邊坡并且可以及時(shí)預(yù)測潛在的滑坡事故，但是這種方法的缺點(diǎn)是其閾值較大，往往需要當(dāng)邊坡產(chǎn)生超過60 m2的崩落時(shí)才會(huì)發(fā)出警報(bào)，顯然這種方法對于坡度較大的邊坡并不合適，而且邊坡雷達(dá)的造價(jià)較高，無法大范圍推廣。

（4）數(shù)字圖像測量方法，這種方法會(huì)自動(dòng)采樣觀測目標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)自動(dòng)識(shí)別與測量采樣得到的數(shù)字圖像，通過設(shè)備的計(jì)算之后判斷何時(shí)發(fā)出報(bào)警。采用數(shù)字圖像測量方法可以監(jiān)測那些人員無法到達(dá)的地勢較陡的危險(xiǎn)邊坡，不僅需要的工作量比較小，而且能夠及時(shí)獲得所需數(shù)據(jù)。

采用數(shù)字圖像技術(shù)來監(jiān)測邊坡位移，設(shè)備可以在任何時(shí)候調(diào)用拍得的數(shù)字圖像，并且可以完全保證邊坡崩滑體在速變、劇變時(shí)期的精度需求，可以為人員提供最大可能的安全保障，而且操作不復(fù)雜，該文將采用數(shù)字圖像測量技術(shù)來監(jiān)測邊坡位移。

2 基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的邊坡落石識(shí)別算法

2.1 圖像預(yù)處理算法

拍攝的邊坡數(shù)字圖像中往往存在噪聲比較多，圖像中實(shí)體特征不清晰等原因，并且由于氣流、光學(xué)系統(tǒng)失真、相對運(yùn)動(dòng)以及圖像在進(jìn)行傳輸過程中受到噪聲污染等影響，因此需要預(yù)先將獲取的邊坡圖像進(jìn)行處理，從而增強(qiáng)源圖像，以便在后期利用過程中獲得目標(biāo)特征，具體需要做的工作是消除源圖像中的噪聲，同時(shí)提高目標(biāo)在源圖像中的能量，也就是在圖像中凸顯檢測目標(biāo)在圖像中的主要特點(diǎn)，以便在后期處理時(shí)設(shè)備能夠明顯地將檢測目標(biāo)的邊緣分割并且提取出來，即使這種技術(shù)不能消除圖像中的所有噪聲，但是經(jīng)過預(yù)處理的圖像還是能夠?qū)z測目標(biāo)的各類特征提取出來。

圖像預(yù)處理技術(shù)主要包含圖像濾波、變換、恢復(fù)、平滑以及增強(qiáng)等處理數(shù)字圖像的功能模塊，常采用圖像壓縮、圖像平滑、圖像去噪、圖像灰度化以及圖像二值化等方法，這些方法在具體應(yīng)用時(shí)則是根據(jù)圖像識(shí)別系統(tǒng)的需求。

2.2 移動(dòng)落石發(fā)現(xiàn)算法

圖像二維空間和現(xiàn)實(shí)三維空間之間的相互對應(yīng)關(guān)系可以采用圖像處理算法來確定，該文采用的是Hi3515算法，用來記錄邊坡的位移情況，Hi3515算法將宏塊作為最小的單位來為設(shè)備提供移動(dòng)監(jiān)測的功能，能夠計(jì)算圖像中確定的宏塊在一定時(shí)間間隔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)向量以及亮度的變化。這種方法的原理是在連續(xù)的2個(gè)或者3個(gè)連續(xù)的相鄰幀間，利用以像素的時(shí)間差分和閾值的具體變化來獲取數(shù)字圖像當(dāng)中的運(yùn)動(dòng)范圍，而時(shí)間差分運(yùn)動(dòng)檢測方法能夠很好的和動(dòng)態(tài)環(huán)境相適應(yīng)。具體的流程如圖1所示。

首先，算法獲取相鄰的兩幀數(shù)字圖像，以圖像的像素灰度值為基礎(chǔ)來對圖像進(jìn)行處理。前后兩幀圖像以像素灰度值為基礎(chǔ)，用3×3大小的灰度圖像塊來相減得到差值，將所得到的取值和灰度門限相比較，這樣就可以得到這兩幀圖像的差值圖像。然后再處理差值圖像，去除例如鏡頭移動(dòng)、光線的變化等干擾因素帶來的影響。之后再補(bǔ)償處理過后的圖像，還原在源圖像中運(yùn)動(dòng)圖像的本來特征。從差分圖像中獲得的運(yùn)動(dòng)范圍既包含監(jiān)測目標(biāo)部分，同時(shí)也包括目標(biāo)因運(yùn)動(dòng)而使得背景改變的部分。

在對差分圖像進(jìn)行第一次掃描之后，需要再進(jìn)行一次掃描，這樣做的目的是消除過多的背景有改變的部分，同時(shí)將在差分圖像中因檢測目標(biāo)重疊而去掉的被目標(biāo)遮蓋的部分恢復(fù)，從而獲得真正的目標(biāo)實(shí)體。目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)圖像中并不是靜止的，利用這種特點(diǎn)，可以通過照片背景和前景的改變，將目標(biāo)的搜索范圍進(jìn)一步確定在運(yùn)動(dòng)變化范圍，這樣可以有效降低在目標(biāo)檢測和識(shí)別中復(fù)雜背景的影響。

在確定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)變化范圍之后，在范圍內(nèi)，計(jì)算前后兩幀圖像當(dāng)中相同位置像素和的平均值，同時(shí)加上一定大小的置域度，將所得值視為圖像當(dāng)中一行的像素掃描門限，這樣就可以更精確地獲得各行的灰度信息。在運(yùn)動(dòng)檢測過程中確定的運(yùn)動(dòng)變化范圍作為掃描的參考空間，將每一行的像素平均值加上一定大小的置域度作為灰度門限，之后再第二次掃描原始的第x幀圖像對應(yīng)運(yùn)動(dòng)范圍，從而可以得到更加精確的巖石運(yùn)動(dòng)圖像。

3 結(jié)語

該文的研究內(nèi)容為邊坡災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)提供了一定的研究價(jià)值，文中提及的數(shù)字圖像測量技術(shù)具有準(zhǔn)確性高、操作簡單、成本較低，無需人員接觸以及可以反映邊坡動(dòng)態(tài)變化等優(yōu)點(diǎn)，在邊坡安全檢測中有廣泛的用途，具有很高的現(xiàn)實(shí)利用價(jià)值和社會(huì)效益；另一方面也為推進(jìn)巖土力學(xué)、環(huán)境地質(zhì)和預(yù)警理論學(xué)科的進(jìn)步做出了一定的貢獻(xiàn)。

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