基于圖像識(shí)別低成本集成化土石壩安全信息采集系統(tǒng)

郭廣鑫，王 東，2，項(xiàng) 霞，2，胡再國(guó)

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；3.四川大學(xué)物理學(xué)院，四川 成都 610065)

1 研究背景

土石壩是國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用的一種水庫(kù)大壩壩型，與其他壩型相比較，數(shù)量都占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。土石壩在世界范圍內(nèi)約占大壩總數(shù)的83%；中國(guó)擁有世界大壩數(shù)量的一半以上，現(xiàn)有水庫(kù)大壩9.8萬(wàn)余座，其中土石壩數(shù)量則占到大壩總數(shù)的93%，且其95%是在建國(guó)后的第一、二個(gè)五年計(jì)劃(1953—1962年)及十年“文革”期間修建。這些工程多是“三邊工程”(邊勘測(cè)、邊設(shè)計(jì)、邊施工方式下完成建設(shè))，特別是小型水庫(kù)多存在“四不清”(來(lái)水域、流域面積、庫(kù)容、基礎(chǔ)的地質(zhì)情況均未調(diào)查清楚)就動(dòng)工修建，雖然建成的數(shù)量巨大，但總體工程質(zhì)量差，存在諸多隱患，經(jīng)過(guò)了半個(gè)世紀(jì)左右的運(yùn)行，顯現(xiàn)出大批病險(xiǎn)水庫(kù)。

土石壩是以散粒體材料填筑碾壓而成的擋水建筑物。一方面隨運(yùn)行時(shí)間的累計(jì)，某些結(jié)構(gòu)因老化存在安全風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，以前的建設(shè)技術(shù)和管理水平也決定了其平均質(zhì)量和安全狀況總體不容樂(lè)觀。相較于砼材料建成的大壩，土石壩的材料強(qiáng)度低、壩身不能過(guò)洪。在極端氣候越來(lái)越頻繁的今天，其安全風(fēng)險(xiǎn)度大于砼材料大壩。與此同時(shí)，隨著社會(huì)的深入發(fā)展，各個(gè)行業(yè)都逐漸重視并提升風(fēng)險(xiǎn)管控意識(shí)、技術(shù)和設(shè)施。水資源和水電能源在社會(huì)產(chǎn)業(yè)鏈中處于基礎(chǔ)位，大壩又是水資源和水電能源的核心基礎(chǔ)設(shè)施，提升安全管理的質(zhì)量和水平，逐漸成為理所當(dāng)然的現(xiàn)實(shí)需求。

這些數(shù)量眾多的土石壩中，由于歷史原因和成本因素，相當(dāng)多的工程缺乏甚至沒(méi)有配置基本的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使這類大壩的安全風(fēng)險(xiǎn)管控處于無(wú)本之木、無(wú)源之水的尷尬境地。當(dāng)前我國(guó)的大壩安全監(jiān)測(cè)手段雖具有較先進(jìn)的技術(shù)性和較大的可靠性，但對(duì)于數(shù)量非常龐大的中、小型土石壩工程來(lái)講，建設(shè)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和長(zhǎng)久運(yùn)行的成本，是不可承受的，因此有必要研發(fā)一種運(yùn)行成本低廉、高集成度、高運(yùn)行效率、性能可靠的適宜于我國(guó)數(shù)量眾多的中小型土石壩工程的安全信息采集集成與管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容及技術(shù)方案

我國(guó)中、小型土石壩多承擔(dān)灌溉、供水、保護(hù)環(huán)境等偏公益性質(zhì)的任務(wù)，工程本身的直接經(jīng)濟(jì)效益有限，其運(yùn)維多靠政府撥款維持。由于歷史原因及成本因素，這些工程在建設(shè)期多缺乏、甚至根本沒(méi)有配置任何的安全監(jiān)測(cè)設(shè)施。雖然近20年來(lái)進(jìn)行過(guò)若干輪次的大規(guī)模除險(xiǎn)加固，但因土石壩數(shù)量太多，當(dāng)前仍存在著相當(dāng)?shù)陌踩L(fēng)險(xiǎn)，其中最重要的風(fēng)險(xiǎn)因素之一，便是缺乏建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本合適的集成化安全信息采集系統(tǒng)。

作為工程等級(jí)相對(duì)較低的中、小型土石壩工程(多指3～5級(jí)擋水建筑)，安全管理要求也低于大型工程，只要配置基本可靠的外觀變形監(jiān)測(cè)、基本的滲流滲壓監(jiān)測(cè)以及全面的“安全巡查”，并對(duì)其進(jìn)行安全信息采集和分析，便會(huì)大大提升工程安全管控質(zhì)量。

與此同時(shí)，隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，圖像識(shí)別技術(shù)的可靠性大增，在很多行業(yè)已經(jīng)開展應(yīng)用，相關(guān)設(shè)施設(shè)備的成本也快速下降，研發(fā)一套高集成度、低建設(shè)和運(yùn)行成本、高效可靠的土石壩安全信息采集系統(tǒng)成為了可能。為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本系統(tǒng)采用的技術(shù)方案如下：

基于圖像識(shí)別的低成本集成化土石壩安全信息采集系統(tǒng)，包含程控的數(shù)碼拍攝裝置和圖像識(shí)別技術(shù)，系統(tǒng)布置如圖1所示。程控的左、右岸采集數(shù)碼相機(jī)分別對(duì)稱架設(shè)在土石壩兩岸的基巖穩(wěn)定位置的架設(shè)桿頂部，通過(guò)拍攝獲得監(jiān)控區(qū)域的3000萬(wàn)像素的高分辨率數(shù)碼圖像，對(duì)圖像進(jìn)行智能識(shí)別獲得土石壩安全相關(guān)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形、水庫(kù)水位、滲流量水堰水位、安全巡視等各項(xiàng)信息，從而完成對(duì)土石壩安全信息的集成化采集，然后在此基礎(chǔ)上自動(dòng)進(jìn)行安全分析與管理。

圖1 系統(tǒng)布置示意圖(下游空中俯瞰)

根據(jù)當(dāng)前GB/T12979—2008《近景攝影測(cè)量規(guī)范》對(duì)于大型目標(biāo)20～300m尺度的定義，本系統(tǒng)適用于壩軸線距離恰當(dāng)?shù)耐潦瘔?，多?shù)傳統(tǒng)中、小型土石壩工程可滿足；當(dāng)壩軸線長(zhǎng)度在100m以內(nèi)時(shí)，能夠經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在左岸或右岸單側(cè)設(shè)置一套程控采集數(shù)碼系統(tǒng)即可。數(shù)碼相機(jī)架設(shè)桿的高度以10～20m為宜。

根據(jù)SL551—2012《土石壩安全監(jiān)測(cè)規(guī)范》，在土石壩壩身特征位置，諸如代表性斷面、壩頂、岸坡轉(zhuǎn)折處、下游壩坡特征點(diǎn)處等位置設(shè)置壩體的水平、垂直變形測(cè)點(diǎn)，即本系統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。這些點(diǎn)位與高空架設(shè)的程控左、右岸采集數(shù)碼相機(jī)完全通視，相應(yīng)側(cè)拍攝中全部直接可見(jiàn)。在兩岸岸坡穩(wěn)定位置(不動(dòng)點(diǎn)，最好是基巖)分別各設(shè)置2～5個(gè)可通視的變形標(biāo)定點(diǎn)；變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)和變形標(biāo)定點(diǎn)均按照GB/T12979—2008設(shè)置明顯的固定標(biāo)志，能夠被光學(xué)精確捕捉，如圖2所示的系統(tǒng)平面圖。

圖2 系統(tǒng)平面圖

3 系統(tǒng)運(yùn)行方式

根據(jù)程序控制設(shè)定，每一輪監(jiān)測(cè)啟動(dòng)后，右岸采集數(shù)碼相機(jī)照準(zhǔn)右岸量測(cè)范圍，左岸采集數(shù)碼相機(jī)照準(zhǔn)左岸量測(cè)范圍，同步獲得高分辨率圖像，圖像自動(dòng)無(wú)線傳輸至后臺(tái)進(jìn)行圖像識(shí)別處理；圖像處理時(shí)，以兩岸變形標(biāo)定點(diǎn)為基準(zhǔn)，批量解算獲得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)當(dāng)前坐標(biāo)值，與本系統(tǒng)采集的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始坐標(biāo)值相減，得到本次監(jiān)測(cè)的變形量，完成本輪監(jiān)測(cè)的變形監(jiān)測(cè)部分。

程控采集數(shù)碼相機(jī)的每一次攝取圖像里，以圖像識(shí)別技術(shù)判讀出上游水庫(kù)水標(biāo)尺的刻度數(shù)獲得庫(kù)水位，同時(shí)判讀出壩體滲漏量水堰刻度通過(guò)計(jì)算獲得大壩滲漏流量。為了相機(jī)遠(yuǎn)距離拍攝清楚量水堰水位，可加大堰板厚度，堰口斜面上布置有溫度敏感變色水標(biāo)尺，上方架設(shè)水標(biāo)尺光學(xué)放大鏡，如圖3所示。作為非常規(guī)的厚壁堰，應(yīng)對(duì)其流量系數(shù)進(jìn)行專門標(biāo)定。對(duì)于大壩滲漏流量監(jiān)測(cè)精度要求特別高的工程，可以在量水堰水標(biāo)尺上方另設(shè)置攝像頭，單獨(dú)獲取高清晰度圖像進(jìn)行高精度水位刻度識(shí)別。

本系統(tǒng)同時(shí)集成典型監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)部的若干滲壓測(cè)點(diǎn)及其滲壓計(jì)如圖4所示，同步程控采集滲壓數(shù)據(jù)，與壩體滲漏量測(cè)讀形成完整的滲壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖3 量水堰詳圖

圖4 典型監(jiān)測(cè)斷面橫剖面圖

左右岸高空架設(shè)的程控?cái)?shù)碼采集相機(jī)的每一次攝取圖像里，以圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)其各自照準(zhǔn)范圍內(nèi)的大壩壩體、壩坡、上游水庫(kù)庫(kù)面、上下游庫(kù)岸、近壩趾河床等部位的安全特征信息，諸如開裂、大變形、滲漏變濕顏色加深、庫(kù)水面狀況、泄水建筑及其設(shè)施設(shè)備狀況、岸坡崩塌變形或滲漏、外來(lái)閑雜動(dòng)物、恐怖襲擊等等異常進(jìn)行識(shí)別、判讀，從而代替人工，獲取重要的“巡檢”安全信息。

外觀變形監(jiān)測(cè)、滲流滲壓監(jiān)測(cè)、巡視檢查三類安全信息均程控自動(dòng)采集，自動(dòng)無(wú)線回傳后臺(tái)，進(jìn)行自動(dòng)化處理、分析，閾值以內(nèi)為正常，整個(gè)過(guò)程無(wú)人值守；超過(guò)閾值的情況，系統(tǒng)即時(shí)自動(dòng)將結(jié)論和關(guān)鍵信息傳輸給區(qū)域大壩安全管理員，啟動(dòng)人工介入干預(yù)，距離大壩最近的安全員迅速趕赴大壩現(xiàn)場(chǎng)，核實(shí)系統(tǒng)的安全狀況，按照規(guī)范啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)帶來(lái)的有益效果，首先因?yàn)橄到y(tǒng)集成度高，綜合建設(shè)成本低廉；其次因包含圖像識(shí)別等人工智能和自動(dòng)化后臺(tái)處理技術(shù)，在確保系統(tǒng)滿足工程所需精度和可靠性的前提下，可以無(wú)人值守，運(yùn)行成本低廉，從而做到系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本低，可以大大提升我國(guó)數(shù)量龐大的中、小型土石壩工程的安全管理質(zhì)量，為應(yīng)對(duì)行業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，為一方社會(huì)安全均起到了至關(guān)重要的作用。