基于圖像智能分析的全天候危巖崩塌災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備研究

張慧敏

摘? 要：危巖崩塌、滑坡、泥石流是地質(zhì)災(zāi)害的主要類型，為降低邊坡危巖崩塌帶來的損失，在不斷加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害治理工作的同時(shí)，需要借助一系列技術(shù)手段對(duì)高危地區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。該文介紹了基于圖像智能分析的全天候危巖崩塌災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計(jì)方法，開展面向危巖崩塌災(zāi)害監(jiān)測的實(shí)時(shí)圖像識(shí)別算法研究，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：邊坡檢測? 危巖? 實(shí)時(shí)監(jiān)測? 圖像處理

中圖分類號(hào)：TP274? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2020）09（c）-0044-04

Abstract： Dangerous rock collapse， landslide and debris flow are the main types of geological disasters. In order to reduce the losses caused by slope collapse， a series of technical means are needed to monitor the high-risk areas in real time while strengthening the geological disaster control. This paper introduces the design method of real-time monitoring equipment for dangerous rock collapse disaster based on image intelligent analysis. The real-time image recognition algorithm for dangerous rock collapse disaster monitoring is studied. The experimental results show that the system is effective.

Key Words： Slope detection; Dangerous rock; Real-time monitoring; Image processing

危巖體一般地處高陡邊坡，地形地貌條件的限制使其調(diào)查難度顯著增加，巖土體性質(zhì)調(diào)查、邊界條件確定、巖土體的取樣、測試等都非常困難，從而導(dǎo)致對(duì)崩塌災(zāi)害的認(rèn)識(shí)困難，也難以進(jìn)行可靠的穩(wěn)定性評(píng)估和計(jì)算[1]。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法由于技術(shù)水平的限制，崩塌災(zāi)變體的狀態(tài)參量靠人工測量、測試數(shù)據(jù)的事后驗(yàn)證分析評(píng)價(jià)，它不僅耗時(shí)耗力，而且不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)崩塌災(zāi)變的許多重要突變信號(hào)，也就不可能對(duì)突發(fā)災(zāi)害事先預(yù)警，只能事后進(jìn)行事故鑒定[2-4]。該文研究了基于圖像智能分析的全天候危巖崩塌災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)危巖墜落監(jiān)測的追蹤算法和用于路面堆積體狀態(tài)的識(shí)別算法進(jìn)行分隔運(yùn)算，并完成監(jiān)測現(xiàn)場基于實(shí)時(shí)圖像識(shí)別裝備和基于變形數(shù)據(jù)的監(jiān)測裝備的集成與開發(fā)。

1? 邊坡危巖監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)危巖崩塌監(jiān)測的需求分析，將監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分分為三大子系統(tǒng)，具體如下。

（1）基于圖像智能分析的全天候危巖崩塌災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測裝備，簡稱危巖體圖像識(shí)別監(jiān)測裝備。

（2）基于變形數(shù)據(jù)的危巖崩塌災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測裝備，簡稱危巖體表面變形監(jiān)測裝備。

（3）危巖崩塌災(zāi)害聯(lián)動(dòng)報(bào)警裝備，簡稱聲光報(bào)警系統(tǒng)。

各子系統(tǒng)與服務(wù)器通信，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間相互聯(lián)動(dòng)，達(dá)到危巖崩塌災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警與報(bào)警功能，具體框架圖如1所示。

2? 基于圖像智能分析的監(jiān)測設(shè)備設(shè)計(jì)

根據(jù)上述危巖崩塌監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)規(guī)劃，該部分研發(fā)目標(biāo)是開發(fā)基于全天候基于圖像智能分析的危巖安全狀態(tài)監(jiān)測裝備，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)危巖體崩塌和路側(cè)堆積物的全天候24h圖像智能分析與報(bào)警信息上傳?；趫D像分析技術(shù)的監(jiān)測設(shè)備由系統(tǒng)架構(gòu)、攝像頭調(diào)研選型、圖像識(shí)別算法研究、監(jiān)測裝備軟硬件實(shí)現(xiàn)、裝備性能測試實(shí)驗(yàn)組成。

監(jiān)測現(xiàn)場實(shí)時(shí)圖像識(shí)別裝備在整個(gè)危巖崩塌狀態(tài)監(jiān)測中的所處位置如下，其目的是在監(jiān)測現(xiàn)場根據(jù)圖像識(shí)別的方法實(shí)時(shí)反饋出監(jiān)測區(qū)域重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象的狀態(tài)，遇險(xiǎn)報(bào)警。

2.1 攝像頭的調(diào)研分析與激光攝像頭選

危巖崩塌實(shí)時(shí)圖像采集的攝像頭需要較高的性能，為保證圖像分析的全天候性能，需采用夜視性能更好的激光攝像頭，同時(shí)在惡劣的環(huán)境下正常工作，圖像清晰度高，功耗低，壽命長。根據(jù)以上要求，對(duì)不同類型的攝像頭進(jìn)行對(duì)比分析，選擇出適合在危巖崩塌監(jiān)測環(huán)境中應(yīng)用，又能控制成本的攝像頭。

經(jīng)過綜合對(duì)比，該系統(tǒng)選擇清晰度較高、壽命較長的激光攝像頭作為圖像采集的設(shè)備。

2.2 面向危巖崩塌災(zāi)害監(jiān)測的實(shí)時(shí)圖像識(shí)別算法研究

面向危巖崩塌災(zāi)害監(jiān)測的實(shí)時(shí)圖像識(shí)別算法用于對(duì)危巖崩塌監(jiān)測中重點(diǎn)關(guān)注的異常圖像情況進(jìn)行研判，獲取重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的異常信息，分析算法研究的主次方向。利用設(shè)置關(guān)鍵區(qū)域標(biāo)識(shí)物的方法，提升對(duì)關(guān)鍵區(qū)域穩(wěn)定性的分析判斷，以及夜間對(duì)于關(guān)鍵區(qū)域監(jiān)測的可靠性。同時(shí)在關(guān)鍵區(qū)域穩(wěn)定性監(jiān)測的基礎(chǔ)上，嘗試分析其大致的變形數(shù)據(jù)[5]。

根據(jù)上述攝像頭選型分析，激光攝像頭具備良好的夜視、穿霧等特點(diǎn)，符合危巖崩塌災(zāi)害監(jiān)測的需求，結(jié)合激光攝像頭圖像效果以及危巖崩塌監(jiān)測中重點(diǎn)關(guān)注的異常圖像情況研究合適的圖像處理算法[6]。

危巖崩塌災(zāi)害監(jiān)測的實(shí)時(shí)圖像識(shí)別算法研究主要分為危巖崩塌運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別算法以及堆積物大小估算算法兩大部分，其中危巖崩塌運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別算法的研究目的主要是提出適用于野外危巖崩塌狀態(tài)識(shí)別的運(yùn)動(dòng)檢測算法，堆積物體積大小估算算法研究目的是測量公路堆積物體積大小，遇險(xiǎn)報(bào)警，便于相關(guān)部門進(jìn)行后續(xù)處理。算法過程如下。

（1）危巖崩塌運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別算法。實(shí)現(xiàn)對(duì)公路危巖的實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)危巖有運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)，將運(yùn)動(dòng)物體標(biāo)示出來，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

（2）堆積物體積大小估算算法。對(duì)堆積物圖像進(jìn)行分割后，運(yùn)用體積估算算法，初步估算出堆積物體積大小，進(jìn)行分析與預(yù)警。

3? 實(shí)驗(yàn)測試

3.1 危巖體圖像識(shí)別監(jiān)測裝備實(shí)際邊坡布設(shè)

為了更好地測試系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性及工程化，測試路段為重慶渝北區(qū)古路村附近對(duì)危巖體圖像識(shí)別監(jiān)測裝備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性系統(tǒng)布設(shè)，并人為的模擬巖石墜落和路側(cè)堆積體測試，實(shí)景測試了系統(tǒng)的圖像分析及觸發(fā)報(bào)警功能。圖3左圖為危巖體崩塌圖像識(shí)別監(jiān)測裝備布設(shè)現(xiàn)場實(shí)景圖，可以展示布設(shè)的方位、觀測的邊坡以及周圍環(huán)境。

經(jīng)過工程化布設(shè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為了更為有效地鑒別是否為危巖崩塌的情況，避免誤報(bào)的同時(shí)又盡可能不出現(xiàn)漏報(bào)情況，可以在圖像識(shí)別算法中改進(jìn)增加了以下機(jī)制：當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體沒有運(yùn)動(dòng)軌跡不是從上至下但是進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域中且出現(xiàn)了停留的情況，當(dāng)停留時(shí)長達(dá)到一定閾值，系統(tǒng)將會(huì)將此情況標(biāo)上黃色框上傳服務(wù)器通知管理人員人工審查。圖3右圖為系統(tǒng)算法按照上述改進(jìn)機(jī)制之后被觸發(fā)，捕獲到現(xiàn)場新增停留物體，但是又不完全滿足危巖崩塌運(yùn)動(dòng)軌跡的情況。通過矩形框標(biāo)記不確定物體。

3.2 不同環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)測試

系統(tǒng)安裝布設(shè)完成之后，采用人工模擬危巖體崩塌的情景來測試系統(tǒng)監(jiān)測及報(bào)警功能。同樣采用人工拋擲籃球的方式，產(chǎn)生縱向移動(dòng)物體模擬危巖崩塌過程。通過多次反復(fù)測試，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確捕獲危巖崩塌狀態(tài)的移動(dòng)物體，進(jìn)入堆積體觀測區(qū)將估算崩塌體積。

3.2.1 白天環(huán)境下實(shí)驗(yàn)測試

按照通過上述實(shí)驗(yàn)方法，證實(shí)在白天情況下，激光攝像頭光源處于關(guān)閉狀態(tài)，圖像識(shí)別裝備可以有效地偵測到籃球模擬的危巖滾落情況。

當(dāng)籃球模擬的危巖滾落到屏幕下方，將會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警，同時(shí)開始估算測量垮塌量堆積體體積。圖4為觸發(fā)設(shè)備報(bào)警所捕獲的圖像。

3.2.2 夜間環(huán)境下實(shí)驗(yàn)測試

當(dāng)外界光線低于一定量時(shí)，攝像頭將自動(dòng)打開激光光源，進(jìn)入夜間攝像監(jiān)測模式。同時(shí)根據(jù)圖像識(shí)別算法處理，將會(huì)對(duì)背景模板進(jìn)行自動(dòng)更換。通過實(shí)驗(yàn)證明該裝備可以在夜間模式下偵測到用籃球模擬的危巖崩塌運(yùn)動(dòng)過程。

在夜間情況下，對(duì)于崩塌堆積體估算測量方式與白天一致，當(dāng)籃球模擬的危巖滾落到屏幕下方，將會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警，同時(shí)開始估算測量崩塌堆積體體積。在上述測試中，捕獲圖像中間的紅線將圖像分為兩個(gè)區(qū)域：（1）上面部分為移動(dòng)偵測區(qū)域，根據(jù)危巖崩塌的特征，重點(diǎn)關(guān)注縱向趨勢的運(yùn)動(dòng)物體而忽視橫向運(yùn)動(dòng)物體，從而區(qū)別是危巖崩塌還是其他活動(dòng)物體，監(jiān)測到危巖崩塌性質(zhì)的物體將會(huì)用紅框標(biāo)記。（2）圖像紅線的下面部分為危巖崩塌之后的堆積體觀測區(qū)域，當(dāng)有物體縱向的從移動(dòng)偵測區(qū)進(jìn)入堆積體觀測區(qū)將會(huì)觸發(fā)報(bào)警，監(jiān)測到疑似危巖崩塌后產(chǎn)生的堆積體將會(huì)用綠框標(biāo)記，并估算堆積體體積。根據(jù)危巖邊坡的具體情況，觀測區(qū)域的紅線位置可以配置調(diào)整。

4? 結(jié)語

該文重點(diǎn)介紹了基于圖像智能分析的全天候危巖崩塌災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)研究，為了更好地測試系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性及工程化，以重慶渝北區(qū)古路村附近的危巖體為測試對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并給出了實(shí)驗(yàn)效果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，系統(tǒng)可以捕捉到危巖崩塌時(shí)的瞬間圖像。

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