基于圖像分析的水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形監(jiān)測(cè)研究

劉新莊

(山脈科技股份有限公司，西安 710065)

0 引 言

自改革開(kāi)放以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，我國(guó)進(jìn)入大規(guī)模水利建設(shè)階段。水利工程所形成的大壩壩肩邊坡、水庫(kù)庫(kù)岸邊坡規(guī)模之大、數(shù)量之多、地勢(shì)復(fù)雜舉世矚目[1-2]。一旦這些邊坡周?chē)霈F(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害將會(huì)對(duì)國(guó)家生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)與人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成相當(dāng)大的損失。我國(guó)是發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害非常頻繁的國(guó)家，因此對(duì)邊坡的穩(wěn)定性展開(kāi)研究至關(guān)重要。

目前，水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡成為滑坡研究中的重點(diǎn)。水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口是水電站穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)，一旦其出現(xiàn)問(wèn)題，將會(huì)造成泄洪能力下降的問(wèn)題[3]。因此，在此次研究中，將其設(shè)定為主要的研究對(duì)象，并對(duì)其邊坡穩(wěn)定性展開(kāi)研究。邊坡失穩(wěn)的發(fā)生并不是無(wú)跡可尋的，它也是遵循一定的物理或化學(xué)原理發(fā)生的，所以怎樣有效檢測(cè)危險(xiǎn)邊坡并對(duì)其實(shí)施監(jiān)測(cè)非常重要。在傳統(tǒng)的邊坡變形監(jiān)測(cè)中，由于監(jiān)測(cè)方法中的技術(shù)應(yīng)用不當(dāng)，造成監(jiān)測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，錯(cuò)過(guò)黃金維護(hù)時(shí)間，危害社會(huì)經(jīng)濟(jì)安全。針對(duì)這一問(wèn)題，很多專(zhuān)家對(duì)其進(jìn)行了研究，取得了一定成果。例如，陳平志等[4]研究了彎曲傾倒邊坡開(kāi)挖變形響應(yīng)機(jī)理與反饋預(yù)測(cè)，通過(guò)分析壩基上游邊坡形態(tài)與病害分布等對(duì)其展開(kāi)研究；王振林等[5]為了實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，研究了基于時(shí)序Sentinel-1數(shù)據(jù)的錦屏水電站左岸邊坡形變探測(cè)與特征，以此為基礎(chǔ)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題；李興明等[6]研究了某水電站導(dǎo)流明渠邊坡傾倒變形分區(qū)與治理方法，通過(guò)結(jié)合克里金插值法,分析西部某水電站導(dǎo)流明渠邊坡的傾倒變形破壞特點(diǎn)等方式，進(jìn)行坡體分區(qū)后的支護(hù)建議。盡管以上方法取得了一定實(shí)效，但仍難以實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形的高效以及高精度監(jiān)測(cè)。為了提高檢測(cè)精度和效率，在此次研究中進(jìn)行了基于圖像分析的水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形監(jiān)測(cè)研究，設(shè)定監(jiān)測(cè)設(shè)備以及其檢測(cè)精度，構(gòu)建邊坡監(jiān)測(cè)模型，獲取邊坡圖像信息并進(jìn)行匹配，完成監(jiān)測(cè)過(guò)程，以提升對(duì)水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡穩(wěn)定性的控制能力，保護(hù)當(dāng)?shù)鼐用竦娜松戆踩c財(cái)產(chǎn)安全。

1 水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備的選用及測(cè)量精度設(shè)定

在此次方法設(shè)計(jì)中，為保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的有效性，對(duì)檢測(cè)過(guò)程中使用的設(shè)備進(jìn)行設(shè)定。通過(guò)文獻(xiàn)分析可知，影響水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度的主要原因由3部分組成：監(jiān)測(cè)設(shè)備的分辨率；攝像設(shè)備的安裝位置；影像數(shù)據(jù)的處理[7]。在此次研究中，將對(duì)上述3部分展開(kāi)綜合處理，提升水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形監(jiān)測(cè)方法的使用效果。

在此次研究中，將高精度數(shù)碼相機(jī)作為邊坡監(jiān)測(cè)的主要設(shè)備，其設(shè)備參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表1。

表1 導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡監(jiān)測(cè)設(shè)備參數(shù)

此次設(shè)計(jì)中選用的相機(jī)參數(shù)如上所述，對(duì)其分辨率進(jìn)行設(shè)置。設(shè)定邊坡檢測(cè)范圍為A*B，相機(jī)的分辨率為C*D，則邊坡觀測(cè)的分辨率可表示為：

(1)

式中：Ua與Ub分別為邊坡物面在水平方向與垂直方向上的分辨率，且兩個(gè)方向的分辨率在同一圖像中的關(guān)系可表示如下：

Ua=Ub

(2)

由此可知，邊坡監(jiān)測(cè)分辨率的實(shí)際意義是指邊坡圖像的像素占用范圍的大小。由此，可得到邊坡變形監(jiān)測(cè)的精度要求。根據(jù)攝影測(cè)量圖像要求的基本關(guān)系式可得到下述公式：

(3)

式中：P為檢測(cè)圖像像素參數(shù)；v為圖像的分辨率大小；e為圖像的主相距。

對(duì)此公式推導(dǎo)可知，監(jiān)測(cè)主點(diǎn)中誤差(cx0,cy0)與主相距e的誤差ce與邊坡空間的坐標(biāo)誤差可表示為：

(4)

由于此次監(jiān)測(cè)僅對(duì)邊坡的平面尺寸進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)邊坡存在景深問(wèn)題時(shí)，設(shè)定深入差為h，則其誤差可表示為：

(5)

對(duì)上述公式展開(kāi)整合，可初步得到邊坡各方位元素的監(jiān)測(cè)精度要求估算公式，具體如下：

(6)

上述公式僅對(duì)方位元素的誤差展開(kāi)處理，當(dāng)監(jiān)測(cè)誤差較大時(shí)，設(shè)定誤差個(gè)數(shù)為n，則式(6)可推導(dǎo)為：

(7)

對(duì)上述公式展開(kāi)分析可知，方位元素的測(cè)量精度與待測(cè)邊坡的測(cè)量精度(cx,cy,ch)具有直接的關(guān)系。方位元素的測(cè)量精度越高，邊坡監(jiān)測(cè)的測(cè)量精度就越高[8]。采用上述設(shè)定監(jiān)測(cè)設(shè)備以及測(cè)量精度，作為此次方法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

1.2 邊坡監(jiān)測(cè)模型設(shè)定

通過(guò)上述設(shè)定，在邊坡的相應(yīng)位置設(shè)定觀測(cè)點(diǎn)，獲取邊坡圖像，采用位移計(jì)算的形式，獲取邊坡的形變數(shù)據(jù)與穩(wěn)定情況[9-10]。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圖像采集由兩臺(tái)相機(jī)完成，具體采集模型見(jiàn)圖1。

圖1 邊坡監(jiān)測(cè)模型

由圖1可知，成像設(shè)備1的坐標(biāo)系可表示為T(mén)1-xlylzl，成像設(shè)備2 的坐標(biāo)系可表示為T(mén)2-xryrzr；成像設(shè)備1圖像坐標(biāo)系為W1-xlyl，成像設(shè)備2 圖像坐標(biāo)系為W2-xryr，中心點(diǎn)z的坐標(biāo)系為(xz,yz,zz)。根據(jù)成像設(shè)備坐標(biāo)系與監(jiān)測(cè)圖像坐標(biāo)系之間的關(guān)系與透視變換原理，可得到下述關(guān)系式[11]：

(8)

(9)

通過(guò)上述公式，可將成像設(shè)備之間的圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)化則有：

(10)

為了更好地完成邊坡監(jiān)測(cè)過(guò)程，將式(8)-式(10)聯(lián)立，則有：

(11)

由上述公式可知，通過(guò)兩成像設(shè)備得到Jlr與兩設(shè)備的角度，并反算出此監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，由此基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)模型構(gòu)建完成。為提升邊坡監(jiān)測(cè)的可靠性，將其模型優(yōu)化為三維模型，則其邊坡成像顯示見(jiàn)圖2[12-13]。

圖2 邊坡立體圖像模型

通過(guò)上文中設(shè)定的模型以及幾何關(guān)系可得出監(jiān)測(cè)圖像之間的關(guān)系，具體公式如下：

(12)

設(shè)定兩成像設(shè)備之間的誤差為s=Xleft-Xright，則z的左側(cè)成像設(shè)備坐標(biāo)可表示為：

(13)

在上述部分中設(shè)定了成像設(shè)備的圖像采集位置，通過(guò)上述設(shè)定對(duì)邊坡實(shí)施監(jiān)測(cè)。

1.3 邊坡變形監(jiān)測(cè)匹配

通過(guò)上述部分對(duì)邊坡的進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并獲取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，設(shè)定某監(jiān)測(cè)點(diǎn)在兩監(jiān)測(cè)圖像中的坐標(biāo)分別為(g1,h1)與(g2,h2)，則該點(diǎn)在監(jiān)測(cè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)差可表示為：

(14)

(15)

則監(jiān)測(cè)邊坡位移中的誤差數(shù)據(jù)可表示為：

(16)

式中：Dgh為此監(jiān)測(cè)點(diǎn)在上一次監(jiān)測(cè)中的位置變化，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式可得到公式中的具體數(shù)值。其轉(zhuǎn)換過(guò)程如下[14-15]。

(17)

將上式中的X、Y看作兩個(gè)相互獨(dú)立的數(shù)值，則監(jiān)測(cè)圖像匹配公式可寫(xiě)作：

(18)

采用此公式，可得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)在多次監(jiān)測(cè)中圖像的位移數(shù)據(jù)，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形數(shù)據(jù)，完成對(duì)水電站的邊坡監(jiān)測(cè)工作。

將上文中設(shè)計(jì)部分有序結(jié)合，并將其與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行融合。至此，水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)完成。

2 仿真分析

在上文中，完成了水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形監(jiān)測(cè)方法的設(shè)計(jì)部分。為驗(yàn)證上文中方法在現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中的使用效果，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)

在此次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用文中設(shè)計(jì)方法與其他兩種傳統(tǒng)方法對(duì)選定的實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)比3種方法的使用中的差異性。此次實(shí)驗(yàn)對(duì)象為某水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡，為保證實(shí)驗(yàn)對(duì)比的有效性，對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬。具體模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象巖體力學(xué)參數(shù)表

通過(guò)對(duì)此邊坡研究可知，根據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5353-2006)，此導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡為A類(lèi)(樞紐工程區(qū)邊坡)。因此，對(duì)此邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的要求較高。根據(jù)上述信息，選定此邊坡作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備選型

在此次實(shí)驗(yàn)中，為將3種監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用于同一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)中使用的設(shè)備展開(kāi)設(shè)計(jì)。在此次實(shí)驗(yàn)中設(shè)定一組兩部成像設(shè)備，將其通過(guò)服務(wù)器與PC端相連，通過(guò)成像設(shè)備獲取邊坡的圖像并采用PC端對(duì)其圖像展開(kāi)處理與計(jì)算。

采用上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備作為此次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成部分，并使用此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成文中設(shè)計(jì)方法與其他兩種方法的對(duì)比過(guò)程。

2.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比指標(biāo)

在此次實(shí)驗(yàn)中，對(duì)監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)時(shí)間展開(kāi)對(duì)比。通過(guò)研究可知，在目前的水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，由于獲取監(jiān)測(cè)結(jié)果的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致邊坡修復(fù)速度受到影響，對(duì)于水電站的運(yùn)行造成安全隱。因此，選定此指標(biāo)作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)比對(duì)象。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，設(shè)定5組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)邊坡變形時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)并記錄下監(jiān)測(cè)時(shí)間。為提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比性，將實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)定為雨季與旱季，獲取兩種不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的監(jiān)測(cè)時(shí)間，分析3種方法在不同季節(jié)在某水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡的使用特點(diǎn)。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3-圖5。

圖3 文中設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 文獻(xiàn)[4]方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 文獻(xiàn)[5]方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，文中設(shè)計(jì)方法在兩種不同的環(huán)境下的形變監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)較為一致。沒(méi)有因?yàn)榧竟?jié)模擬的變化，造成監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)圖像也可以看出，文中設(shè)計(jì)方法的監(jiān)測(cè)能力較好，在同一監(jiān)測(cè)環(huán)境時(shí)，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間較為一致，沒(méi)有出現(xiàn)波動(dòng)較大的問(wèn)題?？梢?jiàn)，文中設(shè)計(jì)方法在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性較高。

通過(guò)圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，文獻(xiàn)[4]方法的監(jiān)測(cè)時(shí)間明顯增長(zhǎng)。在同一監(jiān)測(cè)環(huán)境中，出現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題。同時(shí)，對(duì)比兩種環(huán)境下文獻(xiàn)[4]方法的監(jiān)測(cè)效果可以看出，在不同的季節(jié)中，文獻(xiàn)[4]方法的監(jiān)測(cè)時(shí)間相差較大。通過(guò)對(duì)此結(jié)果分析可知，該方法的使用效果穩(wěn)定性較差，不適用于季節(jié)劃分較為明顯地區(qū)的水電站監(jiān)測(cè)工作。

由圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，文獻(xiàn)[5]方法在使用中出現(xiàn)相應(yīng)的問(wèn)題。通過(guò)圖像可以看出，文獻(xiàn)[5]方法在不同季節(jié)模擬中的監(jiān)測(cè)結(jié)果波動(dòng)較小，走向較為一致。但其監(jiān)測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成水電站周邊居民的人身安全受到影響。由此可知，該方法的使用效果并不是很理想。同時(shí)，圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，僅具有穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)結(jié)果無(wú)法滿(mǎn)足邊坡監(jiān)測(cè)要求。

將上述得出的文中設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果、文獻(xiàn)[4]方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及文獻(xiàn)[5]方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳細(xì)分析可知，在不同的測(cè)試環(huán)境下，文中設(shè)計(jì)方法的使用效果最佳，對(duì)于水電站水土的保護(hù)與監(jiān)測(cè)能力更佳。在日后的使用中，可將此方法應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中，提升邊坡監(jiān)測(cè)效果。

為了更直觀、更有力證明本文方法的優(yōu)越性，進(jìn)一步分析3種方法的水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形監(jiān)測(cè)精度對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同方法監(jiān)測(cè)精度對(duì)比

分析圖6可知，采用3種方法進(jìn)行水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形監(jiān)測(cè)，本文方法的監(jiān)測(cè)精度始終要高于其他兩種方法，最高可達(dá)97%，且更為穩(wěn)定，證明本文方法的優(yōu)越性。為了更深入地分析本文方法的性能，繼續(xù)對(duì)比3種方法的監(jiān)測(cè)效率，見(jiàn)圖7。

圖7 不同方法監(jiān)測(cè)效率對(duì)比

分析圖7可知，采用3種方法進(jìn)行水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形監(jiān)測(cè)，本文方法的檢測(cè)效率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另外兩種方法，最高為96%，明顯縮減了檢測(cè)時(shí)間。通過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)分析，可以有效證明本文方法的優(yōu)越性，具有較為廣闊的應(yīng)用空間。

3 結(jié) 語(yǔ)

此研究以實(shí)現(xiàn)水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形高精度監(jiān)測(cè)為目的，研究新型的水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡變形監(jiān)測(cè)方法。在研究的過(guò)程中，設(shè)定了相應(yīng)的使用設(shè)備，完成監(jiān)測(cè)過(guò)程。通常情況下，為獲取更加有效的變形數(shù)據(jù)，會(huì)采用轉(zhuǎn)換監(jiān)測(cè)點(diǎn)的方式，但在此次研究中使用數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的合理性。此方法的優(yōu)勢(shì)較為明顯，提高了檢測(cè)精度和檢測(cè)效率，最高可達(dá)95%以上，而且使整個(gè)監(jiān)測(cè)工作的勞動(dòng)強(qiáng)度得到下降，更符合現(xiàn)代工程的要求。在此方法的使用中還存在許多困難，使其完善成熟還有許多工作需要去做。在數(shù)據(jù)的處理和成像設(shè)備的檢測(cè)中還有許多方面對(duì)監(jiān)測(cè)的精度造成一定程度的影響，因此在今后的研究中，要想獲取高精度的邊坡形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還需要作出更加全面與系統(tǒng)的研究。