基于機器視覺的測繪工程地面位移形變測量方法

白 潔

（陽城縣自然資源局,山西 陽城 048100）

0.引言

為了給地質(zhì)調(diào)查工作提供大量的可視化數(shù)據(jù)，在開始勘探和開采之前，首先要對目標(biāo)空間和地面的各種信息進(jìn)行采集與分析，并繪制相應(yīng)的地形圖，因此測繪工程是地質(zhì)工程的第一個步驟。受到地球以及自然環(huán)境的影響，不同地區(qū)呈現(xiàn)出不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在測繪工程中需要對地表地物、地貌、地下水文和礦藏等部分信息進(jìn)行采集，并在最終的地形圖中進(jìn)行標(biāo)注[1]。然而，在測繪工程施工過程中，地表重力發(fā)生變化，可能會產(chǎn)生地面形變，若地面的形變量過大，就會破壞研究區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，甚至?xí){到工作人員的生命安全。因此，需要對測繪工程地面位移形變進(jìn)行測量。

由于地面厚度不同，且無法直接使用硬件測量設(shè)備進(jìn)行測量，這為地面位移形變測量方法的運行帶來了極大挑戰(zhàn)。國內(nèi)外先后對地面的形變測量內(nèi)容進(jìn)行研究，并得出了部分較為成熟的研究成果，具體包括基于姿態(tài)匹配的形變測量方法、基于全息二次曝光的物體形變測量方法。然而將上述傳統(tǒng)方法應(yīng)用到實際的測繪工程中，存在嚴(yán)重測量精度低的問題，為此引入機器視覺技術(shù)。

人類從外界環(huán)境中獲取信息的百分之八十都是通過視覺功能，而機器視覺技術(shù)則是利用機器設(shè)備模擬人類的視覺功能，用圖像的形式形成空間模式，統(tǒng)計最終用戶實際的檢測和測量。機器視覺技術(shù)綜合了多項技術(shù)，被廣泛應(yīng)用到多個領(lǐng)域當(dāng)中。與傳統(tǒng)的測量方法相比，機器視覺測量技術(shù)能夠同時獲得多個觀測點的數(shù)據(jù)信息，處理信息量大，因此得出測量結(jié)果也更為精準(zhǔn)。另外，機器視覺能夠?qū)⑺矔r捕捉的圖像信息進(jìn)行存儲，實現(xiàn)信息的重復(fù)使用，在測量過程中無需與被測物體，也就是地面接觸，在避免對被測物體噪聲損傷的同時，也降低人為測量工作的難度和危險性。通過機器視覺技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)測繪工程地面位移形變測量方法的優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)而提升地面位移形變的測量精度。

1.測繪工程地面位移形變測量方法設(shè)計

利用機器視覺的一系列硬件設(shè)備和通信裝置，設(shè)置測量內(nèi)容為研究區(qū)域內(nèi)地面垂直方向的位移形變量，測量原理（如圖1所示）：

圖1 機器視覺測量原理圖

在機器視覺硬件設(shè)備的支持下，收集地面圖像，并將其 傳輸給計算機，經(jīng)過對圖像信息的處理與分析后，提取形變特征點，對比前后多個特征點位置，得出地面位移形變測量結(jié)果。

1.1 選擇機器視覺測量設(shè)備型號

根據(jù)機器視覺的運行原理，分別從相機、鏡頭和光源三個方面選擇設(shè)備型號。電荷耦合器件和互補金屬氧化物半導(dǎo)體是相機的兩種成像元件，由于電荷耦合器件具有占用空間小、集成度高以及處理速度快等優(yōu)勢，因此，優(yōu)先選擇面陣CMOS相機[2]。設(shè)置曝光時間和分辨率作為相機型號選擇的約束指標(biāo)，其中，定義最短曝光時間為1/16s。相機分辨率可以通過公式（1）來估計。

式（1）中，H和H′為視野范圍水平長度和水平方向分辨率；V和V′為視野范圍垂直長度和垂直方向分辨率[3]；σ為方差。為了避免鏡頭變焦現(xiàn)象的發(fā)生，選用定焦鏡頭，且選擇的鏡頭需要帶有調(diào)節(jié)光圈的功能，并支持手動和自動兩種調(diào)節(jié)方式。機器視覺技術(shù)中光源的作用是增強待處理的物體特征，同時，降低環(huán)境噪聲對成像結(jié)果的干擾，選擇的光源需要滿足強度適中、光照均勻、范圍合理等條件。

1.2 機器視覺相機標(biāo)定

相機標(biāo)定是相機設(shè)備采集圖像與實際空間之間的橋梁，確定相機的光學(xué)參數(shù)，實現(xiàn)圖像坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換[4]。分別定義相機、圖像、成像和世界四個坐標(biāo)系，四個坐標(biāo)系的關(guān)系（如圖2所示）：

圖2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

圖像坐標(biāo)系中的任意一點（u0，v0）在成像坐標(biāo)系中的對應(yīng)點如式（2）所示：

式（2）中，dx和dy分別為成像坐標(biāo)系中任意像素在x軸和y軸方向上的物理尺寸；s′為傾斜因子[5]。那么相機成像的過程也就是世界坐標(biāo)系節(jié)點變換到圖像坐標(biāo)系的過程如式（3）所示：

式（3）中，（XC，YC，ZC）和（XW，YW，ZW）分別為圖像和世界坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)，參數(shù)A為相機參數(shù)矩陣；ZC為標(biāo)定參數(shù)。另外，R和t分別為旋轉(zhuǎn)正交矩陣和平移向量。將測繪工程地面上的任意一點代入到公式（3）中，便可以得到該點在圖像中的像素位置坐標(biāo)。通過機器視覺相機的標(biāo)定，測繪地面的位移形變測量過程中，通過測量圖像坐標(biāo)系中的位移量，便可轉(zhuǎn)換得出實際空間中的位移量。

1.3 測繪工程地面圖像采樣與量化

利用機器視覺和硬件設(shè)備的成像原理，在光源設(shè)備的支持下，得出一張地面采樣圖像。采樣圖像上的光照強度特征如式（4）所示：

式（4）中，變量i（x，y）和r（x，y）分別為光能的入射函數(shù)和反射函數(shù)。經(jīng)過對連續(xù)光強圖像的離散處理，形成采樣圖像對應(yīng)的量化數(shù)字圖像，并將其存儲在計算機中。同理在相同的時間間隔內(nèi)，采集第二張地面圖像，經(jīng)過多次采樣得出連續(xù)的圖像序列。

1.4 測繪工程地面圖像預(yù)處理

1.4.1 圖像灰度化

測繪工程地面上的物體以行的方式掃描到相機設(shè)備中，在三棱鏡的分色作用下，機器視覺生成的圖像均為彩色圖像。由于位移形變測量與地面顏色的關(guān)系不大，因此，為了降低測量工作量和工作難度，需要對采樣圖像進(jìn)行灰度化處理。假設(shè)初始圖像均為RGB格式，則圖像的灰度化處理過程如式（5）所示：

式（5）中，R、G和B分別為初始采樣圖像的顏色分量，最終輸出結(jié)果A為圖像的灰度值。將圖像中所有的像素點數(shù)據(jù)代入到公式（5）中，便可以得到對應(yīng)的圖像灰度矩陣，且矩陣中各個像素點的灰度值均控制在區(qū)間[0,255]內(nèi)。

1.4.2 傅立葉變換

傅立葉變換的目的是將圖像的時序特征轉(zhuǎn)換成頻率特征，從而體現(xiàn)出圖像中灰度變化的劇烈程度，并以此作為判斷地面形變位置的重要指標(biāo)。以采樣圖像f（x,y）為例，其變換過程如式（6）所示：

式（6）中，參數(shù)M和N分別為圖像f（x,y）的行數(shù)和列數(shù)；u和v為傅立葉變換后兩個方向上的頻率變量；j為常數(shù)系數(shù)。通過公式（6）的變換處理，可以實現(xiàn)兩種類型信號的相互轉(zhuǎn)換，并得出圖像的頻率分析結(jié)果。

1.4.3 濾波降噪

在地面圖像采樣和傳輸過程中，受到通信環(huán)境的影響，不可避免會產(chǎn)生高斯噪聲和椒鹽噪聲干擾，噪聲信號的存在會在一定程度上影響位移形變測量結(jié)果的精度，因此，需要利用濾波函數(shù)對圖像進(jìn)行降噪處理。優(yōu)化設(shè)計的測量方法中選擇巴特沃斯濾波函數(shù)，其表達(dá)式為：

式（7）中，D（u，v）為輸入頻率；D0為濾波函數(shù)的截止頻率；n為濾波器階數(shù)。通過公式（7）的運算，可以過濾掉圖像中低通噪聲和高通噪聲，在一定范圍內(nèi)有效降低了圖像中的噪聲占比。

1.4.4 定位人工標(biāo)記點

為了降低測量標(biāo)志的材料和形狀對圖像處理結(jié)果的影響，在圖像處理過程中設(shè)置了合理的人工標(biāo)志，一般來說，人工標(biāo)志為實心圓形狀，標(biāo)記結(jié)構(gòu)（如圖3所示）：

圖3 人工標(biāo)記點示意圖

根據(jù)連通域的質(zhì)心位置識別圓形標(biāo)志點，并利用最小二乘橢圓擬合算法確定圓形標(biāo)志點位置。

1.5 確定地面位移形變特征點

對連續(xù)圖像進(jìn)行比較，提取灰度變化的像素點，并將其設(shè)置為位移形變特征點，提取該點的質(zhì)心特征。該方法將圖像中像素的強度集中在圖像中心，利用圖像幀中心確定代表圖像特征向量的坐標(biāo)系的中心，在跟蹤之前完成特征點目標(biāo)的捕獲，使目標(biāo)完全位于視場區(qū)域。特征點目標(biāo)的質(zhì)心坐標(biāo)如式（8）所示：

式（8）中，f（i，j）為圖像中（i，j）位置上的像素強度；xij和yij分別為（i，j）位置上像素中心在x軸和與y軸方向上的坐標(biāo)。

1.6 實現(xiàn)地面位移形變測量

根據(jù)地面位移形變特征點的確定結(jié)果，得出位移形變量化測量結(jié)果。地面位移形變可以分為兩種情況：一種是位移形變方向與實現(xiàn)方向一致，此時利用公式（2）進(jìn)行逆運算，便可以得出位移形變圖像像素對應(yīng)的空間環(huán)境坐標(biāo)，并利用公式（9）得出位移測量結(jié)果。

式（9）中，y0為初始地面縱向坐標(biāo)；yi為形變變化后統(tǒng)一位置的縱向坐標(biāo)，另外max為最大值函數(shù)。若在地面形變的過程中出現(xiàn)水平影響因素，使得位移形變與視線方向之間出現(xiàn)夾角，則此時的位移量如式（10）所示：

式（10）中，θ為位移形變方向與視線方向之間的夾角。為了降低光源和環(huán)境溫度帶來的測量誤差，對初步輸出的測量結(jié)果進(jìn)行補償處理，處理過程如式（11）所示：

式（11）中，Δx和Δy分別為測量補償量。

2.測量精度測試實驗分析

為了測試設(shè)計機器視覺的測繪工程地面位移形變測量方法的測試精度，以及在測繪工程中的應(yīng)用性能，在實際測繪工程項目的支持下進(jìn)行測試實驗，并得出量化的測試結(jié)果。

2.1 測繪工程項目概述

選擇的測繪工程為中國西北地區(qū)一處新開發(fā)的礦山地區(qū)，測繪工程的目的是結(jié)合開發(fā)對地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。測繪工程研究地區(qū)的覆蓋范圍約為2462km2，其中，包括山丘、平原、河流等多種地質(zhì)類型，測繪工程的施工時間為2020年11月至2021年4月，為期5個月。

2.2 配置實驗環(huán)境

實驗環(huán)境包括硬件和軟件兩個部分：其中硬件部分為設(shè)計的地面位移形變測量方法以及實驗運行提供設(shè)備支持，而軟件部分主要對硬件設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和處理。由于設(shè)計的測量方法應(yīng)用了機器視覺技術(shù)，因此，配置的實驗環(huán)境（如圖4所示）：

圖4 實驗環(huán)境裝置連接示意圖

從圖4中可以看出，實現(xiàn)環(huán)境的硬件部分主要由光照模塊、成像模塊、信號傳輸模塊以及計算機分析模塊等設(shè)備組成。計算機分析模塊采用Dell計算機為主測計算機，該設(shè)備的CPU為E3-1230 V2@3.30Hz，安裝內(nèi)存16.0GB，能夠滿足機器視覺技術(shù)對圖像數(shù)據(jù)的動態(tài)處理要求。交換機設(shè)備用來實現(xiàn)實時測量信號的傳輸，采用S1700-8G-AC千兆交換機和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，保證傳輸距離大于20m。另外，實驗準(zhǔn)備的相機和鏡頭設(shè)備參數(shù)（如表1所示）：

表1 相機和鏡頭參數(shù)設(shè)置表

考慮到地面位移形變圖像采樣時間過長可能會引發(fā)相機處理數(shù)據(jù)量過大的問題，因此，設(shè)置相機的連續(xù)采樣時長為60s。實驗軟件環(huán)境方面采用labview與matlab混合編程模式，將位移形變測量方法的運行分為采集、處理和輸出3個部分，實驗開發(fā)的軟件運行界面（如圖5所示）：

圖5 地面位移形變運行界面

2.3 設(shè)置地面形變標(biāo)準(zhǔn)位移量

在測繪工程研究環(huán)境下，設(shè)置多個測量點，并對多個測量點設(shè)置位移形變量，以此作為測量精度的對比標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)位移量的設(shè)置情況（如表2所示）。

表2 地面形變標(biāo)準(zhǔn)位移量設(shè)置表

2.4 描述現(xiàn)場實驗測試過程

為了形成實驗對比，實驗設(shè)置了傳統(tǒng)的位移形變測量方法和基于SBAS技術(shù)的形變測量方法作為實驗的兩種對比方法，且兩種對比方法的運行環(huán)境和處理樣本均相同，保證實驗變量唯一。收集實時采集的研究地區(qū)圖像序列，并將其導(dǎo)入到主測計算機中，兩種對比方法無法調(diào)用機器視覺技術(shù)采集的圖像數(shù)據(jù)。經(jīng)過3種測量方法的運行與數(shù)據(jù)處理，得出測量結(jié)果（如圖6所示）：

圖6 地面位移形變測量輸出結(jié)果

設(shè)置實驗變量為地面位移形變測量誤差，誤差越小證明測量精度越高，反之，則說明測量精度越低。

2.5 測量精度測試結(jié)果分析

通過相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄與統(tǒng)計，得出量化測量結(jié)果，其中，設(shè)計測量方法得出的結(jié)果（如表3所示）：

表3 設(shè)計地面位移形變測量數(shù)據(jù)表

同理可以得出兩種對比方法的位移形變測量數(shù)據(jù)，將表3以及對比方法輸出的數(shù)據(jù)與表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，便可以得出測量誤差測試結(jié)果（如表4所示）：

表4 測量誤差數(shù)據(jù)表

從表4中可以直觀地看出：3種測量方法的平均誤差分別為0.97mm、0.36mm和0.06mm，由此可見：基于機器視覺的測繪工程地面位移形變測量方法的測量誤差更小，即測量精度更優(yōu)。

3.結(jié)束語

測繪工程作為地質(zhì)勘查工作中的重要環(huán)節(jié)，對于數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度有著較高的要求，通過機器視覺技術(shù)的應(yīng)用，不僅提供了地面位移形變的準(zhǔn)確測量結(jié)果，同時也降低了人員工作的難度。