基于物聯(lián)網(wǎng)的低成本測量標志實時監(jiān)測技術(shù)研究

詹艷春 吳志文 劉華光 唐國禮 劉天清 王亞偉

引用格式：詹艷春，吳志文，劉華光，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的低成本測量標志實時監(jiān)測技術(shù)研究[J].國土資源導刊，2023，20（04）：137-141.

Reference format：Zhan Yanchun，Wu Zhiwen，Liu Huaguang，et al.Research on real-time monitoring technology of low cost measuring markers based on internet of things[J].Land & Resources Herald，2023，20（04）：137-141.

摘? 要：提前預警和及時制止測量標志損毀行為是測量標志保護工作的重要內(nèi)容。本文基于物聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡、位移感知、視頻監(jiān)測和GIS空間技術(shù)及大數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代技術(shù)手段，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低成本測量標志監(jiān)測方案，對測量標志實時監(jiān)控和動態(tài)感知，及時預警潛在的破壞風險。試驗結(jié)果表明，通過集成太陽能供電、視頻監(jiān)控攝像、智能傳感器等設(shè)備，能夠有效提升測量標志事前監(jiān)管效率，及時發(fā)現(xiàn)可疑的破壞行為，同時成本低，可推廣，能夠提升測量標志保護的信息化、智能化和精細化管理水平。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；低成本；測量標志；實時監(jiān)測；攝影測量

中圖分類號：P208? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1672-5603（2023）01-137-05

Research on Real-time Monitoring Technology of Low Cost Measuring Markers Based on Internet of Things

Zhan Yanchun，Wu Zhiwen，Liu Huaguang，Tang Guoli，Liu Tianqing，Wang Yawei

（The First Surveying and Mapping Institute of Hunan Province，Changsha Hunan 410114）

Abstract：Early warning and timely prevention of damage to measurement markers are important contents of measurement marker protection work. This article proposes a lowcost monitoring scheme for measurement marker based on the Internet of Things， wireless networks， displacement sensing， video monitoring， GIS space technology， and big data analysis， among other modern technological means. It monitors and dynamically perceives the measurement markers in real-time， timely alerts potential damage risks. The experimental results show that by integrating solar power supply， video surveillance cameras， intelligent sensors and other equipment， the efficiency of presupervision of measurement markers can be effectively improved， and possible destructive behaviors can be detected in a timely manner. At the same time， the cost is low and can be promoted， which can enhance the level of information， intelligence， and fine management of measurement marker protection.

Keywords： Internet of Things; low cost; measurement markers; real time monitoring; photogrammetry

0 引言

測量標志是國家經(jīng)濟建設(shè)和科學研究的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。由于頻繁的人類活動和大量工程建設(shè)項目的推進，測量標志經(jīng)常受到人為破壞[2]。

目前，測量標志保護主要依靠人工定期或不定期的實地巡查[3]，保護效果受限于核查、維護頻率[4]。依靠人工手段耗時費力且效率不高，同時對測量標志的破壞行為難以及時發(fā)現(xiàn)和制止。隨著物聯(lián)網(wǎng)、4G/5G網(wǎng)絡、位移感知、紅外偵測、視頻監(jiān)測和GIS空間技術(shù)、云計算及大數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代技術(shù)手段[4]的不斷發(fā)展，如何以信息化、科技化方式介入測量標志巡查過程[5]，采取預見性措施發(fā)現(xiàn)可能破壞測量標志的行為，并及時予以制止，提升測量標志信息化、智能化和精細化管理水平，已成為現(xiàn)代測量標志保護亟須解決的問題。本文通過集成視頻監(jiān)控攝像、智能傳感器及太陽能供電等設(shè)備，建立軟硬一體化的低成本測量標志實時監(jiān)測管理系統(tǒng)，并在湖南省湘陰等地進行試驗。結(jié)果表明，本文方案能夠?qū)崟r監(jiān)控測量標志現(xiàn)狀變化，及時預警、輔助查處測量標志破壞行為，有效提高測量標志保護能力和管理水平，為測量標志的信息化管理提供了新的解決思路。

1 研究思路

1.1 基本原理

1.1.1 幀間差分法

幀間差分法是一種原理簡單，計算量較小的場景運動目標檢測方法。該方法通過攝像機拍攝獲取一幀一幀的連續(xù)圖像，對比識別出圖像發(fā)生變化的部分。在攝像機拍攝位置不變的前提下，當監(jiān)控場景中的目標發(fā)生變化后，位置產(chǎn)生了差異，攝像頭捕捉到的圖像不同，像素點數(shù)值也會發(fā)生變化，未發(fā)生位移變化的物體，它的像素點數(shù)值基本也不會發(fā)生變化。通過對時間上連續(xù)的兩幀圖像進行差分算法，不同幀對應的像素點相減，判斷灰度差異的絕對值的變化情況，當絕對值超過一定閾值時，即可判斷為目標發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對目標的監(jiān)測功能。

幀間差分法公式如下：

式中，[x，y]代表像素點坐標；[fnx，y]代表第[n]幀圖像；[fn?1x，y]代表第[n?1]幀圖像；差分結(jié)果為[Dnx，y]。如果差分結(jié)果大于閾值[T]，將該像素點指定成255白點，代表前景，否則指定為0，代表背景。最后得到的255白點前景部分即為圖像（目標）變化部分。需要注意的是，該方法依賴于選擇的幀間時間間隔，對快速運動的物體，需要選擇較小的時間間隔，而對慢速運動的物體，應該選擇較大的時間間隔。同時還需要輔以其他檢測算法（如背景差分法）以保證檢測的準確性、實時性。

1.1.2 背景差分法

通過算法對圖像的背景進行建模，獲取當前場景的背景模型，然后將實時獲取的圖像與所得的背景模型進行比較，根據(jù)比較結(jié)果可以確定前景圖像的大概位置，實現(xiàn)前景圖像與背景的分割。背景建?？梢暂^好地解決當運動物體處于低速或準靜止狀態(tài)時幀間差分無法識別的問題。

該方法需要解決的主要問題是背景建模，背景建模一般有平均時間背景模型、高斯背景模型、Vibe背景提取算法、Cookbook背景模型等。平均背景模型是最簡單的一種背景模型，通過求出多個背景圖像對應像素點的平均值，然后將待比較的圖像對應像素點與平均值比較，如果超過一定閾值則認為其為前景點，如果在一定閾值之內(nèi)，則認為其為背景點。算法的實現(xiàn)簡單，但對背景圖像的要求較高，背景圖像存在噪聲或干擾時則難以獲得準確的背景模型。高斯背景模型包括單高斯背景模型和混合高斯背景模型，前者將圖像中每一個像素點的顏色值看成是一個隨機過程，并假設(shè)該點的某一像素值出現(xiàn)的概率服從高斯分布，根據(jù)該點的高斯分布參數(shù)（均值和方差）判斷對應像素點是否為前景點或背景點。后者對其進行了擴展，通過多個高斯概率密度函數(shù)（一般為三到五個）的加權(quán)平均來平滑近似任意形狀的密度分布函數(shù)。

本文通過混合背景建模，首先建立背景模型[fb]，對于第[k]幀圖像[fk]，通過下式計算得到差分圖像，然后類似幀間差分法設(shè)定閾值得到二值圖像[Rkx，y]。對于小于閾值的點，則被判定為背景點，否則該點為運動目標點。

背景差分法配合幀間差分法可以較好地實現(xiàn)基于單目紅外攝像頭的運動目標監(jiān)測，進一步提高監(jiān)測算法的魯棒性。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)思路

1.2.1標志傾斜和垂直位移感知

采用陀螺姿態(tài)傳感器能夠感知標志傾斜和垂直位移。陀螺姿態(tài)傳感器采用高精度的陀螺加速度計MPU6050，如圖1所示。MPU6050是由三個陀螺儀和三個加速度傳感器組成的6軸運動組件，且自帶數(shù)字運動處理器，能夠提供姿態(tài)四元數(shù)。數(shù)字濾波技術(shù)（卡爾曼濾波）能夠有效降低測量噪聲，減少粗差干擾，提高測量的精度和穩(wěn)定性。通過該傳感器以20 Hz頻率持續(xù)采樣測量標志點的角度值，利用4G模組發(fā)送給管理系統(tǒng)進行位移計算和分析。

1.2.2異常情況感知

利用太陽能攝像頭模組解決戶外供電和視頻監(jiān)控及預警等問題，低功耗太陽能攝像頭模組如圖2所示。該模組無需額外供電，可實現(xiàn)24小時遠程監(jiān)控，具備實時和休眠喚醒兩種模式。采用低照度CMOS圖像傳感器和PIR人體紅外偵測技術(shù)，圖像變化識別準確率極高。對于監(jiān)控的異常情況，可通過管理系統(tǒng)實時向相關(guān)管理人員推送預警信息。且該模組支持雙向語音，管理人員收到預警信息后，可通過手機移動端遠程喊話警告。

1.2.3無線通信

上述模組獲得的影像和姿態(tài)數(shù)據(jù)可利用Air724UG 4G模組進行無線網(wǎng)絡通信上傳至管理系統(tǒng)，如圖3所示。Air724UG 4G模組具備豐富的網(wǎng)絡協(xié)議，支持多種驅(qū)動和軟件功能。Air724UG屬于超小封裝 LTE Cat.1 bis模塊，采用紫光展銳的UIS8910平臺，Air724UG支持LTE 3GPP Rel.13技術(shù)，支持VOLTE、SPI LCD、SPI Camera等多種開發(fā)方式。

2 技術(shù)方法

2.1技術(shù)流程

在測量標志內(nèi)部嵌入陀螺姿態(tài)傳感器，并在標志附近設(shè)置太陽能供電帶紅外偵測攝像頭。開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的低成本測量標志實時監(jiān)測系統(tǒng)，集成地圖展示、信息接收、統(tǒng)計分析、傳輸和發(fā)送消息、預警告知[6]等功能。陀螺姿態(tài)傳感器的角度值和太陽能攝像頭的視頻圖像等監(jiān)測信息實時通過Air724UG 4G模組上傳到控制中心，后臺管理系統(tǒng)實時對數(shù)據(jù)進行分析，判斷測量標志是否發(fā)生位移、沉降或開蓋，以及測量標志附近是否存在人類活動潛在破壞風險等異常情況。當出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)自動截取該段視頻推送至管理人員手機App，同時短信通知，提醒管理人員快速查看并甄別。管理人員核實并確認可能存在的測量標志破壞行為，通過攝像頭語音警告并制止，必要時通知屬地執(zhí)法部門介入。技術(shù)流程如圖4所示。

2.2 管理系統(tǒng)

2.2.1系統(tǒng)架構(gòu)

管理系統(tǒng)利用視頻監(jiān)控、位移感知、太陽能供電、無線傳輸和遠程通信控制等技術(shù)，實現(xiàn)對測量標志實時監(jiān)測、統(tǒng)計分析和預警，管理人員可對監(jiān)測設(shè)備進行遠程操控，實時查看各項監(jiān)測數(shù)據(jù)。管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

2.2.2 系統(tǒng)功能

管理系統(tǒng)具備實時分析功能，基于高精度圖像算法處理技術(shù)，比較分析攝像頭傳回的圖像，發(fā)現(xiàn)平面位移變化和異常情況，同時針對陀螺姿態(tài)傳感器實時傳回的角度值，過濾相同（未變化）角度數(shù)據(jù)，計算測量標志傾斜下沉幅度，綜合圖像和角度信息變化，判斷測量標志變化是否異常，并將變化信息發(fā)送給管理人員。系統(tǒng)還可自動檢查陀螺姿態(tài)傳感器與Air724UG 4G模組連接狀況、當前位置溫度和濕度、太陽能發(fā)電電壓、太陽能充電電流及電池電壓情況等，在線分析監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)是否異常。系統(tǒng)還具備趨勢分析功能，可對比同一標志點在連續(xù)多天同一時間段內(nèi)的累計形變量變化情況。

系統(tǒng)具備的其他功能包括實時（歷史）數(shù)據(jù)查看、報表導入導出、設(shè)備狀態(tài)、預警等。實時數(shù)據(jù)查看模塊展示監(jiān)測陀螺姿態(tài)傳感器的角度實時數(shù)據(jù)，查詢指定測項或測點的實時數(shù)據(jù)。實時曲線查看模塊展示標志位移變化測項的實時監(jiān)測曲線。歷史數(shù)據(jù)查看模塊展示指定測項或測點的歷史數(shù)據(jù)。累計形變曲線模塊展示某個監(jiān)測點在指定時間內(nèi)的累計形變曲線。監(jiān)測項初值信息模塊可查看、設(shè)置每個監(jiān)測項的各個監(jiān)測點對應的初值信息。報表導出模塊分為單個監(jiān)測點報表導出、監(jiān)測線數(shù)據(jù)報表（采集時間：同一條監(jiān)測線相同時刻的數(shù)據(jù)）和監(jiān)測線數(shù)據(jù)報表（監(jiān)測點：同一個監(jiān)測點不同時刻的數(shù)據(jù)）。報表導入模塊提供根據(jù)指定格式的數(shù)據(jù)導入。終端設(shè)備狀態(tài)模塊用于展示關(guān)聯(lián)設(shè)備終端的在線狀態(tài)。短信預警模塊將預警信息以短信方式發(fā)送到管理人員手機。預警閾值查看模塊用于設(shè)置、展示當前各個監(jiān)測線的預警閾值信息。

3 試驗與分析

3.1 技術(shù)驗證

利用本文方法在湘陰建立一座測量標志監(jiān)控設(shè)施，當有人進入監(jiān)控范圍，監(jiān)控攝像頭根據(jù)圖像變化，及時錄制視頻，并通過無線網(wǎng)絡將視頻傳至平臺系統(tǒng)控制中心，控制中心通過手機App即時發(fā)出預警消息，測量標志管理員收到預警信息后，核查現(xiàn)場視頻，判斷測量標志是否遭受破壞，并通過聯(lián)系當?shù)販y量標志管理部門和委托保管人，及時制止破壞行為。測量標志即時監(jiān)控視頻圖像如圖6所示。

3.2 建設(shè)成本

根據(jù)本文試點情況，監(jiān)測設(shè)施包括MPU6050陀螺姿態(tài)傳感器、Air724UG 4G模組、低功耗太陽能紅外攝像頭、監(jiān)控立桿等設(shè)備，設(shè)備材料費和安裝費約3 000～5 000元。后期維護成本較低，僅需支付每年固定流量費和5年更換一次蓄電池的費用。

測量標志重建代價非常大[7]。測量標志損毀后重建費用少則幾萬，多則數(shù)十萬。除標志選址埋石等基礎(chǔ)成本外，還需連測更高等級控制點，并進行平差計算，才能重新獲得精確的成果數(shù)據(jù)，恢復其效能。

4 結(jié)語

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的低成本測量標志實時監(jiān)測技術(shù)，能夠較好地解決難以及時發(fā)現(xiàn)測量標志損毀的問題，為測量標志管理部門提供執(zhí)法證據(jù)和決策依據(jù)，有利于提高測量標志的現(xiàn)代化、信息化、智能化管理水平。利用本文研究成果，針對重要或損毀風險較高的測量標志，建設(shè)實時監(jiān)測設(shè)施，可降低損毀概率，節(jié)省巡查、重建和維護的人力物力，性價比較高，適合大范圍推廣應用。

參考文獻/References

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