本發(fā)明涉及地質(zhì)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別與一種智能視覺的三維地質(zhì)滑動(dòng)崩塌實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)及其方法有關(guān)。

背景技術(shù)：

近10年是新中國成立以來自然災(zāi)害最為嚴(yán)重的時(shí)期之一，汶川特大地震、玉樹強(qiáng)烈地震、舟曲特大山洪泥石流等重大災(zāi)害接連發(fā)生，嚴(yán)重洪澇、干旱和地質(zhì)災(zāi)害以及臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害多發(fā)并發(fā)，給經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來嚴(yán)重影響。尤為今年8月份，陜西山陽特大山體滑坡造成幾十人失蹤和重大財(cái)產(chǎn)損失，悲劇觸目驚心。

世界銀行評估全球有一半人口暴露在天然災(zāi)害的威脅下，而我國也是世界上最容易受到天災(zāi)的國家之一。特別是跟福建地理風(fēng)貌極為相似的多個(gè)省區(qū)，地形多山多丘陵，且地質(zhì)條件特殊，如果發(fā)生臺(tái)風(fēng)、暴雨與地震，容易導(dǎo)致土質(zhì)松動(dòng)和裸露地崩塌等現(xiàn)象。例如2006年的“桑美”、2009年的“莫拉克”和2013年的“天兔”臺(tái)風(fēng)挾帶巨大雨量侵襲我國東部多個(gè)省份，引發(fā)了山崩、地質(zhì)滑動(dòng)和泥石流等嚴(yán)重災(zāi)害。還有一些地方由于地震遺存、山地形勢陡峭、河流陡急等因素，每逢臺(tái)風(fēng)季節(jié)所帶來的集中性暴雨，常引發(fā)大規(guī)模落石、泥石流或地質(zhì)滑動(dòng)等邊坡崩塌災(zāi)害，造成房屋及橋梁毀損、道路中斷，人員傷亡并使救災(zāi)受阻等，嚴(yán)重危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全、地區(qū)交通運(yùn)輸及產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

近幾年，由于國家大規(guī)模道路交通運(yùn)輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如高速公路、高速鐵路、工業(yè)民用建筑等的建設(shè)，土木工程和大地工程大多集中在山坡地的開發(fā)，形成的住宅區(qū)和交通線路系統(tǒng)，往往以貫穿山坡地為主要形式，這種形式在福建很多城市和縣城尤為常見。然而國內(nèi)的公路、鐵路系統(tǒng)，大型工業(yè)民用建筑、礦區(qū)，不論是山區(qū)或是丘陵地都經(jīng)常會(huì)發(fā)生邊坡滑動(dòng)、塌方落石和泥石流等問題。為了解決這些問題，多半使用補(bǔ)強(qiáng)方式在房屋或道路邊坡構(gòu)筑混凝土護(hù)墻、攔石柵欄、派遣專員等，這種方式傳統(tǒng)落后，危險(xiǎn)性高，因此本發(fā)明人著眼于次，經(jīng)過理論和實(shí)地的驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出一種智能視覺的三維地質(zhì)滑動(dòng)崩塌實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)及其方法，本案由此產(chǎn)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供智能視覺的三維地質(zhì)滑動(dòng)崩塌實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)及其方法，本系統(tǒng)中只需單一攝像頭模塊及三個(gè)成直角的led標(biāo)定點(diǎn)，不需要圖像識(shí)別，只需前后所得到圖像做比對，即可推算三維地質(zhì)滑動(dòng)位移量，極大簡化運(yùn)算復(fù)雜度，所以不必使用高速微機(jī)或dsp芯片，系統(tǒng)架構(gòu)簡單，成本和耗電量低。配合太陽能供電和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，可提供遠(yuǎn)端處理、預(yù)判和監(jiān)測警示，形成一個(gè)全自動(dòng)、全天候的長期自動(dòng)化地質(zhì)滑動(dòng)崩塌監(jiān)測系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

智能視覺的三維地質(zhì)滑動(dòng)崩塌實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，在監(jiān)測區(qū)設(shè)置可發(fā)光的標(biāo)定板做遠(yuǎn)距離投射，在穩(wěn)定場點(diǎn)架設(shè)帶有mcu模塊的攝像機(jī)，攝像機(jī)完成遠(yuǎn)距離投射三個(gè)光點(diǎn)的圖像提取，監(jiān)測到三點(diǎn)的位移變化，經(jīng)由mcu運(yùn)算后，由rs485與zigbee傳輸接口將監(jiān)測結(jié)果回傳至遠(yuǎn)程終端。

所述的遠(yuǎn)程終端系統(tǒng)接收并存取監(jiān)測端點(diǎn)的數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)上傳至網(wǎng)頁實(shí)時(shí)查詢接口。

所述的標(biāo)定板發(fā)光源采用led燈。

所述的一塊標(biāo)定板上設(shè)置9個(gè)led燈，以3列3行方式布設(shè)。

智能視覺的三維地質(zhì)滑動(dòng)崩塌實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，通過穩(wěn)定場點(diǎn)架設(shè)的攝像機(jī)提取監(jiān)測區(qū)標(biāo)定板上的三個(gè)光點(diǎn)圖形數(shù)據(jù)，經(jīng)過mcu運(yùn)算后，三個(gè)光點(diǎn)位移數(shù)據(jù)由rs485與zigbee傳輸接口將監(jiān)測結(jié)果回傳至遠(yuǎn)程終端。

所述的mcu運(yùn)算方式采用直角三點(diǎn)標(biāo)定法，在標(biāo)定板上布設(shè)多個(gè)亮點(diǎn)，多個(gè)亮點(diǎn)形成不少于兩個(gè)直角三角形。

所述的直角三點(diǎn)標(biāo)定法中，利用三點(diǎn)形成的世界坐標(biāo)系，直角頂點(diǎn)為世界坐標(biāo)的原點(diǎn)，三點(diǎn)在世界坐標(biāo)的位置分別為a(0,0,0)、b(xwb,0,0)、c(0,ywc,0)。令a、b、c為a、b、c三點(diǎn)的圖像，它們在圖像坐標(biāo)的位置分別為：(xa0,ya0)、(xb0,yb0)、(xc0,yc0)，依針孔成像理論，假設(shè)在成像面上a點(diǎn)不動(dòng)，b與c沿光線分別移動(dòng)至b1和c1，zc方向的移動(dòng)量分別為：zb1和zc1，使ab1與ac1分別平行ab與ac，所以△ab1c1與△abc相似且平行，則b1和c1的圖像坐標(biāo)為：

因?yàn)閍b1⊥ac1，所以

(xb1-xa0)(xc1-xa0)+(yb1-ya0)(yc1-ya0)+zb1zc1＝0(2)

又δab1c1與δabc相似，可得

因此

將(1)式代至(2)式與(4)式，解非線性聯(lián)立方程式zb1和zc1的解，刪除其中的復(fù)數(shù)解及不適合的解，即可求得適合的zb1和zc1解。

由于δab1c1與δabc相似的特性，很容易可得到a、b、c三點(diǎn)在攝影機(jī)坐標(biāo)系的位置，分別為

xca＝pxa0＝txyca＝pya0＝tyzca＝pf＝tz

xcb＝pxb1ycb＝pyb1zcb＝p(f+zb1)

xcc＝pxc1ycc＝pyc1zcc＝p(f+zb1)

其中p為δab1c1與δabc相似三角形的比例，xca、yca、zca即是相機(jī)參數(shù)中的平移向量t(tx,ty,tz)也是我們所要求的位移量。

經(jīng)由直角三點(diǎn)的方法可求得第一張標(biāo)定板的位移向量為：

t＝[txtytz]

以及第二張照片標(biāo)定板的位移向量為：

t1＝[tx1ty1tz1]

因此我們可求得地質(zhì)滑動(dòng)的位移量

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的具有如下有益效果：

(1)系統(tǒng)具有非接觸式智能圖像自動(dòng)監(jiān)測功能，結(jié)構(gòu)簡單易安裝，成本和耗電量低，原始圖像單一簡潔(led亮點(diǎn))，計(jì)算速度快精度高，攝影機(jī)模塊和led標(biāo)定板可同時(shí)多套設(shè)置，配合mcu與zigbee技術(shù)達(dá)成全范圍具無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牡刭|(zhì)災(zāi)害自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。

(2)系統(tǒng)以簡單的公式，快速計(jì)算崩塌滑動(dòng)位移量(包括水平與垂直)的大小及方向，數(shù)據(jù)量少，類型單一，不需傳輸圖像大數(shù)據(jù)量，配合太陽能供電，很適合無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，可快速為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)實(shí)施預(yù)警通報(bào)。

(3)led標(biāo)定板處于監(jiān)測區(qū)，其微小的移動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致投射點(diǎn)較大幅度的移動(dòng)，具有放大效應(yīng)，更利于監(jiān)測計(jì)算；并且由于led亮點(diǎn)不受天氣及地形影響，無論在陰晴雨霧哪種天候下，都比周圍光線強(qiáng)，特別是夜間無法看到周圍景物，投射的亮點(diǎn)更因背景變暗而更容易分辨。

附圖說明

圖1為本發(fā)明較佳實(shí)施例中系統(tǒng)架構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例中定標(biāo)和攝像機(jī)架設(shè)剖面示意圖；

圖3為本發(fā)明較佳實(shí)施例中定標(biāo)和攝像機(jī)架設(shè)俯視示意圖；

圖4為本發(fā)明較佳實(shí)施例中三點(diǎn)成像示意圖；

圖5為本發(fā)明較佳實(shí)施例中產(chǎn)生地質(zhì)滑動(dòng)位移示意圖。

具體實(shí)施方式

參見圖1至圖5，對本發(fā)明較佳實(shí)施例做進(jìn)一步闡述。

本發(fā)明中開發(fā)一套非接觸智能圖像地質(zhì)滑動(dòng)崩塌監(jiān)測系統(tǒng)，并非是以圖像識(shí)別技術(shù)，而是以前后所得到圖像的比對，快速計(jì)算地質(zhì)滑動(dòng)位移量。

系統(tǒng)中主要涉及到的設(shè)備包括標(biāo)定板1、攝像機(jī)2、遠(yuǎn)程終端3。在標(biāo)定板1上布設(shè)led光點(diǎn)，本實(shí)施例中以9個(gè)點(diǎn)為例，以3行3列矩陣布置。標(biāo)定板1設(shè)置在監(jiān)測區(qū)，也就是可能會(huì)產(chǎn)生位移的動(dòng)點(diǎn)地帶。在監(jiān)測區(qū)附近的穩(wěn)定場點(diǎn)設(shè)置架設(shè)攝像機(jī)2，攝像機(jī)2上配有一個(gè)mcu(microcontrolunit，微控制單位)，攝像機(jī)2上的提取的數(shù)據(jù)通過mcu運(yùn)算后，經(jīng)過rs485與zigbee傳輸至遠(yuǎn)程終端3。

本實(shí)施例采用“直角三點(diǎn)標(biāo)定法”，外部參數(shù)標(biāo)定簡便快速，極大簡化標(biāo)定時(shí)所需的已知條件，直接從攝影機(jī)模塊的監(jiān)視畫面計(jì)算讀取地質(zhì)滑動(dòng)的位移量。本實(shí)施例中在標(biāo)定板1上設(shè)定的9個(gè)led光點(diǎn)，可以構(gòu)成多個(gè)直角三角形，采用其中任意一個(gè)直角三角形作為三個(gè)控制點(diǎn)即可計(jì)算。這樣不用對圖像進(jìn)行識(shí)別，只需比對經(jīng)由直角三點(diǎn)的方法求得第一張標(biāo)定板的位移矢量，以及第二張照片標(biāo)定板的位移矢量，便可求得地質(zhì)滑動(dòng)的三軸位移量。

利用三點(diǎn)形成的世界坐標(biāo)系，直角頂點(diǎn)為世界坐標(biāo)的原點(diǎn)，三點(diǎn)在世界坐標(biāo)的位置分別為a(0,0,0)、b(xwb,0,0)、c(0,ywc,0)。令a、b、c為a、b、c三點(diǎn)的圖像，它們在圖像坐標(biāo)的位置分別為：(xa0,ya0)、(xb0,yb0)、(xc0,yc0)，如圖4所示。

依針孔成像理論，假設(shè)在成像面上a點(diǎn)不動(dòng)，b與c沿光線分別移動(dòng)至b1和c1，zc方向的移動(dòng)量分別為：zb1和zc1，使ab1與ac1分別平行ab與ac，所以△ab1c1與△abc相似且平行，則b1和c1的圖像坐標(biāo)為：

因?yàn)閍b1⊥ac1，所以

(xb1-xa0)(xc1-xa0)+(yb1-ya0)(yc1-ya0)+zb1zc1＝0(2)

又δab1c1與δabc相似，可得

因此

將(1)式代至(2)式與(4)式，解非線性聯(lián)立方程式zb1和zc1的解，刪除其中的復(fù)數(shù)解及不適合的解，即可求得適合的zb1和zc1解。

由于δab1c1與δabc相似的特性，很容易可得到a、b、c三點(diǎn)在攝影機(jī)坐標(biāo)系的位置，分別為

xca＝pxa0＝txyca＝pya0＝tyzca＝pf＝tz

xcb＝pxb1ycb＝pyb1zcb＝p(f+zb1)

xcc＝pxc1ycc＝pyc1zcc＝p(f+zb1)

其中p為δab1c1與δabc相似三角形的比例，xca、yca、zca即是相機(jī)參數(shù)中的平移向量t(tx,ty,tz)也是我們所要求的位移量。

經(jīng)由直角三點(diǎn)的方法可求得第一張標(biāo)定板的位移向量為：

t＝[txtytz]

以及第二張照片標(biāo)定板的位移向量為：

t1＝[tx1ty1tz1]

因此我們可求得地質(zhì)滑動(dòng)的位移量，如圖5所示。

δt＝[δtxδtyδtz]

＝[(tx1-tx)(ty1-ty)(tz1-tz)]

本發(fā)明不必使用高速微機(jī)或dsp芯片，系統(tǒng)成本和耗電量低，架構(gòu)簡單。采用“直角三點(diǎn)標(biāo)定法”，外部參數(shù)標(biāo)定簡便快速，極大簡化標(biāo)定時(shí)所需的已知條件，直接從攝影機(jī)模塊的監(jiān)視畫面計(jì)算讀取地質(zhì)滑動(dòng)的位移量。并且標(biāo)定點(diǎn)是由led構(gòu)成，不受天氣狀況制約，配合太陽能供電和無線zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸，最終匯集到公共4g網(wǎng)絡(luò)便可形成一套新穎全天候自動(dòng)化地質(zhì)滑動(dòng)崩塌監(jiān)測系統(tǒng)。

以上是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式，若其他發(fā)明人在本發(fā)明構(gòu)思前提下所做出若干簡單替換和改動(dòng)，都應(yīng)當(dāng)視為落入到本發(fā)明的保護(hù)范疇。