基于位移阵的边坡单目识别方法与算法研究

摘要

边坡失稳滑塌是我国常见的地质灾害。滑坡一旦发生，往往会带来重大的生命财产损失，而成功降低滑坡灾害的关键和前提在于研究方便实用的动态检测方法。但现有的检测方法如GPS检测法、激光三维成像法、人工现场检测法、传感器法等都在不同程度上存在仪器昂贵、专业化程度高、检测成本高、内业工作量大等缺点。
　　本文研究基于位移阵的边坡单目识别方法对边坡位移进行检测，充分利用单台摄像机成像和数字图像分析技术的优势以寻求一种新的边坡检测方法。首先，它是一种非接触式、不受量程限制的检测方法，不伤及被测物，同时还能降低工作人员的危险。其次，它采集数据速度快、精度高、信息容量大、数据存储可靠、可重复使用。再次，可多点同时测量，动态反映边坡变形全貌。最后，单目检测成本低、工程实施应用方便、可不需要后期维护。
　　基于位移阵的边坡单目识别方法以单台摄像机的成像信息重构目标的空间坐标，需要人工设置由标识体构建的位移场，采用图像处理和识别技术获取位移场中标识体的参数，其核心是标识体阵列空间坐标的获取，一般先对标识体进行识别，得到标识体的平面投影参数，然后以三维重构方法和相关知识计算对应的空间参数，得到标识体阵列的空间数据。围绕这条思路本文主要就以下几个方面开展了研究工作:
　　①基于特征检测的边坡位移场设计
　　边坡位移场的设计包括边坡位移标识体的大小、形状、颜色、材质等设计，位移场中标识体的布设形式的设计，观测场的合理选取以及坐标系统的建立。考虑标识体的有效识别、标识体特征参数的有效检测以及标识深度信息的恢复，本文以红色圆形标识体作为观测标识，以M×N阵列的形式布设于边坡表面构建位移场;另外在边坡表面不易变化的地方布设两个同样大小的红色圆形标识体作为定位标识，用于坐标系的自动建立，构建解算模型并提供解算参数。
　　②基于颜色和形状的标识体有效识别以及标识体特征参数的检测
　　在标识体的有效识别方面，本文设计基于颜色和标识体形状的二次识别模型对标识体进行有效识别，首先利用RGB颜色空间和HSI颜色空间的变换关系以及红色在HSI颜色模型中的分布规律，在H域内对图像进行处理实现标识体的初次识别;然后对所得到的图像进行形态学滤波降低关照等因素的影响，进而运用Canny算子进行边缘检测;最后采用混合圆/椭圆检测算法进行标识体的形状识别，完成标识体的二次识别。
　　在标识体特征参数的检测方面，本文设计内旋扫描法，检测标识的特征参数（面积和质心坐标），开发一种外旋扫描法对发生旋转或破裂情况的标识完成特征参数检测。
　　③三维解算算法的设计
　　本文利用针孔投影模型以及定位标识和观测标识之间的关系，推算出物体图像面积的平方根和深度值成反比的结论，结合定位标识提供的已知参数信息，计算出各个标识的深度信息;然后利用图像中两点之间的像素位移和这两点对应的实际位移始终保持正比关系，建立观测标识到两定位标识和两定位标识之间的距离比例关系，解算出观测标识到两定位标识的距离，最后采用三点定标原理计算出标识三维空间坐标。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 图像检测法的研究现状

1．2．1 位移场的设计

1．2．2 目标对象特征参数的检测

1．2．3 单目视觉目标定位

1．3 本文研究目的与主要研究内容

1．3．1 本文研究目的

1．3．2 本文研究的主要内容

1．4 主要创新点与研究意义

1．4．1 本文主要创新点

1．4．2 本文研究的意义

第二章 边坡位移检测相关数字图像处理知识

2．1 引言

2．2 数字图像的基本概念

2．2．1 图像类别

2．2．2 数字图像的描述

2．2．3 数字图像的分辨率

2．2．4 像素的邻接性

2．3 数字图像分析技术理论与方法

2．3．1 图像分析的基本内容

2．3．2 图像滤波

2．3．3 基于颜色特征的感兴趣区域确定

2．3．4 边缘检测与图像分割

2．3．5 目标对象的几何特征提取

2．4 本章小结

第三章 边坡位移单目检测法

3．1 引言

3．2 单目边坡位移检测法的适用性讨论

3．3 单目边坡位移检测方法的基本原理

3．4 标识体的设计

3．4．1 标识体的分类

3．4．2 标识体的设计原则

3．4．3 标识体的颜色设计

3．4．4 标识体的大小设计

3．4．5 标识体的形状设计

3．5 边坡位移场的构建

3．6 边坡位移单目检测的观测场布置和坐标系建立

3．7 本章小结

第四章 标识体的识别和特征参数的检测

4．1 引言

4．2 识别模型的建立

4．2．1 标识体颜色判别

4．2．2 标识体边缘检测

4．2．3 标识体形状判别

4．3 标识体特征参数检测

4．3．1 内旋法

4．3．2 内旋法检测结果

4．3．3 外旋法

4．4 本章小结

第五章 空间参数测算和位移变化判别方法研究

5．1 引言

5．2 摄像机成像几何模型

5．2．1 相关约定

5．2．2 相关坐标系及其之间的关系

5．2．3 针孔模型

5．3 单应矩阵和标识体基准平面坐标测算

5．3．1 投影关系

5．3．2 自由网平差

5．3．3 标识体基准平面坐标初值的确定

5．3．4 单应矩阵的求解和观测标识基准平面坐标的求解

5．4 三维解算

5．4．1 观测标识体到摄像机光心的距离计算

5．4．2 观测标识体到定位标识的距离计算

5．4．3 观测标识体三维空间坐标计算

5．5 空间参数测算仿真实验

5．5．1 单应矩阵和观测标识的基准平面坐标

5．5．2 三维解算实验结果

5．6 本章小节

第六章 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

附录

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果