基于數字圖像處理的邊坡落石識別算法研究

簡云瑞++肖碩

摘 要：邊坡安全問題影響巨大，不但關乎著人們的財產生命以及交通安全，而且還涉及國家經濟利益。該文采用圖像識別技術來分析攝取的數字圖像，該技術可以測量與監測數字圖像當中的具體目標，并測量目標的位移，相比較以往的位移檢測技術而言，該技術擁有安全可靠、使用成本低、快速等特點。

關鍵詞：圖像處理 邊坡落石 移動識別

中圖分類號：P642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（b）-0088-02

在一些地區，受當地地質構造不穩定的影響，常常在邊坡等位置由于地質的改變而引發垮塌、山體滑坡等自然災害，對人們的出行安全以及財產生命安全造成了極大影響，因而有關部門亟需提高對潛在安全隱患的邊坡監測力度，在盡可能早的時間內檢測出危險，避免人員和生命財產的損失。有關部門在加大對地質自然災害治理投入的同時，加大監測地質自然災害同樣有非常重要的意義。然而當前在邊坡安全檢測領域內缺少有效的技術和檢測工具，現有的技術無法迎合目前的現實要求。以往的檢測技術都必須給定一個固定的并且已知三維坐標與數字圖像當中坐標的參照物，與該技術相區別的是，該文所闡述的方法不用事先提供這些坐標信息，而是利用獲取到的圖像當中對應點的相關信息，進而通過數字圖像來檢測邊坡的巖石崩落，這種方法擁有魯棒性好、計算簡單等特點。

1 現有邊坡監測技術分析

目前收集巖石崩落數據信息的技術主要有以下4種：人工觀測測量方法、數字圖像、邊坡雷達、GPS技術測量。

（1）傳統的人工觀測測量法，這種方法需要預先在邊坡的表面選取觀測的目標，之后由測量人員用專業的測量儀器來測量目標的位移信息。將觀測墩建于邊坡的表面，用專門的光學測量儀器測量邊坡表面的絕對位移，其中的基點從測控網中獲得。顯然，工作效率過低是這種傳統的測量方法最大的缺點，不適應目前環境的需求。

（2）GPS測量技術，這種方法的原理是首先將GPS固定天線設置在邊坡各個監測點，同時在邊坡以外的某個穩定的地區安裝GPS接收機，之后接收至少3顆衛星的坐標數據，接收機的坐標位置就可以通過三點坐標的三維空間定位的原理來求得，然而GPS監測點需要定時向衛星發送數據，這種監測設備造價高昂并且設備維護的費用同樣較高，而且這種設備的組織也比較復雜。

（3）邊坡雷達，這種方法可以順著邊坡的表面同時不需要和邊坡產生任何形式的接觸，進行持續的、精度在毫米級的精確測量。由此可以實時監測邊坡并且可以及時預測潛在的滑坡事故，但是這種方法的缺點是其閾值較大，往往需要當邊坡產生超過60 m2的崩落時才會發出警報，顯然這種方法對于坡度較大的邊坡并不合適，而且邊坡雷達的造價較高，無法大范圍推廣。

（4）數字圖像測量方法，這種方法會自動采樣觀測目標的數據信息，同時自動識別與測量采樣得到的數字圖像，通過設備的計算之后判斷何時發出報警。采用數字圖像測量方法可以監測那些人員無法到達的地勢較陡的危險邊坡，不僅需要的工作量比較小，而且能夠及時獲得所需數據。

采用數字圖像技術來監測邊坡位移，設備可以在任何時候調用拍得的數字圖像，并且可以完全保證邊坡崩滑體在速變、劇變時期的精度需求，可以為人員提供最大可能的安全保障，而且操作不復雜，該文將采用數字圖像測量技術來監測邊坡位移。

2 基于數字圖像處理技術的邊坡落石識別算法

2.1 圖像預處理算法

拍攝的邊坡數字圖像中往往存在噪聲比較多，圖像中實體特征不清晰等原因，并且由于氣流、光學系統失真、相對運動以及圖像在進行傳輸過程中受到噪聲污染等影響，因此需要預先將獲取的邊坡圖像進行處理，從而增強源圖像，以便在后期利用過程中獲得目標特征，具體需要做的工作是消除源圖像中的噪聲，同時提高目標在源圖像中的能量，也就是在圖像中凸顯檢測目標在圖像中的主要特點，以便在后期處理時設備能夠明顯地將檢測目標的邊緣分割并且提取出來，即使這種技術不能消除圖像中的所有噪聲，但是經過預處理的圖像還是能夠將檢測目標的各類特征提取出來。

圖像預處理技術主要包含圖像濾波、變換、恢復、平滑以及增強等處理數字圖像的功能模塊，常采用圖像壓縮、圖像平滑、圖像去噪、圖像灰度化以及圖像二值化等方法，這些方法在具體應用時則是根據圖像識別系統的需求。

2.2 移動落石發現算法

圖像二維空間和現實三維空間之間的相互對應關系可以采用圖像處理算法來確定，該文采用的是Hi3515算法，用來記錄邊坡的位移情況，Hi3515算法將宏塊作為最小的單位來為設備提供移動監測的功能，能夠計算圖像中確定的宏塊在一定時間間隔內的運動向量以及亮度的變化。這種方法的原理是在連續的2個或者3個連續的相鄰幀間，利用以像素的時間差分和閾值的具體變化來獲取數字圖像當中的運動范圍，而時間差分運動檢測方法能夠很好的和動態環境相適應。具體的流程如圖1所示。

首先，算法獲取相鄰的兩幀數字圖像，以圖像的像素灰度值為基礎來對圖像進行處理。前后兩幀圖像以像素灰度值為基礎，用3×3大小的灰度圖像塊來相減得到差值，將所得到的取值和灰度門限相比較，這樣就可以得到這兩幀圖像的差值圖像。然后再處理差值圖像，去除例如鏡頭移動、光線的變化等干擾因素帶來的影響。之后再補償處理過后的圖像，還原在源圖像中運動圖像的本來特征。從差分圖像中獲得的運動范圍既包含監測目標部分，同時也包括目標因運動而使得背景改變的部分。

在對差分圖像進行第一次掃描之后，需要再進行一次掃描，這樣做的目的是消除過多的背景有改變的部分，同時將在差分圖像中因檢測目標重疊而去掉的被目標遮蓋的部分恢復，從而獲得真正的目標實體。目標在運動圖像中并不是靜止的，利用這種特點，可以通過照片背景和前景的改變，將目標的搜索范圍進一步確定在運動變化范圍，這樣可以有效降低在目標檢測和識別中復雜背景的影響。

在確定目標運動變化范圍之后，在范圍內，計算前后兩幀圖像當中相同位置像素和的平均值，同時加上一定大小的置域度，將所得值視為圖像當中一行的像素掃描門限，這樣就可以更精確地獲得各行的灰度信息。在運動檢測過程中確定的運動變化范圍作為掃描的參考空間，將每一行的像素平均值加上一定大小的置域度作為灰度門限，之后再第二次掃描原始的第x幀圖像對應運動范圍，從而可以得到更加精確的巖石運動圖像。

3 結語

該文的研究內容為邊坡災害預警系統提供了一定的研究價值，文中提及的數字圖像測量技術具有準確性高、操作簡單、成本較低，無需人員接觸以及可以反映邊坡動態變化等優點，在邊坡安全檢測中有廣泛的用途，具有很高的現實利用價值和社會效益；另一方面也為推進巖土力學、環境地質和預警理論學科的進步做出了一定的貢獻。

參考文獻

[1] 羅仁立，劉學增.基于數字照相技術的邊坡變形自動化監測技術研究[J].石家莊鐵道大學學報：自然科學版，2011，24（3）：69-74.

[2] 任偉中，寇新建，凌浩美.數字化近景攝影測量在模型試驗變形測量中的應用[J].巖石力學與工程學報， 2004，23（3）：436-440.

[3] 周擁軍，寇新建，任偉中.數字近景攝影在模型試驗平面位移場測量中的應用[J].勘察科學技術，2004（5）：26-30.