基于圖像處理的防波堤結構安全監測技術初探

劉 亮，王 平，邢建春，孫 亮

(中國人民解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

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基于圖像處理的防波堤結構安全監測技術初探

劉 亮，王 平，邢建春，孫 亮

(中國人民解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

通過對防波堤結構損傷機理的分析，提出一種基于圖像處理的防波堤結構安全監測方案。方案首先根據防波堤斜坡護面塊體的設計安裝情況選點定位設編碼號牌；繼而利用無人航行器掛載水下攝像機沿預先設定好的路線航行，獲取防波堤斜坡面的圖像信息；通過圖像校正、位移檢測、圖像測量等技術，檢測出防波堤護面塊體的位移情況；最后，依據形變嚴重程度，及時采取相應措施進行修復，確保防波堤處于正常的運行狀態。

防波堤；結構安全監測；圖像校正；位移檢測；圖像測量

0 引言

防波堤是為保護港口水域不受波浪入侵、圍護港池、維持水面平穩而修建的水工建筑物，是國防工程的重要組成部分[1]。由于防波堤工作環境比較惡劣，易受到氣象、水文、泥沙運動等因素的影響，長期以來對防波堤(斷面示意圖如圖1所示)結構安全監測的研究進展相對比較緩慢[2]。雖然近幾十年來，在防波堤結構優化、設計施工等方面取得了很大的進步[3]，但對防波堤結構安全監測還少有系統性的研究[4]，現有的監測手段主要依靠潛水員定期巡視的方式進行。

圖1 防波堤斷面示意圖

近年來，隨著港口建設規模的不斷擴大，防波堤建設開始向深海水域發展，其安全狀況也越來越受到人們的關注[5]。尤其是軍事工程，其將直接影響到戰備訓練任務的完成[6]。因此，尋找一種有效可行的防波堤結構安全監測方案，在防波堤坍塌事故發生之前，對防波堤進行安全可靠的保護，成為國內外研究的重要課題。

1 防波堤安全監測技術方案

本文針對目前的防波堤結構安全監測方法比較粗放、監測范圍有限等缺點[7]，提出了一種基于圖像處理的防波堤結構安全監測方案，并擬定技術方案如圖2所示。

圖2 技術方案

方案首先根據防波堤斜坡護面塊體的設計安裝情況選點定位設置編碼號牌；繼而利用無人航行器掛載水下攝像機沿預先設定好的路線航行，獲取防波堤斜坡面的圖像信息；通過圖像校正、位移檢測、圖像測量等技術，檢測出防波堤護面塊體的位移情況；最后，依據損傷嚴重程度，及時采取相應措施進行修復，確保防波堤處于正常的運行狀態。

1.1 選點編碼

首先通過圖像編碼技術對防波堤斜坡護面塊體進行選點定位編碼，根據防波堤斜坡護面塊體設計安裝情況，依照胸墻自然分布從左往右按一定的密度隨機設置編碼牌(編碼示意圖如圖3所示)，即1號編碼牌、2號編碼牌、3號編碼牌……，并在防波堤斜坡面上設置若干相互距離已知的基準點編碼牌，即A-B段、B-C段、B-D段、D-E段、D-F段……，編碼牌采用磷鎂發光不銹鋼牌，水下射釘槍固定。

圖3 防波堤斜坡護面塊體編碼示意圖

按此方法對整個防波堤護面塊體選點定位編碼號牌。一來為無人航行器水下拍攝起到參照點的作用，且對防波堤的拍攝由過去的對斜坡面的拍攝轉換到對編碼牌的拍攝，編碼牌采用磷鎂發光不銹鋼牌，能夠將光線沿射進來的角度反射回發光處，水下拍攝時更加清晰；二來依據胸墻編號和編碼牌上的數字信息對防波堤護面塊體的位移監測起到定位的作用，且定位準確，解決了GPS衛星信號無法穿透水面的問題。

1.2 水下攝像

在編碼工作完成后，需利用無人航行器掛載水下攝像機[8]對防波堤斜坡面進行圖像數據采集，獲取大量的覆蓋完全并具有一定重疊度的數碼照片，無人航行器在水面以下3 m水域航行，工作環境比船舶攜帶成像設備在水面航行穩定。依據防波堤的實際走向，無人航行器預先設定好固定的航行路線，確保多次巡航時路徑一樣，且盡量確保攝像頭與防波堤斜坡面平行，方便后期的圖像處理，減少數據處理量，提高檢測效率。

1.3 圖像校正

由于成像系統受到拍攝角度、光線、折射等因素的影響，會使獲得的防波堤斜坡圖像產生幾何失真[9]。當對圖像作測量計算時，就要先對出現幾何失真的防波堤斜坡圖像進行校正(幾何校正示意圖如圖4所示)，以免影響測量分析的精度[10]。

圖4 幾何校正示意圖

為提高圖像校正的效率，先初步觀察，將嚴重失真變形的圖像剔除，對剩下的斜坡圖像通過圖像透視投影和雙線性插值實現圖像視角修正[11]，使圖像各部分與實物比例一致，并通過已知的基準點之間的間距與其對應的像素距離求得圖像像素解析度。并按此方法對整個防波堤所拍攝的圖像進行校正，最后通過圖像拼接，實現防波堤斜坡面圖像的整體繪制。

1.4 位移檢測與圖像測量

在圖像校正工作完成后，為方便圖像計算，去除干擾因素，將獲得的防波堤斜坡圖像進行圖像增強[12]，通過圖像灰度化、直方圖修正、濾波等算法弱化防波堤圖像的背景，將圖像中編碼牌和所設基準點號牌突顯出來。由此，防波堤斜坡面可看成由若干相互距離已知的基準點編碼牌和其他位置隨機設置的編碼牌構成，示意圖如圖5所示。可通過對編碼牌的位移檢測來監測防波堤護面塊體的走動情況，并將防波堤護面塊體在初始位置時的圖像，即編碼牌沒有發生走動的圖像作為原圖保存起來，方便后期的參照分析。

通過對防波堤護面塊體各種損傷情況的分析可知，常見的損傷情形有單個編碼牌的走動(如圖6所示)、多個編碼牌的走動(如圖7所示)、編碼牌的丟失(如圖8所示)、基準點的走動或丟失(如圖9所示)等。

在獲得圖像數據后，對編碼牌的位移檢測，擬通過對位移前后的圖像進行對比。可利用圖像特征點匹配或圖像相似度識別的方法進行位移檢測[13]，在前期參與導師課題的過程中，提出了一種基于區域灰度變化的自適應FAST角點檢測算法，可嘗試利用所提出的改進FAST角點檢測算法檢測編碼牌的走動。

從文獻[14]獲知，還可利用MATLAB將原圖和后期拍攝的圖片同時打開，然后將后期拍攝的圖片覆蓋原圖，在圖層面板上調整后期拍攝的圖片到合適的透明度，可通過圖像對比找出發生走動的編碼牌，從而確定護面塊體位移部位。

圖5 防波堤斜坡面等效示意圖

圖6 單個編碼牌走動

圖7 多個編碼牌走動

圖8 編碼牌丟失

圖9 基準點走動

在定位了護面塊體的位移部位之后，需要判斷位移的嚴重程度，通過圖像測量的方法計算出位移的大小，圖10給出了測距法計算示意圖。

圖10 測距法示意圖

假設7號編碼牌發生了移位，與它相鄰的基準點為B點和D點，在圖像中通過基準點B點和D點之間的像素距離d計算出7號點與基準點B的像素距離a，以此類推，計算出a’，b，b’，h，h’的長度，根據勾股定理(如圖11所示)計算出BT和BR之間的像素距離c和c’。利用直角梯形已知三條直角邊，求斜邊的方法，算出斜邊長度，再依據校正圖像時求得的像素解析度，從而求出編碼牌走動的實際距離。若出現了基準點自身發生走動的情形，則依據就近原則，選取相鄰的其他有效基準點作為計算參考點，再進行相應的距離計算。

圖11 勾股定理示意圖

此外，防波堤斜坡護面塊體的損壞是一個相對緩慢的過程，護面塊體小范圍的走動對防波堤的影響不大。因此，對防波堤結構安全的監測，除了日常的定期巡檢外，還應在臺風、海嘯等自然災害發生后進行加急巡檢，及時掌握防波堤的安全運行狀況。

2 結論

防波堤結構的損壞造成的各種隱患危害和經濟損失已經引起了人們的重視。本文在這一背景下，提出了一種基于圖像處理的防波堤結構安全監測方案，并對關鍵技術進行了初步探索分析，對防波堤結構運行狀況的監測研究具有一定的創新性和前瞻性意義。

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Study on safety monitoring technology of breakwaters based on image processing

Liu Liang, Wang Ping, Xing Jianchun, Sun Liang

(College of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

Based on the analysis of the damage of the breakwater structure, a safety monitoring scheme for the breakwater structure is proposed based on image processing. First of all, according to the design and installation of the breakwater slope protection block, it designs number plate; and then it uses unmanned aircraft mounted underwater camera along a pre-set route navigation, to access to breakwater data information; through image correction, displacement detection and image measurement technology, it detects the displacement of breakwater armor blocks; at last, according to the severity of injury, it takes appropriate measures timely to make sure the breakwater is in normal operation condition.

breakwater; structural safety monitoring; image correction; displacement measurement; image measurement

U656.3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.022

劉亮，王平，邢建春，等.基于圖像處理的防波堤結構安全監測技術初探[J].微型機與應用，2017,36(12)：75-77，83.

2016-11-30)

劉亮(1993-)，男，通信作者，碩士研究生，主要研究方向：計算機視覺和圖像處理。E-mail：18262281433@163.com。

王平(1970-)，男，碩士，教授，主要研究方向：國防工程智能化。

邢建春(1964-)，男，博士，教授，主要研究方向：計算機視覺和圖像處理、虛擬現實技術、智能控制。