淺談基于雙目立體視覺的滑坡堆積體體積測量的研究意義

于歡 趙成強

摘 要：最近10年，我國平均每年都會發生地質災害16768起，造成的直接經濟損失達44.4億元，其中，滑坡發生率占到了66%。地質災害發生區由于復雜的地質條件、持續不斷的災情，我們急需一種能夠快速、準確、非接觸的測量方式，這對災害評估與災害防治至關重要。雙目立體視覺經過30多年的發展，具有方便、準確、快速的特點，完全能夠完成滑坡堆積體體積測量的任務。

關鍵詞：雙目立體視覺 滑坡堆積 體積測量

中圖分類號：U215.8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）02（a）-0111-02

在眾多地質災害中，滑坡成為了發生頻率最高的地質災害。就地質災害的危害性而言，滑坡給人類所帶來的災難性后果僅次于地震，它具有分布廣、發生頻率高、運動快、災害損失嚴重、預測難等特點。在我國，有70%的領域為山區，這就使得滑坡發生的密度大、類型齊全、爆發頻繁、規模巨大，危害非常嚴重[1]。特別是近20年以來，隨著城鎮化大規模發展，人類活動空間的范圍逐漸增大，人類工程活動對地質環境擾動程度的不斷加劇，加之受到全球極端氣候變化及地殼活動程度加劇等因素的影響，滑坡事件發生的頻率和強度均呈增長趨勢[2-3]。

頻繁發生的滑坡災害早已引起了國際社會的廣泛關注和重視，而面對如此嚴峻的災害形勢，防災減災能夠很好的降低滑坡災害所帶來的危害。在21世紀以前，滑坡災害主要是依據傳統地質成因機制和工程治理技術相結合的方法來達到防災減災的目的，但是隨著科學技術的發展，滑坡災害防治的手段不斷由地質學、工程治理向滑坡災害監測預警、風險評估與管理等方面綜合延伸和發展。其中，對滑坡堆積體進行有效準確的測量在防災減災中顯得尤為重要。因此，滑坡堆積體體積測量不僅是一個前沿性的研究課題，更是防災減災手段發展中所迫切需要解決的重要實際問題。

1 國內外現狀

20世紀80年代，美國的Marr教授在麻省理工學院人工智能實驗室從事研究工作。他首次提出了一個計算機視覺理論框架，它將神經生物學、圖像處理、心理物理學及臨床神經學等方面的成果通過信息處理的角度整合成了一個較為完善的理論體系。人們將這個理論框架稱為Marr視覺理論。之后，各國的研究人員根據他的思路不斷地添加補充完善他所提出的理論框架，形成了很多的分支，同時取得了大量的科研成果。其中，一個重要的分支就是雙目立體視覺。國內外許多的高校和科研院所都對它進行理論研究和應用開發，并被廣泛應用到災害防治、導航、探傷等領域。

當前，計算機視覺在美國、日本、歐洲等區域在雙目立體視覺領域的研究起步早、發展相對迅速，研究理論相對成熟。其中，具有代表性的應用實例有：希臘雅典國立技術大學提出了一種用于小物體三維表面測量的雙目機器視覺系統。它是一種新型的用于測量直徑小于1cm物體的系統，魯棒性好，誤差控制在0.04mm，應用于工藝品質控制、考古學和生物學。土耳其梅爾瓦那大學在牙科手術的正頜矯正中利用雙目立體視覺進行三維非接觸測量，該方法采用人工智能來提高準確性，測量誤差被最小化并保持在可接受的范圍內，今后可能被大量運用到易出錯率較高的人工測量領域。日本岡山大學研制了一種視覺反饋系統，該系統由立體顯微鏡、微操作器、CCD攝像頭等組成，主要應用于對細胞進行操作研究等。

相對全球來說，在機器視覺領域，中國的占比還不到10%。中國相對于歐美國家起步較晚，但是近幾年各個科研機構投入了大量財力和物力，在雙目立體視覺領域發展相當迅速，也取得了豐碩的成果。例如：維視公司利用CCD相機，實現了虛擬現實和三維重建技術等領域的應用。浙江大學采用針孔成像原理，利用雙目視覺實現了三維重建，并且精度高、速度快，在動態情況下也可以很好地測量。在火星863計劃課題中，采用機器視覺可以實現人體三維尺寸非接觸的測量，并且已經運用到了解放軍后勤部，人體數據采集小于5s/人，測量精度為1cm。北京理工大學提出了具有3D物體的精確周長測量的雙目立體視覺測量系統，它通過兩個CCD攝像機的雙目立體視覺測量系統采集圖像，在兩個CCD圖像中準確地收斂到物體的輪廓邊緣，最終三維重建檢測出3D物體的真實周長。大連理工大學提出了一種基于多視野視覺系統的大型物體的場測量方法，可以將從不同視圖獲取的大型物體的局部維數變換為相同的坐標系來完成物體整體尺寸的測量。我國正處于技術轉型期，國內對雙目視視覺的研究和使用剛剛處于起步階段，尚需大量研究、發展和應用[4]。

2 研究內容

查閱相關文獻資料，我們知道有很多的方法和手段來計算滑坡堆積體的體積。第一種方法，我們可以通過無人機或LIDAR（Light Detection and Ranging）等方式獲得滑坡地區在發生地質災害（如滑坡）前后的相關地形數據，通過分析對比這些相關地形數據，從而計算出堆積體的體積。第二種方法，通過建立一種基于物質平衡的體積估算模型，該模型通過堆積體投影面積和體積之間的關系，最終計算出整個堆積體的體積。第三種方法，利用三維激光掃描儀，實地測量滑坡堆積體的各項參數，建立幾何模型，達到計算堆積體體積的目的。就第一種而言，它只能針對小面積的滑坡測量需要，如果發生大面積的滑坡，地形測繪的花費將會相當昂貴，不具有廣泛性。第二種方法的適用范圍很廣，但是缺乏嚴謹的數學理論支撐，有待進一步發展完善。第三種方法需要采集大量數據信息，建立幾何模型也耗費很多時間，在實時性上有待提高。

根據野外實地測量條件的需要，針對滑坡堆積體體積計算的問題，本文擬采用計算機技術、圖像采集處理和數據存儲技術、雙目立體視覺技術選擇典型滑坡堆積體，使用雙目攝像機采用非接觸的方法，進行快速、有效的測量，獲取滑坡堆積體的三維圖像信息。本文重要研究內容如下：（1）圖像采集，本文采用兩個相機作為圖像采集工具。（2）雙目標定，本文分析多種標定方法，其中主要研究了張正友算法及其改良算法，實現了實驗系統的參數標定。（3）圖像處理，這里主要的內容為特征提取和匹配以及去噪處理，對采集的兩幅圖像通過Harris算法檢測角點，然后建立鄰域窗口特征匹配。（4）三維重建，通過對特征點的三維重建，近似擬合出幾何模型。（5）體積測量，通過三維重建擬合出的近似幾何模型，通過三維點坐標計算，最終實現體積測量[5]。

3 結語

由于一些地震發生區和滑坡高發區惡劣的地質條件、陡峭的山坡、茂密的山林、破裂的巖石、頻發的滑坡或余震，滑坡堆積體隨時都有可能再次發生破壞。這使得野外勘察工作無法正常有序地開展，也可能危及勘察人員的生命財產安全。在這種情形下，我們傳統的勘察工作方法難以適應惡劣條件的要求，迫切需要一種新的勘察技術方法，它能夠快速、有效、靈活地進行野外勘察測量，較為準確地測量滑坡堆積體的體積。

本文的測量方法為快速、準確地測量滑坡體的體積提供了一種全新的思路。該方法提高了檢測的精度和速度，保障了檢測人員的生命安全，具有較強的研究價值和市場價值。

參考文獻

[1] 陳展鵬，雷廷武，晏清洪，等.汶川震區滑坡堆積體體積三維激光掃描儀測量與計算方法[J].農業工程學報，2013，29（8）：135-144.

[2] 張開玉.基于SURF的雙目立體視覺三維重建[D].太原：太原理工大學，2013.

[3] 鄧輝.高精度衛星遙感技術在地質災害調查與評價中的應用[D].成都：成都理工大學，2007.

[4] 毛琳琳.基于雙目立體視覺的大堆物料體積測量方法研究[D].杭州：中國計量學院，2015.

[5] 王俊孟.基于雙目立體視覺的傳送帶上煤的動態體積測量研究[D].焦作：河南理工大學，2014.