本發(fā)明涉及尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用機器視覺進行尾礦庫干灘長度測量的方法。

背景技術(shù)：

尾礦庫干灘長度是衡量尾礦庫汛期能否安全度汛的重要指標(biāo),也是評價尾礦庫是否安全的重要因素之一。當(dāng)前國內(nèi)外常用的測量尾礦庫干灘長度方法有以下幾種：

1)汛期到來之前，盡可能的降低庫水位使得干灘有足夠的長度，從最高一級子壩開始在干灘上每50米(依據(jù)干灘具體情況而定)插一面紅旗，一直延伸至灘水交界處，汛期時由巡壩人員目測干灘的長度。此方法靠監(jiān)測人員定期進行目測誤差較大且不能做到自動化。

2)假定干灘坡度均勻，由庫區(qū)水位高程和灘頂高程反算出干灘的長度。此方法由于通常干灘的坡度并非均勻使得測量的誤差很大。

3)激光測角測距法。采用激光測距儀結(jié)合角度測量儀來進行干灘監(jiān)測。此方法的缺點當(dāng)干灘較長時,沒有反光板,很難捕獲激光亮線的漫反射光。

4)近景立體攝影測量技術(shù)。通過視頻終端捕捉干灘圖像,采用近景立體攝影測量原理,根據(jù)圖像特征提取和影像匹配的結(jié)果,在立體影像上進行目標(biāo)點量測和定位等,結(jié)合水位等其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)解算干灘長度。缺點：該方法需要結(jié)合的水位等其他參數(shù)輔助,在尾礦庫周邊的山上安放了較多的標(biāo)志桿。

5)tdr原理的尾礦庫干灘長度測量傳感。用測量儀測量兩芯線的阻抗,水淹沒處的兩芯線阻抗會發(fā)生變化,對數(shù)據(jù)進行分析結(jié)合標(biāo)定的每個采樣間隔對應(yīng)的兩芯線長度,識別水面下兩芯線的長度,兩芯線總長減去水下部分的長度即為水面到尾礦壩的距離,最后根據(jù)已知的尾礦壩斜率可以計算出干灘長度。缺點：傳感器鋪設(shè)后被新尾礦砂掩埋后，傳感設(shè)備需要重新進行安裝。

綜上，長期以來干灘長度的測量一直沒有一個準(zhǔn)確可靠且簡單可行的方法。

專利申請?zhí)枮?01310065436.4的中國專利公開了“一種尾礦庫干灘長度的測量方法及測量系統(tǒng)”，包括：在尾礦庫內(nèi)選定干灘監(jiān)測剖面，并在其干灘表面上選取至少3個監(jiān)測點和至少5個輔助觀測點；獲取初始時刻每個監(jiān)測點和輔助觀測點的絕對高度，進而擬合出初始時刻該干灘監(jiān)測剖面處的干灘表面曲線方程；在每次測量時，實時獲取當(dāng)前時刻每個監(jiān)測點的絕對高度，并結(jié)合初始時刻每個監(jiān)測點的絕對高度以及干灘表面曲線方程確定出每個干灘面監(jiān)測點距灘頂水平距離的當(dāng)前測量誤差，進而根據(jù)預(yù)定的測量誤差臨界值確定出當(dāng)前時刻該干灘監(jiān)測剖面處的干灘表面曲線方程；根據(jù)當(dāng)前時刻的水位絕對高度和干灘表面曲線方程確定出當(dāng)前時刻該干灘監(jiān)測剖面處的干灘長度，從而實現(xiàn)了對尾礦庫干灘長度的測量。本發(fā)明能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確、可靠地測量出干灘長度，從而精確地反映出尾礦庫的實際安全狀況，有效降低發(fā)生尾礦庫安全事故的風(fēng)險。

專利申請?zhí)枮?00910248499.7的中國專利公開了“一種基于圖像識別計算尾礦干灘長度的方法”，其應(yīng)用圖像識別技術(shù)將尾礦庫干灘圖像二值化，從而使干灘圖像變得簡單，而且數(shù)據(jù)量小，并能凸顯出尾礦壩壩體及干灘的輪廓。其次，將二值化后的干灘圖像進行處理與分析，利用像素檢測技術(shù)計算分析干灘高度，進而分析出我們需要的精確的數(shù)據(jù)結(jié)果。最后利用識別出的干灘高度與斜率計算出尾礦壩的干灘長度。利用圖像識別技術(shù)對尾礦庫干灘圖像的準(zhǔn)確分割，分析計算后所得數(shù)據(jù)精確，計算出的干灘長度精度較高，實時性較強，滿足了對尾礦壩干灘長度的在線實時監(jiān)測需求。

但是，以上方法均存在計算步驟多、計算過程繁瑣的缺點，由于計算步驟多也會導(dǎo)致計算精度降低。同時，也需要多種高精度儀器配合，其實施起來成本高，可行性差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種利用機器視覺進行尾礦庫干灘長度測量的方法，利用機器視覺進行干灘長度的自動測量，無需參考干灘坡度及庫區(qū)水位高度等其他因素，具有實施方便、測量系統(tǒng)成本低、測量誤差小的特點，具有較高的應(yīng)用價值。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種利用機器視覺進行尾礦庫干灘長度測量的方法，包括如下步驟：

1)在尾礦干灘上設(shè)立3個標(biāo)志桿，保證此3個標(biāo)志桿是在一條直線上，并且該直線與尾礦庫壩體垂直；

2)分別測量3個標(biāo)志桿之間的距離，及各標(biāo)志桿到壩體的距離；

3)利用一個彩色高清數(shù)字?jǐn)z像頭拍攝包含尾礦庫壩體、干灘、水域及3個標(biāo)志桿的數(shù)字圖像；

4)利用數(shù)字圖像模板匹配的方法提取出3個標(biāo)志桿在所拍攝的數(shù)字圖像中的位置；

5)利用k-均值聚類圖像分割算法把所拍攝的數(shù)字圖像分割成兩個區(qū)域，一個是干灘區(qū)域，一個是水域區(qū)域；

6)根據(jù)所提取的3個標(biāo)志桿在數(shù)字圖像中的位置坐標(biāo)擬合成一條直線，并求出該擬合直線與干灘區(qū)域、水域區(qū)域的交界線的交點即邊界交點，即形成一條包含3個標(biāo)志桿位置點和一個邊界交點共4個點的擬合直線；

7)計算擬合直線上的上述4個點的交比；

8)利用機器視覺中交比不變的性質(zhì)計算出3個標(biāo)志桿位置點到邊界交點的距離，由于每個標(biāo)志桿到壩體的距離是已經(jīng)測量的固定值，因此能夠計算出邊界交點到壩體的距離，即干灘距離。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1)采用一個普通攝像機及在干灘上設(shè)立3個標(biāo)志桿就能有效的對干灘的長度進行在線測量，測量系統(tǒng)成本低；

2)利用機器視覺進行干灘長度的自動測量，無需參考干灘坡度及庫區(qū)水位高度等其他因素，實施方便；

3)計算步驟簡單、累積誤差小，計算精度高；

4)具有較高的應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例所述尾礦庫干灘上設(shè)立3個標(biāo)志桿的示意圖。

圖2是經(jīng)過圖像處理之后提取的標(biāo)志桿位置點和干灘水面交界點及其擬合直線圖。

圖3是交比不變原理示意圖。

圖4是基于交比不變原理的干灘長度測量示意圖。

圖中：1.標(biāo)志桿2.干灘3.水域4.壩體5.擬合直線6.標(biāo)志桿位置點7.邊界交點

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明：

本發(fā)明所述一種利用機器視覺進行尾礦庫干灘長度測量的方法，包括如下步驟：

1)在尾礦干灘上設(shè)立3個標(biāo)志桿1，保證此3個標(biāo)志桿1是在一條直線上，并且該直線與尾礦庫壩體4垂直；

2)分別測量3個標(biāo)志桿1之間的距離，及各標(biāo)志桿1到壩體4的距離；

3)利用一個彩色高清數(shù)字?jǐn)z像頭拍攝包含尾礦庫壩體4、干灘2、水域3及3個標(biāo)志桿1的數(shù)字圖像；

4)利用數(shù)字圖像模板匹配的方法提取出3個標(biāo)志桿1在所拍攝的數(shù)字圖像中的位置；

5)利用k-均值聚類圖像分割算法把所拍攝的數(shù)字圖像分割成兩個區(qū)域，一個是干灘區(qū)域，一個是水域區(qū)域；

6)根據(jù)所提取的3個標(biāo)志桿在數(shù)字圖像中的位置坐標(biāo)擬合成一條直線，并求出該擬合直線5與干灘區(qū)域、水域區(qū)域的交界線的交點即邊界交點7，即形成一條包含3個標(biāo)志桿位置點6和一個邊界交點7共4個點的擬合直線5；

7)計算擬合直線5上的上述4個點的交比；

8)利用機器視覺中交比不變的性質(zhì)計算出3個標(biāo)志桿位置點6到邊界交點7的距離，由于每個標(biāo)志桿1到壩體4的距離是已經(jīng)測量的固定值，因此能夠計算出邊界交點7到壩體4的距離，即干灘距離。

本發(fā)明所述測量方法的原理是利用3個標(biāo)志桿來確定一條直線，通過該直線與干灘及水面分界線的交點之間的交比來計算出標(biāo)志點距離干灘分界線的距離，進而計算出干灘的長度。

以下實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。下述實施例中所用方法如無特別說明均為常規(guī)方法。

【實施例】

本實施例中，利用機器視覺進行尾礦庫干灘長度測量的方法具體過程如下：

1)如圖1所示，在干灘2區(qū)域設(shè)立3個標(biāo)志桿1，標(biāo)志桿1的設(shè)立根據(jù)干灘2的實際長度來調(diào)整。本實施例中，尾礦庫正常干灘2長度變化量在180-240米之間。第1個標(biāo)志桿1距離壩體4的距離是50m，其他2個標(biāo)志桿1之間的距離是40m。在設(shè)立標(biāo)志桿1時必須保證3個標(biāo)志桿1是在同一條直線上，并且要保證此直線垂直于壩體4。

2)在壩體4上安置一臺數(shù)字?jǐn)z像高清攝像頭，此攝像頭必須帶有旋轉(zhuǎn)云臺和調(diào)焦功能，這樣能方便選擇要拍攝的區(qū)域。通過旋轉(zhuǎn)攝像頭的角度和調(diào)整焦距保證數(shù)字?jǐn)z像頭所拍攝的區(qū)域是既包含安放有3個標(biāo)志桿1的干灘2又包含有庫區(qū)水域3、壩體4的圖像。

3)截取所拍攝的圖像的標(biāo)志桿的模板圖。

4)本發(fā)明所述測量方法是利用標(biāo)志桿1來確定一條直線，通過該直線同干灘2與水域3分界線的交點的交比來計算出標(biāo)志桿位置點6距離邊界交點7的距離進而來計算干灘2的長度。因此必須精確的提取出標(biāo)志桿1在圖像中的位置。本實施例采用圖像模板相關(guān)匹配的方法來定位標(biāo)志桿1在圖像中的位置。利用事先存儲的標(biāo)志桿1的模板在數(shù)字圖進行搜索匹配，確定最大的匹配點，就是所對應(yīng)的標(biāo)志桿位置點6。

5)干灘區(qū)域分割。由于干灘區(qū)域的圖像特征和水域區(qū)域的圖像特征有較大差異，因此可以利用數(shù)字圖像中的區(qū)域分割的方法來提取出干灘區(qū)域和水域區(qū)域，而水域區(qū)域邊緣就是干灘和水面的分界線。本發(fā)明利用k-均值聚類圖像區(qū)域分割算法，k-均值聚類圖像區(qū)域分割的步驟如下:

5.1)由于圖像的l*a*b空間比rgb能更好的描述區(qū)域的內(nèi)部特征，因此把攝像機拍攝的圖像,從rgb彩色空間轉(zhuǎn)換成l*a*b空間之值,每個點選取l*a*b空間中的a值和b值作為特征值。

5.2)利用bilateral濾波器對特征圖像進行濾波處理。

5.3)由于在利用攝像機對干灘進行監(jiān)測時用攝像機拍攝的圖像區(qū)域主要由干灘、水面及其他的區(qū)域組成，因此在利用k均值聚類算法進行區(qū)域分類時把k設(shè)為2，并設(shè)置2個聚類中心初始值。

5.4)計算每個像素與各聚類中心的距離,按照最小距離原則把像素分配到最鄰近的聚類中，并使用每個聚類樣本的均值作為樣本的中心。

5.5)不斷重復(fù)步驟4)直到聚類中心不再變化。

圖2顯示的是利用均值分割后提取的區(qū)域。黑色部分代表干灘區(qū)域，白色部分代表水域區(qū)域。因此利用代表水域區(qū)域的像素點進行邊界提取。

6)如圖2所示，利用提取的標(biāo)志桿的位置坐標(biāo)擬合一條直線，然后利用水域區(qū)域和干灘區(qū)域的交界線與擬合直線5的交點(即邊界交點)作為擬合直線5上的第4個點，并計算該擬合直線5上4個點的交比。

7)干灘長度計算。交比不變性是射影幾何中的一個基本性質(zhì)，此性質(zhì)在機器視覺測量中有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)實世界中的攝像機的小孔成像模型可以近似為射影變化。因此，空間共線的4點和該4點在成像平面上形成4個像點之間的交比應(yīng)該是相等的。如圖3所示，根據(jù)交比不變性質(zhì)可以得到如下公式。

根據(jù)機器視覺測量中的交比不變的性質(zhì)，可以求出干灘長度。如圖4所示，3個標(biāo)志桿分別為a、b、c三個點，d點為經(jīng)過abc三個點的直線與水域區(qū)域和干灘區(qū)域交界線的交點，d點和標(biāo)志桿c的直線距離為l。此直線的交比可以表示如下：

由于標(biāo)志桿到壩體的距離是已知的，因此只要求出交點d點和標(biāo)志桿c的直線距離為l，就能求出干灘的長度。交點d點和標(biāo)志桿c的直線距離為l的計算公式如下。

其中d1是標(biāo)志桿a和標(biāo)志桿b之間的距離，d2是標(biāo)志桿b和標(biāo)志桿c之間的距離。cr是直線的交比，可以利用拍攝的圖像中擬合直線上4個點的交比來帶入即可。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。