本發(fā)明涉及大型水電工程大壩監(jiān)測，尤其是涉及一種視覺位移測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、大型水電工程大壩外形監(jiān)測是一項重要的工程監(jiān)測項目，旨在確保大壩的結(jié)構(gòu)安全和效能。監(jiān)測的目的是及時發(fā)現(xiàn)大壩的變形、位移、裂縫或其他結(jié)構(gòu)問題，從而采取適當(dāng)?shù)木S護(hù)和修復(fù)措施。

2、大壩位移監(jiān)測通?；谌菧y量原理，使用高分辨率攝像頭從固定參考點對大壩表面進(jìn)行連續(xù)拍攝。通過圖像處理技術(shù)，對比分析大壩表面標(biāo)記點的位置變化，從而計算出位移量。

3、由于需要獲得大壩高精度的視覺畫面，固定參考點的位置與大壩的距離一般較近，一般是幾百米，在這種距離下實際上固定參考點底部的地基部分實際上與大壩區(qū)域的地基部分地質(zhì)關(guān)聯(lián)性較大，在大壩區(qū)域出現(xiàn)地質(zhì)位移情況時固定參考點底部的地基有可能會產(chǎn)生類似的位移，從而導(dǎo)致拍攝的視覺畫面實際上不能精準(zhǔn)反映大壩真實的位移。

4、公開號為cn115493508a的中國發(fā)明專利公開了一種應(yīng)用于大壩表面變形機(jī)器視覺觀測的裝置及方法，包括第一觀測墩和第二觀測墩，所述第一觀測墩上設(shè)有第一攝像頭，所述第二觀測墩上設(shè)有第一靶標(biāo)，所述第一攝像頭和第一靶標(biāo)之間設(shè)有若干中間測點裝置。通過在第一攝像頭和第一靶標(biāo)之間設(shè)置若干中間測點裝置，實現(xiàn)了長距離大壩表面變形的觀測。

5、上述技術(shù)方案雖然一定程度解決超長大壩在視覺監(jiān)測中的變形問題，然而其攝像頭依然安裝在大壩附近區(qū)域的觀測墩上，依然不能解決因觀測墩與大壩區(qū)域同步位移造成的監(jiān)測結(jié)果不能反映大壩變形的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種視覺位移測量系統(tǒng)及方法。采用如下的技術(shù)方案：

2、一種視覺位移測量方法，包括以下步驟：

3、采用三組飛行測量單元分別進(jìn)行第一次定位視覺測量，第一組飛行測量單元和第三組飛行測量單元分別對稱位于待測量大壩壩體的兩側(cè)五十米以內(nèi)位置，飛行高度高于待測量大壩壩體最高點五米到十米；

4、無人機(jī)測量遠(yuǎn)程服務(wù)器分別無線控制第一組飛行測量單元的多架測繪無人機(jī)掛載的電動云臺動作，使掛載的攝像頭拍攝的視覺畫面組成待測量大壩壩體的第一次左側(cè)視覺畫面，分別記錄第一組飛行測量單元的多架測繪無人機(jī)第一次拍攝的飛行定位參數(shù)和拍攝參數(shù)；

5、采用同樣方法得到第一次右側(cè)視覺畫面，分別記錄第三組飛行測量單元的多架測繪無人機(jī)第一次拍攝的飛行定位參數(shù)和拍攝參數(shù)；

6、第二組飛行測量單元的多架測繪無人機(jī)位于待測量大壩壩體中軸線上方十米到二十米，無人機(jī)測量遠(yuǎn)程服務(wù)器分別無線控制第二組飛行測量單元的多架測繪無人機(jī)掛載的電動云臺垂直向下，使掛載的攝像頭拍攝的視覺畫面組成待測量大壩壩體的第一次正上方視覺畫面，分別記錄第二組飛行測量單元的多架測繪無人機(jī)的飛行定位參數(shù)和拍攝參數(shù)；

7、將第一次左側(cè)視覺畫面、第一次右側(cè)視覺畫面和第一次正上方視覺畫面作為基準(zhǔn)視覺圖像；

8、設(shè)定時間間隔無人機(jī)測量遠(yuǎn)程服務(wù)器分別無線控制三組飛行測量單元再次進(jìn)行測量，測量的飛行定位參數(shù)和拍攝參數(shù)均按照第一次拍攝的飛行定位參數(shù)和拍攝參數(shù)進(jìn)行得到第二次左側(cè)視覺畫面、第二次右側(cè)視覺畫面和第二次正上方視覺畫面，采用基于輪廓檢測算法檢測兩次視覺畫面輪廓的位移，并基于畫面比例計算得到位移值。

9、通過采用上述技術(shù)方案，突破傳統(tǒng)的大壩位移監(jiān)測采用在觀測墩上安裝監(jiān)測元件的方式，采用三組飛行測量單元進(jìn)行視覺測量，第一組飛行測量單元和第三組飛行測量單元分別對稱位于待測量大壩壩體的兩側(cè)五十米以內(nèi)位置，測量的方式采用飛行到飛行高度高于待測量大壩壩體最高點五米到十米位置，若是尺寸很大的待測量大壩壩體，每組飛行測量單元的多架測繪無人機(jī)沿著待測量大壩壩體方向布置，第一次測量時，無人機(jī)測量遠(yuǎn)程服務(wù)器遠(yuǎn)程控制多架測繪無人機(jī)掛載的電動云臺動作，使其掛載的攝像頭拍攝的視覺畫面能進(jìn)行簡單的拼接操作就可以組成待測量大壩壩體的第一次視覺畫面，記錄電動云臺的拍攝參數(shù)包括角度參數(shù)等，并分別記錄多架測繪無人機(jī)的飛行定位參數(shù)，也就是定位數(shù)據(jù)和高度數(shù)據(jù)，第一次的測量的這些參數(shù)，在后續(xù)的測量過程均需要完全一致，這樣就保障了每次測量的基準(zhǔn)一致，無人機(jī)的飛控技術(shù)可以保障兩次懸停拍攝時的控制精度達(dá)到厘米級，厘米級的誤差對于待測量大壩壩體是可接受的，而這個厘米級的誤差不會是與待測量大壩壩體地質(zhì)位移方向一致的誤差；

10、因此采用無人機(jī)拍攝視覺畫面來進(jìn)行位移監(jiān)測，不僅能通過視覺算法發(fā)現(xiàn)待測量大壩壩體內(nèi)部位移，例如水庫底部相對于大壩本體發(fā)生位移，還可以發(fā)現(xiàn)大壩整體發(fā)生位移。能避免因大壩區(qū)域地質(zhì)環(huán)境發(fā)生整體位移時采用固定觀測墩無法發(fā)現(xiàn)整體位移的技術(shù)缺陷。

11、可選的，飛行定位參數(shù)是北斗定位參數(shù)或gps定位參數(shù)，飛行定位參數(shù)還包括高度參數(shù)，高度參數(shù)通過測繪無人機(jī)的飛控系統(tǒng)獲得。

12、通過采用上述技術(shù)方案，采用北斗定位參數(shù)或gps定位參數(shù)可以實現(xiàn)無人機(jī)兩次懸停拍照時的位置誤差達(dá)到厘米級，進(jìn)一步保證了兩次拍照的基準(zhǔn)一致性。

13、可選的，設(shè)定時間間隔為兩小時。

14、通過采用上述技術(shù)方案，由于無人機(jī)不能實現(xiàn)長時間的懸停，因此采用間隔巡檢的方式對大壩進(jìn)行形變監(jiān)測，間隔時間可以靈活調(diào)整，優(yōu)選兩小時一次進(jìn)行測量。

15、可選的，第一組飛行測量單元、第二組飛行測量單元和第三組飛行測量單元采用同一組飛行測量單元三次飛行實現(xiàn)。

16、通過采用上述技術(shù)方案，由于采用巡檢的方式，可以采用一組飛行測量單元三次飛行就可以實現(xiàn)三個方向的視覺畫面的獲取。

17、可選的，基于輪廓檢測算法包括以下步驟：

18、獲得第一次視覺畫面記為畫面p1，第二次視覺畫面記為畫面p2；

19、基于檢測目標(biāo)特征庫進(jìn)行分別對畫面p1和畫面p2進(jìn)行特征檢測，目標(biāo)特征庫存儲大壩本體特征、泄洪設(shè)施特征、水庫底部特征、取水口特征、泵站特征、輸水管線特征和調(diào)幅設(shè)施特征，畫面p1得到的多個視覺特征分別記為pa、pa、……、pa17，畫面p2得到的多個視覺特征分別記為pa21、pa22、……、pa27；分別對pa、pa、……、pa17進(jìn)行輪廓線條化，得到的輪廓線條分別記為paol、paol、……、paol17，輪廓的幾何中心點分別記為cp、cp、……、cp17；

20、分別對pa21、pa22、……、pa27進(jìn)行輪廓線條化，得到的輪廓線條分別記為paol21、paol22、……、paol27，輪廓的幾何中心點分別記為cp21、cp22、……、cp27；

21、采用圖像比較算法依次畫面p1輪廓的幾何中心點與畫面p2輪廓的幾何中心點的畫面位移，分別計算ps1、ps2、……、ps7。

22、可選的，畫面比例計算的方法是：實測大壩本體特征的長邊尺寸s，通過畫面p1的pa21計算長邊像素尺寸s1，得到畫面比例畫面p2輪廓的幾何中心點相對畫面p1輪廓的幾何中心點的實際位移值的計算公式為psr＝ps1·ar；分別計算ps1、ps2、……、ps7的實際位移值分別記為psr1、psr2、……、psr7。

23、通過采用上述技術(shù)方案，先基于目標(biāo)特征庫存儲大壩本體特征、泄洪設(shè)施特征、水庫底部特征、取水口特征、泵站特征、輸水管線特征和調(diào)度設(shè)施特征識別出畫面p1和畫面p2中的對應(yīng)特征，由于拍攝角度和條件均一致，特征識別比較容易，再進(jìn)行輪廓線條化，基于輪廓線條化結(jié)果來進(jìn)行幾何中心點的計算，在opencv和python環(huán)境中可以使用cv2.moments函數(shù)對于每個輪廓計算其矩，并使用矩來找到質(zhì)心，質(zhì)心即幾何中心點；

24、通過計算兩幅圖像中幾何中心點的圖像像素位移ps值，再通過畫面比例來計算實際的位移值，可以輸出每個特征項的位移值。

25、一種視覺位移測量系統(tǒng)，用于實現(xiàn)一種視覺位移測量方法，包括三組飛行測量單元和無人機(jī)測量遠(yuǎn)程服務(wù)器，飛行測量單元包括多架測量無人機(jī)，所述測量無人機(jī)底部掛載電動云臺，所述電動云臺的活動部上掛載攝像頭，所述攝像頭用于拍攝視覺畫面；

26、無人機(jī)測量遠(yuǎn)程服務(wù)器分別與三組飛行測量單元無線通信連接，控制三組飛行測量單元的飛行定位參數(shù)和拍攝參數(shù)；

27、無人機(jī)測量遠(yuǎn)程服務(wù)器與三組飛行測量單元通信交互視覺圖像。

28、可選的，無人機(jī)測量遠(yuǎn)程服務(wù)器包括視覺分析計算機(jī)和飛控平臺，所述飛控平臺分部與三組飛行測量單元無線通信連接，所述視覺分析計算機(jī)與飛控平臺的數(shù)據(jù)輸出端通信連接，基于同一組飛行測量單元的多架測量無人機(jī)掛載的攝像頭拍攝的視覺圖像拼接形成大壩整體視覺畫面，并采用基于輪廓檢測算法檢測兩次大壩整體視覺畫面輪廓的位移，基于畫面比例計算得到位移值并輸出位移值結(jié)果。

29、通過采用上述技術(shù)方案，飛控平臺可以同時無線控制多架測量無人機(jī)的飛行動作，通過第一次拍攝后得到的飛行定位參數(shù)和拍攝參數(shù)，后續(xù)可以自動化地進(jìn)行同樣飛行定位參數(shù)和拍攝參數(shù)的巡檢拍攝，并自動化的輸出位移值結(jié)果。

30、可選的，無人機(jī)測量遠(yuǎn)程服務(wù)器還包括聲光報警器，所述視覺分析計算機(jī)控制聲光報警器的執(zhí)行動作，設(shè)置位移閾值，當(dāng)視覺分析計算機(jī)輸出位移值結(jié)果大于位移閾值時控制聲光報警器啟動報警。

31、通過采用上述技術(shù)方案，聲光報警器可以在出現(xiàn)超過位移閾值的位移值時進(jìn)行聲光報警提醒工作人員及時進(jìn)行核查，避免因大位移導(dǎo)致的事故。

32、綜上所述，本發(fā)明包括以下至少一種有益技術(shù)效果：

33、本發(fā)明能提供一種視覺位移測量系統(tǒng)及方法，突破傳統(tǒng)的大壩位移監(jiān)測采用在觀測墩上安裝監(jiān)測元件的方式，采用三組飛行測量單元進(jìn)行視覺測量，測量的方式采用飛行到飛行高度高于待測量大壩壩體最高點五米到十米位置，第一次測量時，無人機(jī)測量遠(yuǎn)程服務(wù)器遠(yuǎn)程控制多架測繪無人機(jī)掛載的電動云臺動作，使其掛載的攝像頭拍攝的視覺畫面能進(jìn)行簡單的拼接操作就可以組成待測量大壩壩體的第一次視覺畫面，記錄電動云臺的拍攝參數(shù)包括角度參數(shù)等，并分別記錄多架測繪無人機(jī)的飛行定位參數(shù)，在后續(xù)的測量過程均保持與第一次的測量完全一致的參數(shù)，保障了每次測量的基準(zhǔn)一致；

34、采用無人機(jī)拍攝視覺畫面來進(jìn)行位移監(jiān)測，不僅能通過視覺算法發(fā)現(xiàn)待測量大壩壩體內(nèi)部位移，還可以發(fā)現(xiàn)大壩整體發(fā)生位移。能避免因大壩區(qū)域地質(zhì)環(huán)境發(fā)生整體位移時采用固定觀測墩無法發(fā)現(xiàn)整體位移的技術(shù)缺陷。