基于圖像分析的水電站導流洞進口邊坡變形監測研究

劉新莊

(山脈科技股份有限公司，西安 710065)

0 引 言

自改革開放以來，隨著經濟的快速增長，我國進入大規模水利建設階段。水利工程所形成的大壩壩肩邊坡、水庫庫岸邊坡規模之大、數量之多、地勢復雜舉世矚目[1-2]。一旦這些邊坡周圍出現地質災害將會對國家生產經濟與人民生命財產安全造成相當大的損失。我國是發生滑坡地質災害非常頻繁的國家，因此對邊坡的穩定性展開研究至關重要。

目前，水電站導流洞進口邊坡成為滑坡研究中的重點。水電站導流洞進口是水電站穩定的重要基礎，一旦其出現問題，將會造成泄洪能力下降的問題[3]。因此，在此次研究中，將其設定為主要的研究對象，并對其邊坡穩定性展開研究。邊坡失穩的發生并不是無跡可尋的，它也是遵循一定的物理或化學原理發生的，所以怎樣有效檢測危險邊坡并對其實施監測非常重要。在傳統的邊坡變形監測中，由于監測方法中的技術應用不當，造成監測時間過長，錯過黃金維護時間，危害社會經濟安全。針對這一問題，很多專家對其進行了研究，取得了一定成果。例如，陳平志等[4]研究了彎曲傾倒邊坡開挖變形響應機理與反饋預測，通過分析壩基上游邊坡形態與病害分布等對其展開研究；王振林等[5]為了實現邊坡穩定性監測，研究了基于時序Sentinel-1數據的錦屏水電站左岸邊坡形變探測與特征，以此為基礎解決現實問題；李興明等[6]研究了某水電站導流明渠邊坡傾倒變形分區與治理方法，通過結合克里金插值法,分析西部某水電站導流明渠邊坡的傾倒變形破壞特點等方式，進行坡體分區后的支護建議。盡管以上方法取得了一定實效，但仍難以實現對水電站導流洞進口邊坡變形的高效以及高精度監測。為了提高檢測精度和效率，在此次研究中進行了基于圖像分析的水電站導流洞進口邊坡變形監測研究，設定監測設備以及其檢測精度，構建邊坡監測模型，獲取邊坡圖像信息并進行匹配，完成監測過程，以提升對水電站導流洞進口邊坡穩定性的控制能力，保護當地居民的人身安全與財產安全。

1 水電站導流洞進口邊坡變形監測方法設計

1.1 監測設備的選用及測量精度設定

在此次方法設計中，為保證監測結果的有效性，對檢測過程中使用的設備進行設定。通過文獻分析可知，影響水電站導流洞進口邊坡變形監測精準度的主要原因由3部分組成：監測設備的分辨率；攝像設備的安裝位置；影像數據的處理[7]。在此次研究中，將對上述3部分展開綜合處理，提升水電站導流洞進口邊坡變形監測方法的使用效果。

在此次研究中，將高精度數碼相機作為邊坡監測的主要設備，其設備參數設定見表1。

表1 導流洞進口邊坡監測設備參數

此次設計中選用的相機參數如上所述，對其分辨率進行設置。設定邊坡檢測范圍為A*B，相機的分辨率為C*D，則邊坡觀測的分辨率可表示為：

(1)

式中：Ua與Ub分別為邊坡物面在水平方向與垂直方向上的分辨率，且兩個方向的分辨率在同一圖像中的關系可表示如下：

Ua=Ub

(2)

由此可知，邊坡監測分辨率的實際意義是指邊坡圖像的像素占用范圍的大小。由此，可得到邊坡變形監測的精度要求。根據攝影測量圖像要求的基本關系式可得到下述公式：

(3)

式中：P為檢測圖像像素參數；v為圖像的分辨率大小；e為圖像的主相距。

對此公式推導可知，監測主點中誤差(cx0,cy0)與主相距e的誤差ce與邊坡空間的坐標誤差可表示為：

(4)

由于此次監測僅對邊坡的平面尺寸進行設定，當邊坡存在景深問題時，設定深入差為h，則其誤差可表示為：

(5)

對上述公式展開整合，可初步得到邊坡各方位元素的監測精度要求估算公式，具體如下：

(6)

上述公式僅對方位元素的誤差展開處理，當監測誤差較大時，設定誤差個數為n，則式(6)可推導為：

(7)

對上述公式展開分析可知，方位元素的測量精度與待測邊坡的測量精度(cx,cy,ch)具有直接的關系。方位元素的測量精度越高，邊坡監測的測量精度就越高[8]。采用上述設定監測設備以及測量精度，作為此次方法設計實現的基礎。

1.2 邊坡監測模型設定

通過上述設定，在邊坡的相應位置設定觀測點，獲取邊坡圖像，采用位移計算的形式，獲取邊坡的形變數據與穩定情況[9-10]。各監測點的圖像采集由兩臺相機完成，具體采集模型見圖1。

圖1 邊坡監測模型

由圖1可知，成像設備1的坐標系可表示為T1-xlylzl，成像設備2 的坐標系可表示為T2-xryrzr；成像設備1圖像坐標系為W1-xlyl，成像設備2 圖像坐標系為W2-xryr，中心點z的坐標系為(xz,yz,zz)。根據成像設備坐標系與監測圖像坐標系之間的關系與透視變換原理，可得到下述關系式[11]：

(8)

(9)

通過上述公式，可將成像設備之間的圖像進行轉化則有：

(10)

為了更好地完成邊坡監測過程，將式(8)-式(10)聯立，則有：

(11)

由上述公式可知，通過兩成像設備得到Jlr與兩設備的角度，并反算出此監測點的三維坐標，由此基礎監測模型構建完成。為提升邊坡監測的可靠性，將其模型優化為三維模型，則其邊坡成像顯示見圖2[12-13]。

圖2 邊坡立體圖像模型

通過上文中設定的模型以及幾何關系可得出監測圖像之間的關系，具體公式如下：

(12)

設定兩成像設備之間的誤差為s=Xleft-Xright，則z的左側成像設備坐標可表示為：

(13)

在上述部分中設定了成像設備的圖像采集位置，通過上述設定對邊坡實施監測。

1.3 邊坡變形監測匹配

通過上述部分對邊坡的進行監測，并獲取相應的監測結果，設定某監測點在兩監測圖像中的坐標分別為(g1,h1)與(g2,h2)，則該點在監測坐標系中的坐標差可表示為：

(14)

(15)

則監測邊坡位移中的誤差數據可表示為：

(16)

式中：Dgh為此監測點在上一次監測中的位置變化，通過坐標轉換公式可得到公式中的具體數值。其轉換過程如下[14-15]。

(17)

將上式中的X、Y看作兩個相互獨立的數值，則監測圖像匹配公式可寫作：

(18)

采用此公式，可得到監測點在多次監測中圖像的位移數據，對上述數據進行處理，得到水電站導流洞進口邊坡變形數據，完成對水電站的邊坡監測工作。

將上文中設計部分有序結合，并將其與傳統的監測方法進行融合。至此，水電站導流洞進口邊坡變形監測方法設計完成。

2 仿真分析

在上文中，完成了水電站導流洞進口邊坡變形監測方法的設計部分。為驗證上文中方法在現實問題中的使用效果，構建實驗環節。

2.1 實驗環境設計

在此次實驗過程中，采用文中設計方法與其他兩種傳統方法對選定的實驗對象進行監測，并對比3種方法的使用中的差異性。此次實驗對象為某水電站導流洞進口邊坡，為保證實驗對比的有效性，對實驗對象的力學參數進行模擬。具體模擬結果見表2。

表2 實驗對象巖體力學參數表

通過對此邊坡研究可知，根據《水電水利工程邊坡設計規范》(DL 5353-2006)，此導流洞進口邊坡為A類(樞紐工程區邊坡)。因此，對此邊坡的抗滑穩定安全系數的要求較高。根據上述信息，選定此邊坡作為實驗研究對象。

2.2 實驗設備選型

在此次實驗中，為將3種監測方法應用于同一實驗平臺中，對實驗中使用的設備展開設計。在此次實驗中設定一組兩部成像設備，將其通過服務器與PC端相連，通過成像設備獲取邊坡的圖像并采用PC端對其圖像展開處理與計算。

采用上述實驗設備作為此次實驗平臺組成部分，并使用此實驗平臺完成文中設計方法與其他兩種方法的對比過程。

2.3 實驗對比指標

在此次實驗中，對監測方法的監測時間展開對比。通過研究可知，在目前的水電站導流洞進口邊坡變形監測過程中，由于獲取監測結果的時間過長，導致邊坡修復速度受到影響，對于水電站的運行造成安全隱。因此，選定此指標作為實驗的對比對象。在實驗的過程中，設定5組監測點，對監測點的變形情況進行監測，當發現邊坡變形時，停止實驗并記錄下監測時間。為提升實驗結果的對比性，將實驗環境設定為雨季與旱季，獲取兩種不同實驗環境下的監測時間，分析3種方法在不同季節在某水電站導流洞進口邊坡的使用特點。

2.4 實驗結果分析

實驗結果見圖3-圖5。

圖3 文中設計方法實驗結果

圖4 文獻[4]方法實驗結果

圖5 文獻[5]方法實驗結果

由圖3實驗結果可知，文中設計方法在兩種不同的環境下的形變監測時長較為一致。沒有因為季節模擬的變化，造成監測響應時間過長的問題。同時，通過圖像也可以看出，文中設計方法的監測能力較好，在同一監測環境時，不同監測點的監測響應時間較為一致，沒有出現波動較大的問題。可見，文中設計方法在使用過程中的穩定性較高。

通過圖4實驗結果可知，文獻[4]方法的監測時間明顯增長。在同一監測環境中，出現監測點監測時間較長的問題。同時，對比兩種環境下文獻[4]方法的監測效果可以看出，在不同的季節中，文獻[4]方法的監測時間相差較大。通過對此結果分析可知，該方法的使用效果穩定性較差，不適用于季節劃分較為明顯地區的水電站監測工作。

由圖5實驗結果可看出，文獻[5]方法在使用中出現相應的問題。通過圖像可以看出，文獻[5]方法在不同季節模擬中的監測結果波動較小，走向較為一致。但其監測時間過長，造成水電站周邊居民的人身安全受到影響。由此可知，該方法的使用效果并不是很理想。同時，圖5實驗結果表明，僅具有穩定的監測結果無法滿足邊坡監測要求。

將上述得出的文中設計方法實驗結果、文獻[4]方法實驗結果以及文獻[5]方法實驗結果詳細分析可知，在不同的測試環境下，文中設計方法的使用效果最佳，對于水電站水土的保護與監測能力更佳。在日后的使用中，可將此方法應用于現實問題中，提升邊坡監測效果。

為了更直觀、更有力證明本文方法的優越性，進一步分析3種方法的水電站導流洞進口邊坡變形監測精度對比，結果見圖6。

圖6 不同方法監測精度對比

分析圖6可知，采用3種方法進行水電站導流洞進口邊坡變形監測，本文方法的監測精度始終要高于其他兩種方法，最高可達97%，且更為穩定，證明本文方法的優越性。為了更深入地分析本文方法的性能，繼續對比3種方法的監測效率，見圖7。

圖7 不同方法監測效率對比

分析圖7可知，采用3種方法進行水電站導流洞進口邊坡變形監測，本文方法的檢測效率也遠遠高于另外兩種方法，最高為96%，明顯縮減了檢測時間。通過上述的實驗分析，可以有效證明本文方法的優越性，具有較為廣闊的應用空間。

3 結 語

此研究以實現水電站導流洞進口邊坡變形高精度監測為目的，研究新型的水電站導流洞進口邊坡變形監測方法。在研究的過程中，設定了相應的使用設備，完成監測過程。通常情況下，為獲取更加有效的變形數據，會采用轉換監測點的方式，但在此次研究中使用數據處理，實現數據的合理性。此方法的優勢較為明顯，提高了檢測精度和檢測效率，最高可達95%以上，而且使整個監測工作的勞動強度得到下降，更符合現代工程的要求。在此方法的使用中還存在許多困難，使其完善成熟還有許多工作需要去做。在數據的處理和成像設備的檢測中還有許多方面對監測的精度造成一定程度的影響，因此在今后的研究中，要想獲取高精度的邊坡形變監測數據還需要作出更加全面與系統的研究。