基于機(jī)器視覺(jué)的測(cè)繪工程地面位移形變測(cè)量方法

白 潔

（陽(yáng)城縣自然資源局,山西 陽(yáng)城 048100）

0.引言

為了給地質(zhì)調(diào)查工作提供大量的可視化數(shù)據(jù)，在開(kāi)始勘探和開(kāi)采之前，首先要對(duì)目標(biāo)空間和地面的各種信息進(jìn)行采集與分析，并繪制相應(yīng)的地形圖，因此測(cè)繪工程是地質(zhì)工程的第一個(gè)步驟。受到地球以及自然環(huán)境的影響，不同地區(qū)呈現(xiàn)出不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在測(cè)繪工程中需要對(duì)地表地物、地貌、地下水文和礦藏等部分信息進(jìn)行采集，并在最終的地形圖中進(jìn)行標(biāo)注[1]。然而，在測(cè)繪工程施工過(guò)程中，地表重力發(fā)生變化，可能會(huì)產(chǎn)生地面形變，若地面的形變量過(guò)大，就會(huì)破壞研究區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，甚至?xí){到工作人員的生命安全。因此，需要對(duì)測(cè)繪工程地面位移形變進(jìn)行測(cè)量。

由于地面厚度不同，且無(wú)法直接使用硬件測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，這為地面位移形變測(cè)量方法的運(yùn)行帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)外先后對(duì)地面的形變測(cè)量?jī)?nèi)容進(jìn)行研究，并得出了部分較為成熟的研究成果，具體包括基于姿態(tài)匹配的形變測(cè)量方法、基于全息二次曝光的物體形變測(cè)量方法。然而將上述傳統(tǒng)方法應(yīng)用到實(shí)際的測(cè)繪工程中，存在嚴(yán)重測(cè)量精度低的問(wèn)題，為此引入機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。

人類從外界環(huán)境中獲取信息的百分之八十都是通過(guò)視覺(jué)功能，而機(jī)器視覺(jué)技術(shù)則是利用機(jī)器設(shè)備模擬人類的視覺(jué)功能，用圖像的形式形成空間模式，統(tǒng)計(jì)最終用戶實(shí)際的檢測(cè)和測(cè)量。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)綜合了多項(xiàng)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)能夠同時(shí)獲得多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，處理信息量大，因此得出測(cè)量結(jié)果也更為精準(zhǔn)。另外，機(jī)器視覺(jué)能夠?qū)⑺矔r(shí)捕捉的圖像信息進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信息的重復(fù)使用，在測(cè)量過(guò)程中無(wú)需與被測(cè)物體，也就是地面接觸，在避免對(duì)被測(cè)物體噪聲損傷的同時(shí)，也降低人為測(cè)量工作的難度和危險(xiǎn)性。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)測(cè)繪工程地面位移形變測(cè)量方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而提升地面位移形變的測(cè)量精度。

1.測(cè)繪工程地面位移形變測(cè)量方法設(shè)計(jì)

利用機(jī)器視覺(jué)的一系列硬件設(shè)備和通信裝置，設(shè)置測(cè)量?jī)?nèi)容為研究區(qū)域內(nèi)地面垂直方向的位移形變量，測(cè)量原理（如圖1所示）：

圖1 機(jī)器視覺(jué)測(cè)量原理圖

在機(jī)器視覺(jué)硬件設(shè)備的支持下，收集地面圖像，并將其 傳輸給計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)對(duì)圖像信息的處理與分析后，提取形變特征點(diǎn)，對(duì)比前后多個(gè)特征點(diǎn)位置，得出地面位移形變測(cè)量結(jié)果。

1.1 選擇機(jī)器視覺(jué)測(cè)量設(shè)備型號(hào)

根據(jù)機(jī)器視覺(jué)的運(yùn)行原理，分別從相機(jī)、鏡頭和光源三個(gè)方面選擇設(shè)備型號(hào)。電荷耦合器件和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體是相機(jī)的兩種成像元件，由于電荷耦合器件具有占用空間小、集成度高以及處理速度快等優(yōu)勢(shì)，因此，優(yōu)先選擇面陣CMOS相機(jī)[2]。設(shè)置曝光時(shí)間和分辨率作為相機(jī)型號(hào)選擇的約束指標(biāo)，其中，定義最短曝光時(shí)間為1/16s。相機(jī)分辨率可以通過(guò)公式（1）來(lái)估計(jì)。

式（1）中，H和H′為視野范圍水平長(zhǎng)度和水平方向分辨率；V和V′為視野范圍垂直長(zhǎng)度和垂直方向分辨率[3]；σ為方差。為了避免鏡頭變焦現(xiàn)象的發(fā)生，選用定焦鏡頭，且選擇的鏡頭需要帶有調(diào)節(jié)光圈的功能，并支持手動(dòng)和自動(dòng)兩種調(diào)節(jié)方式。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)中光源的作用是增強(qiáng)待處理的物體特征，同時(shí)，降低環(huán)境噪聲對(duì)成像結(jié)果的干擾，選擇的光源需要滿足強(qiáng)度適中、光照均勻、范圍合理等條件。

1.2 機(jī)器視覺(jué)相機(jī)標(biāo)定

相機(jī)標(biāo)定是相機(jī)設(shè)備采集圖像與實(shí)際空間之間的橋梁，確定相機(jī)的光學(xué)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換[4]。分別定義相機(jī)、圖像、成像和世界四個(gè)坐標(biāo)系，四個(gè)坐標(biāo)系的關(guān)系（如圖2所示）：

圖2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

圖像坐標(biāo)系中的任意一點(diǎn)（u0，v0）在成像坐標(biāo)系中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)如式（2）所示：

式（2）中，dx和dy分別為成像坐標(biāo)系中任意像素在x軸和y軸方向上的物理尺寸；s′為傾斜因子[5]。那么相機(jī)成像的過(guò)程也就是世界坐標(biāo)系節(jié)點(diǎn)變換到圖像坐標(biāo)系的過(guò)程如式（3）所示：

式（3）中，（XC，YC，ZC）和（XW，YW，ZW）分別為圖像和世界坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)，參數(shù)A為相機(jī)參數(shù)矩陣；ZC為標(biāo)定參數(shù)。另外，R和t分別為旋轉(zhuǎn)正交矩陣和平移向量。將測(cè)繪工程地面上的任意一點(diǎn)代入到公式（3）中，便可以得到該點(diǎn)在圖像中的像素位置坐標(biāo)。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)相機(jī)的標(biāo)定，測(cè)繪地面的位移形變測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量圖像坐標(biāo)系中的位移量，便可轉(zhuǎn)換得出實(shí)際空間中的位移量。

1.3 測(cè)繪工程地面圖像采樣與量化

利用機(jī)器視覺(jué)和硬件設(shè)備的成像原理，在光源設(shè)備的支持下，得出一張地面采樣圖像。采樣圖像上的光照強(qiáng)度特征如式（4）所示：

式（4）中，變量i（x，y）和r（x，y）分別為光能的入射函數(shù)和反射函數(shù)。經(jīng)過(guò)對(duì)連續(xù)光強(qiáng)圖像的離散處理，形成采樣圖像對(duì)應(yīng)的量化數(shù)字圖像，并將其存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。同理在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，采集第二張地面圖像，經(jīng)過(guò)多次采樣得出連續(xù)的圖像序列。

1.4 測(cè)繪工程地面圖像預(yù)處理

1.4.1 圖像灰度化

測(cè)繪工程地面上的物體以行的方式掃描到相機(jī)設(shè)備中，在三棱鏡的分色作用下，機(jī)器視覺(jué)生成的圖像均為彩色圖像。由于位移形變測(cè)量與地面顏色的關(guān)系不大，因此，為了降低測(cè)量工作量和工作難度，需要對(duì)采樣圖像進(jìn)行灰度化處理。假設(shè)初始圖像均為RGB格式，則圖像的灰度化處理過(guò)程如式（5）所示：

式（5）中，R、G和B分別為初始采樣圖像的顏色分量，最終輸出結(jié)果A為圖像的灰度值。將圖像中所有的像素點(diǎn)數(shù)據(jù)代入到公式（5）中，便可以得到對(duì)應(yīng)的圖像灰度矩陣，且矩陣中各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值均控制在區(qū)間[0,255]內(nèi)。

1.4.2 傅立葉變換

傅立葉變換的目的是將圖像的時(shí)序特征轉(zhuǎn)換成頻率特征，從而體現(xiàn)出圖像中灰度變化的劇烈程度，并以此作為判斷地面形變位置的重要指標(biāo)。以采樣圖像f（x,y）為例，其變換過(guò)程如式（6）所示：

式（6）中，參數(shù)M和N分別為圖像f（x,y）的行數(shù)和列數(shù)；u和v為傅立葉變換后兩個(gè)方向上的頻率變量；j為常數(shù)系數(shù)。通過(guò)公式（6）的變換處理，可以實(shí)現(xiàn)兩種類型信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，并得出圖像的頻率分析結(jié)果。

1.4.3 濾波降噪

在地面圖像采樣和傳輸過(guò)程中，受到通信環(huán)境的影響，不可避免會(huì)產(chǎn)生高斯噪聲和椒鹽噪聲干擾，噪聲信號(hào)的存在會(huì)在一定程度上影響位移形變測(cè)量結(jié)果的精度，因此，需要利用濾波函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理。優(yōu)化設(shè)計(jì)的測(cè)量方法中選擇巴特沃斯濾波函數(shù)，其表達(dá)式為：

式（7）中，D（u，v）為輸入頻率；D0為濾波函數(shù)的截止頻率；n為濾波器階數(shù)。通過(guò)公式（7）的運(yùn)算，可以過(guò)濾掉圖像中低通噪聲和高通噪聲，在一定范圍內(nèi)有效降低了圖像中的噪聲占比。

1.4.4 定位人工標(biāo)記點(diǎn)

為了降低測(cè)量標(biāo)志的材料和形狀對(duì)圖像處理結(jié)果的影響，在圖像處理過(guò)程中設(shè)置了合理的人工標(biāo)志，一般來(lái)說(shuō)，人工標(biāo)志為實(shí)心圓形狀，標(biāo)記結(jié)構(gòu)（如圖3所示）：

圖3 人工標(biāo)記點(diǎn)示意圖

根據(jù)連通域的質(zhì)心位置識(shí)別圓形標(biāo)志點(diǎn)，并利用最小二乘橢圓擬合算法確定圓形標(biāo)志點(diǎn)位置。

1.5 確定地面位移形變特征點(diǎn)

對(duì)連續(xù)圖像進(jìn)行比較，提取灰度變化的像素點(diǎn)，并將其設(shè)置為位移形變特征點(diǎn)，提取該點(diǎn)的質(zhì)心特征。該方法將圖像中像素的強(qiáng)度集中在圖像中心，利用圖像幀中心確定代表圖像特征向量的坐標(biāo)系的中心，在跟蹤之前完成特征點(diǎn)目標(biāo)的捕獲，使目標(biāo)完全位于視場(chǎng)區(qū)域。特征點(diǎn)目標(biāo)的質(zhì)心坐標(biāo)如式（8）所示：

式（8）中，f（i，j）為圖像中（i，j）位置上的像素強(qiáng)度；xij和yij分別為（i，j）位置上像素中心在x軸和與y軸方向上的坐標(biāo)。

1.6 實(shí)現(xiàn)地面位移形變測(cè)量

根據(jù)地面位移形變特征點(diǎn)的確定結(jié)果，得出位移形變量化測(cè)量結(jié)果。地面位移形變可以分為兩種情況：一種是位移形變方向與實(shí)現(xiàn)方向一致，此時(shí)利用公式（2）進(jìn)行逆運(yùn)算，便可以得出位移形變圖像像素對(duì)應(yīng)的空間環(huán)境坐標(biāo)，并利用公式（9）得出位移測(cè)量結(jié)果。

式（9）中，y0為初始地面縱向坐標(biāo)；yi為形變變化后統(tǒng)一位置的縱向坐標(biāo)，另外max為最大值函數(shù)。若在地面形變的過(guò)程中出現(xiàn)水平影響因素，使得位移形變與視線方向之間出現(xiàn)夾角，則此時(shí)的位移量如式（10）所示：

式（10）中，θ為位移形變方向與視線方向之間的夾角。為了降低光源和環(huán)境溫度帶來(lái)的測(cè)量誤差，對(duì)初步輸出的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償處理，處理過(guò)程如式（11）所示：

式（11）中，Δx和Δy分別為測(cè)量補(bǔ)償量。

2.測(cè)量精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析

為了測(cè)試設(shè)計(jì)機(jī)器視覺(jué)的測(cè)繪工程地面位移形變測(cè)量方法的測(cè)試精度，以及在測(cè)繪工程中的應(yīng)用性能，在實(shí)際測(cè)繪工程項(xiàng)目的支持下進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并得出量化的測(cè)試結(jié)果。

2.1 測(cè)繪工程項(xiàng)目概述

選擇的測(cè)繪工程為中國(guó)西北地區(qū)一處新開(kāi)發(fā)的礦山地區(qū)，測(cè)繪工程的目的是結(jié)合開(kāi)發(fā)對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。測(cè)繪工程研究地區(qū)的覆蓋范圍約為2462km2，其中，包括山丘、平原、河流等多種地質(zhì)類型，測(cè)繪工程的施工時(shí)間為2020年11月至2021年4月，為期5個(gè)月。

2.2 配置實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境包括硬件和軟件兩個(gè)部分：其中硬件部分為設(shè)計(jì)的地面位移形變測(cè)量方法以及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行提供設(shè)備支持，而軟件部分主要對(duì)硬件設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理。由于設(shè)計(jì)的測(cè)量方法應(yīng)用了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，因此，配置的實(shí)驗(yàn)環(huán)境（如圖4所示）：

圖4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境裝置連接示意圖

從圖4中可以看出，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的硬件部分主要由光照模塊、成像模塊、信號(hào)傳輸模塊以及計(jì)算機(jī)分析模塊等設(shè)備組成。計(jì)算機(jī)分析模塊采用Dell計(jì)算機(jī)為主測(cè)計(jì)算機(jī)，該設(shè)備的CPU為E3-1230 V2@3.30Hz，安裝內(nèi)存16.0GB，能夠滿足機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)處理要求。交換機(jī)設(shè)備用來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量信號(hào)的傳輸，采用S1700-8G-AC千兆交換機(jī)和無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，保證傳輸距離大于20m。另外，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的相機(jī)和鏡頭設(shè)備參數(shù)（如表1所示）：

表1 相機(jī)和鏡頭參數(shù)設(shè)置表

考慮到地面位移形變圖像采樣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)引發(fā)相機(jī)處理數(shù)據(jù)量過(guò)大的問(wèn)題，因此，設(shè)置相機(jī)的連續(xù)采樣時(shí)長(zhǎng)為60s。實(shí)驗(yàn)軟件環(huán)境方面采用labview與matlab混合編程模式，將位移形變測(cè)量方法的運(yùn)行分為采集、處理和輸出3個(gè)部分，實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的軟件運(yùn)行界面（如圖5所示）：

圖5 地面位移形變運(yùn)行界面

2.3 設(shè)置地面形變標(biāo)準(zhǔn)位移量

在測(cè)繪工程研究環(huán)境下，設(shè)置多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，并對(duì)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)設(shè)置位移形變量，以此作為測(cè)量精度的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)位移量的設(shè)置情況（如表2所示）。

表2 地面形變標(biāo)準(zhǔn)位移量設(shè)置表

2.4 描述現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程

為了形成實(shí)驗(yàn)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)設(shè)置了傳統(tǒng)的位移形變測(cè)量方法和基于SBAS技術(shù)的形變測(cè)量方法作為實(shí)驗(yàn)的兩種對(duì)比方法，且兩種對(duì)比方法的運(yùn)行環(huán)境和處理樣本均相同，保證實(shí)驗(yàn)變量唯一。收集實(shí)時(shí)采集的研究地區(qū)圖像序列，并將其導(dǎo)入到主測(cè)計(jì)算機(jī)中，兩種對(duì)比方法無(wú)法調(diào)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)采集的圖像數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)3種測(cè)量方法的運(yùn)行與數(shù)據(jù)處理，得出測(cè)量結(jié)果（如圖6所示）：

圖6 地面位移形變測(cè)量輸出結(jié)果

設(shè)置實(shí)驗(yàn)變量為地面位移形變測(cè)量誤差，誤差越小證明測(cè)量精度越高，反之，則說(shuō)明測(cè)量精度越低。

2.5 測(cè)量精度測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄與統(tǒng)計(jì)，得出量化測(cè)量結(jié)果，其中，設(shè)計(jì)測(cè)量方法得出的結(jié)果（如表3所示）：

表3 設(shè)計(jì)地面位移形變測(cè)量數(shù)據(jù)表

同理可以得出兩種對(duì)比方法的位移形變測(cè)量數(shù)據(jù)，將表3以及對(duì)比方法輸出的數(shù)據(jù)與表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，便可以得出測(cè)量誤差測(cè)試結(jié)果（如表4所示）：

表4 測(cè)量誤差數(shù)據(jù)表

從表4中可以直觀地看出：3種測(cè)量方法的平均誤差分別為0.97mm、0.36mm和0.06mm，由此可見(jiàn)：基于機(jī)器視覺(jué)的測(cè)繪工程地面位移形變測(cè)量方法的測(cè)量誤差更小，即測(cè)量精度更優(yōu)。

3.結(jié)束語(yǔ)

測(cè)繪工程作為地質(zhì)勘查工作中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度有著較高的要求，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用，不僅提供了地面位移形變的準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果，同時(shí)也降低了人員工作的難度。