基于图像处理的防波堤结构安全监测技术初探

刘 亮，王 平，邢建春，孙 亮

(中国人民解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)



基于图像处理的防波堤结构安全监测技术初探

刘 亮，王 平，邢建春，孙 亮

(中国人民解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

通过对防波堤结构损伤机理的分析，提出一种基于图像处理的防波堤结构安全监测方案。方案首先根据防波堤斜坡护面块体的设计安装情况选点定位设编码号牌；继而利用无人航行器挂载水下摄像机沿预先设定好的路线航行，获取防波堤斜坡面的图像信息；通过图像校正、位移检测、图像测量等技术，检测出防波堤护面块体的位移情况；最后，依据形变严重程度，及时采取相应措施进行修复，确保防波堤处于正常的运行状态。

防波堤；结构安全监测；图像校正；位移检测；图像测量

0 引言

防波堤是为保护港口水域不受波浪入侵、围护港池、维持水面平稳而修建的水工建筑物，是国防工程的重要组成部分[1]。由于防波堤工作环境比较恶劣，易受到气象、水文、泥沙运动等因素的影响，长期以来对防波堤(断面示意图如图1所示)结构安全监测的研究进展相对比较缓慢[2]。虽然近几十年来，在防波堤结构优化、设计施工等方面取得了很大的进步[3]，但对防波堤结构安全监测还少有系统性的研究[4]，现有的监测手段主要依靠潜水员定期巡视的方式进行。

图1 防波堤断面示意图

近年来，随着港口建设规模的不断扩大，防波堤建设开始向深海水域发展，其安全状况也越来越受到人们的关注[5]。尤其是军事工程，其将直接影响到战备训练任务的完成[6]。因此，寻找一种有效可行的防波堤结构安全监测方案，在防波堤坍塌事故发生之前，对防波堤进行安全可靠的保护，成为国内外研究的重要课题。

1 防波堤安全监测技术方案

本文针对目前的防波堤结构安全监测方法比较粗放、监测范围有限等缺点[7]，提出了一种基于图像处理的防波堤结构安全监测方案，并拟定技术方案如图2所示。

图2 技术方案

方案首先根据防波堤斜坡护面块体的设计安装情况选点定位设置编码号牌；继而利用无人航行器挂载水下摄像机沿预先设定好的路线航行，获取防波堤斜坡面的图像信息；通过图像校正、位移检测、图像测量等技术，检测出防波堤护面块体的位移情况；最后，依据损伤严重程度，及时采取相应措施进行修复，确保防波堤处于正常的运行状态。

1.1 选点编码

首先通过图像编码技术对防波堤斜坡护面块体进行选点定位编码，根据防波堤斜坡护面块体设计安装情况，依照胸墙自然分布从左往右按一定的密度随机设置编码牌(编码示意图如图3所示)，即1号编码牌、2号编码牌、3号编码牌……，并在防波堤斜坡面上设置若干相互距离已知的基准点编码牌，即A-B段、B-C段、B-D段、D-E段、D-F段……，编码牌采用磷镁发光不锈钢牌，水下射钉枪固定。

图3 防波堤斜坡护面块体编码示意图

按此方法对整个防波堤护面块体选点定位编码号牌。一来为无人航行器水下拍摄起到参照点的作用，且对防波堤的拍摄由过去的对斜坡面的拍摄转换到对编码牌的拍摄，编码牌采用磷镁发光不锈钢牌，能够将光线沿射进来的角度反射回发光处，水下拍摄时更加清晰；二来依据胸墙编号和编码牌上的数字信息对防波堤护面块体的位移监测起到定位的作用，且定位准确，解决了GPS卫星信号无法穿透水面的问题。

1.2 水下摄像

在编码工作完成后，需利用无人航行器挂载水下摄像机[8]对防波堤斜坡面进行图像数据采集，获取大量的覆盖完全并具有一定重叠度的数码照片，无人航行器在水面以下3 m水域航行，工作环境比船舶携带成像设备在水面航行稳定。依据防波堤的实际走向，无人航行器预先设定好固定的航行路线，确保多次巡航时路径一样，且尽量确保摄像头与防波堤斜坡面平行，方便后期的图像处理，减少数据处理量，提高检测效率。

1.3 图像校正

由于成像系统受到拍摄角度、光线、折射等因素的影响，会使获得的防波堤斜坡图像产生几何失真[9]。当对图像作测量计算时，就要先对出现几何失真的防波堤斜坡图像进行校正(几何校正示意图如图4所示)，以免影响测量分析的精度[10]。

图4 几何校正示意图

为提高图像校正的效率，先初步观察，将严重失真变形的图像剔除，对剩下的斜坡图像通过图像透视投影和双线性插值实现图像视角修正[11]，使图像各部分与实物比例一致，并通过已知的基准点之间的间距与其对应的像素距离求得图像像素解析度。并按此方法对整个防波堤所拍摄的图像进行校正，最后通过图像拼接，实现防波堤斜坡面图像的整体绘制。

1.4 位移检测与图像测量

在图像校正工作完成后，为方便图像计算，去除干扰因素，将获得的防波堤斜坡图像进行图像增强[12]，通过图像灰度化、直方图修正、滤波等算法弱化防波堤图像的背景，将图像中编码牌和所设基准点号牌突显出来。由此，防波堤斜坡面可看成由若干相互距离已知的基准点编码牌和其他位置随机设置的编码牌构成，示意图如图5所示。可通过对编码牌的位移检测来监测防波堤护面块体的走动情况，并将防波堤护面块体在初始位置时的图像，即编码牌没有发生走动的图像作为原图保存起来，方便后期的参照分析。

通过对防波堤护面块体各种损伤情况的分析可知，常见的损伤情形有单个编码牌的走动(如图6所示)、多个编码牌的走动(如图7所示)、编码牌的丢失(如图8所示)、基准点的走动或丢失(如图9所示)等。

在获得图像数据后，对编码牌的位移检测，拟通过对位移前后的图像进行对比。可利用图像特征点匹配或图像相似度识别的方法进行位移检测[13]，在前期参与导师课题的过程中，提出了一种基于区域灰度变化的自适应FAST角点检测算法，可尝试利用所提出的改进FAST角点检测算法检测编码牌的走动。

从文献[14]获知，还可利用MATLAB将原图和后期拍摄的图片同时打开，然后将后期拍摄的图片覆盖原图，在图层面板上调整后期拍摄的图片到合适的透明度，可通过图像对比找出发生走动的编码牌，从而确定护面块体位移部位。

图5 防波堤斜坡面等效示意图

图6 单个编码牌走动

图7 多个编码牌走动

图8 编码牌丢失

图9 基准点走动

在定位了护面块体的位移部位之后，需要判断位移的严重程度，通过图像测量的方法计算出位移的大小，图10给出了测距法计算示意图。

图10 测距法示意图

假设7号编码牌发生了移位，与它相邻的基准点为B点和D点，在图像中通过基准点B点和D点之间的像素距离d计算出7号点与基准点B的像素距离a，以此类推，计算出a’，b，b’，h，h’的长度，根据勾股定理(如图11所示)计算出BT和BR之间的像素距离c和c’。利用直角梯形已知三条直角边，求斜边的方法，算出斜边长度，再依据校正图像时求得的像素解析度，从而求出编码牌走动的实际距离。若出现了基准点自身发生走动的情形，则依据就近原则，选取相邻的其他有效基准点作为计算参考点，再进行相应的距离计算。

图11 勾股定理示意图

此外，防波堤斜坡护面块体的损坏是一个相对缓慢的过程，护面块体小范围的走动对防波堤的影响不大。因此，对防波堤结构安全的监测，除了日常的定期巡检外，还应在台风、海啸等自然灾害发生后进行加急巡检，及时掌握防波堤的安全运行状况。

2 结论

防波堤结构的损坏造成的各种隐患危害和经济损失已经引起了人们的重视。本文在这一背景下，提出了一种基于图像处理的防波堤结构安全监测方案，并对关键技术进行了初步探索分析，对防波堤结构运行状况的监测研究具有一定的创新性和前瞻性意义。

[1] 胡永富. 海堤公路建设关键性技术研究[D]. 杭州：浙江大学, 2012.

[2] 吴永强, 李炎保, 刘颖辉. 防波堤损坏研究进展及损坏原因浅析[J]. 港工技术, 2008(2):8-11.

[3] 杨鲲. 海洋调查技术及应用[M]. 武汉:武汉大学出版社,2009.

[4] 张宏志. 深水防波堤动力稳定性分析方法研究[D]. 天津:天津大学, 2005.

[5] 孔晖. 防波堤蛇行破坏成因分析及数学模型研究[D]. 天津:天津大学, 2007.

[6] 杨启亮, 邢建春, 王平,等. 军事工程物联网:概念模型、支撑技术与领域应用[J]. 中国工程科学, 2013, 15(5):95-105.

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[8] 郝阳, 赵新华, 辛久元. 自主水下航行器模糊自校正航迹控制[J]. 微型机与应用, 2014, 33(8):75-77.

[9] 林婧. 基于序列图像的全景图像拼接技术的研究[D]. 沈阳:沈阳理工大学, 2009.

[10] 翁日暖. 基于Web的臭氧浓度分析系统[D]. 大连:大连海事大学, 2009.

[11] 裴耀东, 刘志文. 基于数字图像处理的混凝土裂缝宽度检测[C].第2届全国结构工程学术会议, 2016:474-477.

[12] 刘晓光. 基于水下图像增强滤波方法的研究[D]. 青岛:中国海洋大学, 2010.

[13] 张格森, 陈东生, 王怀野,等. 一种图像局部特征快速匹配算法[J]. 电子技术应用, 2015, 41(11):124-127.

[14] 魏丽玲, 朱平, 石永亮,等. 基于FPGA的图像采集与存储系统设计[J]. 电子技术应用, 2015, 41(11):67-69.

Study on safety monitoring technology of breakwaters based on image processing

Liu Liang, Wang Ping, Xing Jianchun, Sun Liang

(College of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

Based on the analysis of the damage of the breakwater structure, a safety monitoring scheme for the breakwater structure is proposed based on image processing. First of all, according to the design and installation of the breakwater slope protection block, it designs number plate; and then it uses unmanned aircraft mounted underwater camera along a pre-set route navigation, to access to breakwater data information; through image correction, displacement detection and image measurement technology, it detects the displacement of breakwater armor blocks; at last, according to the severity of injury, it takes appropriate measures timely to make sure the breakwater is in normal operation condition.

breakwater; structural safety monitoring; image correction; displacement measurement; image measurement

U656.3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.022

刘亮，王平，邢建春，等.基于图像处理的防波堤结构安全监测技术初探[J].微型机与应用，2017,36(12)：75-77，83.

2016-11-30)

刘亮(1993-)，男，通信作者，硕士研究生，主要研究方向：计算机视觉和图像处理。E-mail：18262281433@163.com。

王平(1970-)，男，硕士，教授，主要研究方向：国防工程智能化。

邢建春(1964-)，男，博士，教授，主要研究方向：计算机视觉和图像处理、虚拟现实技术、智能控制。