基于图像分析的水电站导流洞进口边坡变形监测研究

刘新庄

(山脉科技股份有限公司，西安 710065)

0 引 言

自改革开放以来，随着经济的快速增长，我国进入大规模水利建设阶段。水利工程所形成的大坝坝肩边坡、水库库岸边坡规模之大、数量之多、地势复杂举世瞩目[1-2]。一旦这些边坡周围出现地质灾害将会对国家生产经济与人民生命财产安全造成相当大的损失。我国是发生滑坡地质灾害非常频繁的国家，因此对边坡的稳定性展开研究至关重要。

目前，水电站导流洞进口边坡成为滑坡研究中的重点。水电站导流洞进口是水电站稳定的重要基础，一旦其出现问题，将会造成泄洪能力下降的问题[3]。因此，在此次研究中，将其设定为主要的研究对象，并对其边坡稳定性展开研究。边坡失稳的发生并不是无迹可寻的，它也是遵循一定的物理或化学原理发生的，所以怎样有效检测危险边坡并对其实施监测非常重要。在传统的边坡变形监测中，由于监测方法中的技术应用不当，造成监测时间过长，错过黄金维护时间，危害社会经济安全。针对这一问题，很多专家对其进行了研究，取得了一定成果。例如，陈平志等[4]研究了弯曲倾倒边坡开挖变形响应机理与反馈预测，通过分析坝基上游边坡形态与病害分布等对其展开研究；王振林等[5]为了实现边坡稳定性监测，研究了基于时序Sentinel-1数据的锦屏水电站左岸边坡形变探测与特征，以此为基础解决现实问题；李兴明等[6]研究了某水电站导流明渠边坡倾倒变形分区与治理方法，通过结合克里金插值法,分析西部某水电站导流明渠边坡的倾倒变形破坏特点等方式，进行坡体分区后的支护建议。尽管以上方法取得了一定实效，但仍难以实现对水电站导流洞进口边坡变形的高效以及高精度监测。为了提高检测精度和效率，在此次研究中进行了基于图像分析的水电站导流洞进口边坡变形监测研究，设定监测设备以及其检测精度，构建边坡监测模型，获取边坡图像信息并进行匹配，完成监测过程，以提升对水电站导流洞进口边坡稳定性的控制能力，保护当地居民的人身安全与财产安全。

1 水电站导流洞进口边坡变形监测方法设计

1.1 监测设备的选用及测量精度设定

在此次方法设计中，为保证监测结果的有效性，对检测过程中使用的设备进行设定。通过文献分析可知，影响水电站导流洞进口边坡变形监测精准度的主要原因由3部分组成：监测设备的分辨率；摄像设备的安装位置；影像数据的处理[7]。在此次研究中，将对上述3部分展开综合处理，提升水电站导流洞进口边坡变形监测方法的使用效果。

在此次研究中，将高精度数码相机作为边坡监测的主要设备，其设备参数设定见表1。

表1 导流洞进口边坡监测设备参数

此次设计中选用的相机参数如上所述，对其分辨率进行设置。设定边坡检测范围为A*B，相机的分辨率为C*D，则边坡观测的分辨率可表示为：

(1)

式中：Ua与Ub分别为边坡物面在水平方向与垂直方向上的分辨率，且两个方向的分辨率在同一图像中的关系可表示如下：

Ua=Ub

(2)

由此可知，边坡监测分辨率的实际意义是指边坡图像的像素占用范围的大小。由此，可得到边坡变形监测的精度要求。根据摄影测量图像要求的基本关系式可得到下述公式：

(3)

式中：P为检测图像像素参数；v为图像的分辨率大小；e为图像的主相距。

对此公式推导可知，监测主点中误差(cx0,cy0)与主相距e的误差ce与边坡空间的坐标误差可表示为：

(4)

由于此次监测仅对边坡的平面尺寸进行设定，当边坡存在景深问题时，设定深入差为h，则其误差可表示为：

(5)

对上述公式展开整合，可初步得到边坡各方位元素的监测精度要求估算公式，具体如下：

(6)

上述公式仅对方位元素的误差展开处理，当监测误差较大时，设定误差个数为n，则式(6)可推导为：

(7)

对上述公式展开分析可知，方位元素的测量精度与待测边坡的测量精度(cx,cy,ch)具有直接的关系。方位元素的测量精度越高，边坡监测的测量精度就越高[8]。采用上述设定监测设备以及测量精度，作为此次方法设计实现的基础。

1.2 边坡监测模型设定

通过上述设定，在边坡的相应位置设定观测点，获取边坡图像，采用位移计算的形式，获取边坡的形变数据与稳定情况[9-10]。各监测点的图像采集由两台相机完成，具体采集模型见图1。

图1 边坡监测模型

由图1可知，成像设备1的坐标系可表示为T1-xlylzl，成像设备2 的坐标系可表示为T2-xryrzr；成像设备1图像坐标系为W1-xlyl，成像设备2 图像坐标系为W2-xryr，中心点z的坐标系为(xz,yz,zz)。根据成像设备坐标系与监测图像坐标系之间的关系与透视变换原理，可得到下述关系式[11]：

(8)

(9)

通过上述公式，可将成像设备之间的图像进行转化则有：

(10)

为了更好地完成边坡监测过程，将式(8)-式(10)联立，则有：

(11)

由上述公式可知，通过两成像设备得到Jlr与两设备的角度，并反算出此监测点的三维坐标，由此基础监测模型构建完成。为提升边坡监测的可靠性，将其模型优化为三维模型，则其边坡成像显示见图2[12-13]。

图2 边坡立体图像模型

通过上文中设定的模型以及几何关系可得出监测图像之间的关系，具体公式如下：

(12)

设定两成像设备之间的误差为s=Xleft-Xright，则z的左侧成像设备坐标可表示为：

(13)

在上述部分中设定了成像设备的图像采集位置，通过上述设定对边坡实施监测。

1.3 边坡变形监测匹配

通过上述部分对边坡的进行监测，并获取相应的监测结果，设定某监测点在两监测图像中的坐标分别为(g1,h1)与(g2,h2)，则该点在监测坐标系中的坐标差可表示为：

(14)

(15)

则监测边坡位移中的误差数据可表示为：

(16)

式中：Dgh为此监测点在上一次监测中的位置变化，通过坐标转换公式可得到公式中的具体数值。其转换过程如下[14-15]。

(17)

将上式中的X、Y看作两个相互独立的数值，则监测图像匹配公式可写作：

(18)

采用此公式，可得到监测点在多次监测中图像的位移数据，对上述数据进行处理，得到水电站导流洞进口边坡变形数据，完成对水电站的边坡监测工作。

将上文中设计部分有序结合，并将其与传统的监测方法进行融合。至此，水电站导流洞进口边坡变形监测方法设计完成。

2 仿真分析

在上文中，完成了水电站导流洞进口边坡变形监测方法的设计部分。为验证上文中方法在现实问题中的使用效果，构建实验环节。

2.1 实验环境设计

在此次实验过程中，采用文中设计方法与其他两种传统方法对选定的实验对象进行监测，并对比3种方法的使用中的差异性。此次实验对象为某水电站导流洞进口边坡，为保证实验对比的有效性，对实验对象的力学参数进行模拟。具体模拟结果见表2。

表2 实验对象岩体力学参数表

通过对此边坡研究可知，根据《水电水利工程边坡设计规范》(DL 5353-2006)，此导流洞进口边坡为A类(枢纽工程区边坡)。因此，对此边坡的抗滑稳定安全系数的要求较高。根据上述信息，选定此边坡作为实验研究对象。

2.2 实验设备选型

在此次实验中，为将3种监测方法应用于同一实验平台中，对实验中使用的设备展开设计。在此次实验中设定一组两部成像设备，将其通过服务器与PC端相连，通过成像设备获取边坡的图像并采用PC端对其图像展开处理与计算。

采用上述实验设备作为此次实验平台组成部分，并使用此实验平台完成文中设计方法与其他两种方法的对比过程。

2.3 实验对比指标

在此次实验中，对监测方法的监测时间展开对比。通过研究可知，在目前的水电站导流洞进口边坡变形监测过程中，由于获取监测结果的时间过长，导致边坡修复速度受到影响，对于水电站的运行造成安全隐。因此，选定此指标作为实验的对比对象。在实验的过程中，设定5组监测点，对监测点的变形情况进行监测，当发现边坡变形时，停止实验并记录下监测时间。为提升实验结果的对比性，将实验环境设定为雨季与旱季，获取两种不同实验环境下的监测时间，分析3种方法在不同季节在某水电站导流洞进口边坡的使用特点。

2.4 实验结果分析

实验结果见图3-图5。

图3 文中设计方法实验结果

图4 文献[4]方法实验结果

图5 文献[5]方法实验结果

由图3实验结果可知，文中设计方法在两种不同的环境下的形变监测时长较为一致。没有因为季节模拟的变化，造成监测响应时间过长的问题。同时，通过图像也可以看出，文中设计方法的监测能力较好，在同一监测环境时，不同监测点的监测响应时间较为一致，没有出现波动较大的问题。可见，文中设计方法在使用过程中的稳定性较高。

通过图4实验结果可知，文献[4]方法的监测时间明显增长。在同一监测环境中，出现监测点监测时间较长的问题。同时，对比两种环境下文献[4]方法的监测效果可以看出，在不同的季节中，文献[4]方法的监测时间相差较大。通过对此结果分析可知，该方法的使用效果稳定性较差，不适用于季节划分较为明显地区的水电站监测工作。

由图5实验结果可看出，文献[5]方法在使用中出现相应的问题。通过图像可以看出，文献[5]方法在不同季节模拟中的监测结果波动较小，走向较为一致。但其监测时间过长，造成水电站周边居民的人身安全受到影响。由此可知，该方法的使用效果并不是很理想。同时，图5实验结果表明，仅具有稳定的监测结果无法满足边坡监测要求。

将上述得出的文中设计方法实验结果、文献[4]方法实验结果以及文献[5]方法实验结果详细分析可知，在不同的测试环境下，文中设计方法的使用效果最佳，对于水电站水土的保护与监测能力更佳。在日后的使用中，可将此方法应用于现实问题中，提升边坡监测效果。

为了更直观、更有力证明本文方法的优越性，进一步分析3种方法的水电站导流洞进口边坡变形监测精度对比，结果见图6。

图6 不同方法监测精度对比

分析图6可知，采用3种方法进行水电站导流洞进口边坡变形监测，本文方法的监测精度始终要高于其他两种方法，最高可达97%，且更为稳定，证明本文方法的优越性。为了更深入地分析本文方法的性能，继续对比3种方法的监测效率，见图7。

图7 不同方法监测效率对比

分析图7可知，采用3种方法进行水电站导流洞进口边坡变形监测，本文方法的检测效率也远远高于另外两种方法，最高为96%，明显缩减了检测时间。通过上述的实验分析，可以有效证明本文方法的优越性，具有较为广阔的应用空间。

3 结 语

此研究以实现水电站导流洞进口边坡变形高精度监测为目的，研究新型的水电站导流洞进口边坡变形监测方法。在研究的过程中，设定了相应的使用设备，完成监测过程。通常情况下，为获取更加有效的变形数据，会采用转换监测点的方式，但在此次研究中使用数据处理，实现数据的合理性。此方法的优势较为明显，提高了检测精度和检测效率，最高可达95%以上，而且使整个监测工作的劳动强度得到下降，更符合现代工程的要求。在此方法的使用中还存在许多困难，使其完善成熟还有许多工作需要去做。在数据的处理和成像设备的检测中还有许多方面对监测的精度造成一定程度的影响，因此在今后的研究中，要想获取高精度的边坡形变监测数据还需要作出更加全面与系统的研究。