基于物联网的低成本测量标志实时监测技术研究

詹艳春 吴志文 刘华光 唐国礼 刘天清 王亚伟

引用格式：詹艳春，吴志文，刘华光，等.基于物联网的低成本测量标志实时监测技术研究[J].国土资源导刊，2023，20（04）：137-141.

Reference format：Zhan Yanchun，Wu Zhiwen，Liu Huaguang，et al.Research on real-time monitoring technology of low cost measuring markers based on internet of things[J].Land & Resources Herald，2023，20（04）：137-141.

摘  要：提前预警和及时制止测量标志损毁行为是测量标志保护工作的重要内容。本文基于物联网、无线网络、位移感知、视频监测和GIS空间技术及大数据分析等现代技术手段，提出一种基于物联网的低成本测量标志监测方案，对测量标志实时监控和动态感知，及时预警潜在的破坏风险。试验结果表明，通过集成太阳能供电、视频监控摄像、智能传感器等设备，能够有效提升测量标志事前监管效率，及时发现可疑的破坏行为，同时成本低，可推广，能够提升测量标志保护的信息化、智能化和精细化管理水平。

关键词：物联网；低成本；测量标志；实时监测；摄影测量

中图分类号：P208        文献标志码：A          文章编号：1672-5603（2023）01-137-05

Research on Real-time Monitoring Technology of Low Cost Measuring Markers Based on Internet of Things

Zhan Yanchun，Wu Zhiwen，Liu Huaguang，Tang Guoli，Liu Tianqing，Wang Yawei

（The First Surveying and Mapping Institute of Hunan Province，Changsha Hunan 410114）

Abstract：Early warning and timely prevention of damage to measurement markers are important contents of measurement marker protection work. This article proposes a lowcost monitoring scheme for measurement marker based on the Internet of Things， wireless networks， displacement sensing， video monitoring， GIS space technology， and big data analysis， among other modern technological means. It monitors and dynamically perceives the measurement markers in real-time， timely alerts potential damage risks. The experimental results show that by integrating solar power supply， video surveillance cameras， intelligent sensors and other equipment， the efficiency of presupervision of measurement markers can be effectively improved， and possible destructive behaviors can be detected in a timely manner. At the same time， the cost is low and can be promoted， which can enhance the level of information， intelligence， and fine management of measurement marker protection.

Keywords： Internet of Things; low cost; measurement markers; real time monitoring; photogrammetry

0 引言

测量标志是国家经济建设和科学研究的重要基础设施[1]。由于频繁的人类活动和大量工程建设项目的推进，测量标志经常受到人为破坏[2]。

目前，測量标志保护主要依靠人工定期或不定期的实地巡查[3]，保护效果受限于核查、维护频率[4]。依靠人工手段耗时费力且效率不高，同时对测量标志的破坏行为难以及时发现和制止。随着物联网、4G/5G网络、位移感知、红外侦测、视频监测和GIS空间技术、云计算及大数据分析等现代技术手段[4]的不断发展，如何以信息化、科技化方式介入测量标志巡查过程[5]，采取预见性措施发现可能破坏测量标志的行为，并及时予以制止，提升测量标志信息化、智能化和精细化管理水平，已成为现代测量标志保护亟须解决的问题。本文通过集成视频监控摄像、智能传感器及太阳能供电等设备，建立软硬一体化的低成本测量标志实时监测管理系统，并在湖南省湘阴等地进行试验。结果表明，本文方案能够实时监控测量标志现状变化，及时预警、辅助查处测量标志破坏行为，有效提高测量标志保护能力和管理水平，为测量标志的信息化管理提供了新的解决思路。

1 研究思路

1.1 基本原理

1.1.1 帧间差分法

帧间差分法是一种原理简单，计算量较小的场景运动目标检测方法。该方法通过摄像机拍摄获取一帧一帧的连续图像，对比识别出图像发生变化的部分。在摄像机拍摄位置不变的前提下，当监控场景中的目标发生变化后，位置产生了差异，摄像头捕捉到的图像不同，像素点数值也会发生变化，未发生位移变化的物体，它的像素点数值基本也不会发生变化。通过对时间上连续的两帧图像进行差分算法，不同帧对应的像素点相减，判断灰度差异的绝对值的变化情况，当绝对值超过一定阈值时，即可判断为目标发生变化，从而实现对目标的监测功能。

帧间差分法公式如下：

式中，[x，y]代表像素点坐标；[fnx，y]代表第[n]帧图像；[fn−1x，y]代表第[n−1]帧图像；差分结果为[Dnx，y]。如果差分结果大于阈值[T]，将该像素点指定成255白点，代表前景，否则指定为0，代表背景。最后得到的255白点前景部分即为图像（目标）变化部分。需要注意的是，该方法依赖于选择的帧间时间间隔，对快速运动的物体，需要选择較小的时间间隔，而对慢速运动的物体，应该选择较大的时间间隔。同时还需要辅以其他检测算法（如背景差分法）以保证检测的准确性、实时性。

1.1.2 背景差分法

通过算法对图像的背景进行建模，获取当前场景的背景模型，然后将实时获取的图像与所得的背景模型进行比较，根据比较结果可以确定前景图像的大概位置，实现前景图像与背景的分割。背景建模可以较好地解决当运动物体处于低速或准静止状态时帧间差分无法识别的问题。

该方法需要解决的主要问题是背景建模，背景建模一般有平均时间背景模型、高斯背景模型、Vibe背景提取算法、Cookbook背景模型等。平均背景模型是最简单的一种背景模型，通过求出多个背景图像对应像素点的平均值，然后将待比较的图像对应像素点与平均值比较，如果超过一定阈值则认为其为前景点，如果在一定阈值之内，则认为其为背景点。算法的实现简单，但对背景图像的要求较高，背景图像存在噪声或干扰时则难以获得准确的背景模型。高斯背景模型包括单高斯背景模型和混合高斯背景模型，前者将图像中每一个像素点的颜色值看成是一个随机过程，并假设该点的某一像素值出现的概率服从高斯分布，根据该点的高斯分布参数（均值和方差）判断对应像素点是否为前景点或背景点。后者对其进行了扩展，通过多个高斯概率密度函数（一般为三到五个）的加权平均来平滑近似任意形状的密度分布函数。

本文通过混合背景建模，首先建立背景模型[fb]，对于第[k]帧图像[fk]，通过下式计算得到差分图像，然后类似帧间差分法设定阈值得到二值图像[Rkx，y]。对于小于阈值的点，则被判定为背景点，否则该点为运动目标点。

背景差分法配合帧间差分法可以较好地实现基于单目红外摄像头的运动目标监测，进一步提高监测算法的鲁棒性。

1.2 关键技术思路

1.2.1标志倾斜和垂直位移感知

采用陀螺姿态传感器能够感知标志倾斜和垂直位移。陀螺姿态传感器采用高精度的陀螺加速度计MPU6050，如图1所示。MPU6050是由三个陀螺仪和三个加速度传感器组成的6轴运动组件，且自带数字运动处理器，能够提供姿态四元数。数字滤波技术（卡尔曼滤波）能够有效降低测量噪声，减少粗差干扰，提高测量的精度和稳定性。通过该传感器以20 Hz频率持续采样测量标志点的角度值，利用4G模组发送给管理系统进行位移计算和分析。

1.2.2异常情况感知

利用太阳能摄像头模组解决户外供电和视频监控及预警等问题，低功耗太阳能摄像头模组如图2所示。该模组无需额外供电，可实现24小时远程监控，具备实时和休眠唤醒两种模式。采用低照度CMOS图像传感器和PIR人体红外侦测技术，图像变化识别准确率极高。对于监控的异常情况，可通过管理系统实时向相关管理人员推送预警信息。且该模组支持双向语音，管理人员收到预警信息后，可通过手机移动端远程喊话警告。

1.2.3无线通信

上述模组获得的影像和姿态数据可利用Air724UG 4G模组进行无线网络通信上传至管理系统，如图3所示。Air724UG 4G模组具备丰富的网络协议，支持多种驱动和软件功能。Air724UG属于超小封装 LTE Cat.1 bis模块，采用紫光展锐的UIS8910平台，Air724UG支持LTE 3GPP Rel.13技术，支持VOLTE、SPI LCD、SPI Camera等多种开发方式。

2 技术方法

2.1技术流程

在测量标志内部嵌入陀螺姿态传感器，并在标志附近设置太阳能供电带红外侦测摄像头。开发基于物联网的低成本测量标志实时监测系统，集成地图展示、信息接收、统计分析、传输和发送消息、预警告知[6]等功能。陀螺姿态传感器的角度值和太阳能摄像头的视频图像等监测信息实时通过Air724UG 4G模组上传到控制中心，后台管理系统实时对数据进行分析，判断测量标志是否发生位移、沉降或开盖，以及测量标志附近是否存在人类活动潜在破坏风险等异常情况。当出现异常情况时，系统自动截取该段视频推送至管理人员手机App，同时短信通知，提醒管理人员快速查看并甄别。管理人员核实并确认可能存在的测量标志破坏行为，通过摄像头语音警告并制止，必要时通知属地执法部门介入。技术流程如图4所示。

2.2 管理系统

2.2.1系统架构

管理系统利用视频监控、位移感知、太阳能供电、无线传输和远程通信控制等技术，实现对测量标志实时监测、统计分析和预警，管理人员可对监测设备进行远程操控，实时查看各项监测数据。管理系统架构如图5所示。

2.2.2 系统功能

管理系统具备实时分析功能，基于高精度图像算法处理技术，比较分析摄像头传回的图像，发现平面位移变化和异常情况，同时针对陀螺姿态传感器实时传回的角度值，过滤相同（未变化）角度数据，计算测量标志倾斜下沉幅度，综合图像和角度信息变化，判断测量标志变化是否异常，并将变化信息发送给管理人员。系统还可自动检查陀螺姿态传感器与Air724UG 4G模组连接状况、当前位置温度和湿度、太阳能发电电压、太阳能充电电流及电池电压情况等，在线分析监测设备状态是否异常。系统还具备趋势分析功能，可对比同一标志点在连续多天同一时间段内的累计形变量变化情况。

系统具备的其他功能包括实时（历史）数据查看、报表导入导出、设备状态、预警等。实时数据查看模块展示监测陀螺姿态传感器的角度实时数据，查询指定测项或测点的实时数据。实时曲线查看模块展示标志位移变化测项的实时监测曲线。历史数据查看模块展示指定测项或测点的历史数据。累计形变曲线模块展示某个监测点在指定时间内的累计形变曲线。监测项初值信息模块可查看、设置每个监测项的各个监测点对应的初值信息。报表导出模块分为单个监测点报表导出、监测线数据报表（采集时间：同一条监测线相同时刻的数据）和监测线数据报表（监测点：同一个监测点不同时刻的数据）。报表导入模块提供根据指定格式的数据导入。终端设备状态模块用于展示关联设备终端的在线状态。短信预警模块将预警信息以短信方式发送到管理人员手机。预警阈值查看模块用于设置、展示当前各个监测线的预警阈值信息。

3 试验与分析

3.1 技术验证

利用本文方法在湘阴建立一座测量标志监控设施，当有人进入监控范围，监控摄像头根据图像变化，及时录制视频，并通过无线网络将视频传至平台系统控制中心，控制中心通过手机App即时发出预警消息，测量标志管理员收到预警信息后，核查现场视频，判断测量标志是否遭受破坏，并通过联系当地测量标志管理部门和委托保管人，及时制止破坏行为。测量标志即时监控视频图像如图6所示。

3.2 建设成本

根据本文试点情况，监测设施包括MPU6050陀螺姿态传感器、Air724UG 4G模组、低功耗太阳能红外摄像头、监控立杆等设备，设备材料费和安装费约3 000～5 000元。后期维护成本较低，僅需支付每年固定流量费和5年更换一次蓄电池的费用。

测量标志重建代价非常大[7]。测量标志损毁后重建费用少则几万，多则数十万。除标志选址埋石等基础成本外，还需连测更高等级控制点，并进行平差计算，才能重新获得精确的成果数据，恢复其效能。

4 结语

本文提出的基于物联网的低成本测量标志实时监测技术，能够较好地解决难以及时发现测量标志损毁的问题，为测量标志管理部门提供执法证据和决策依据，有利于提高测量标志的现代化、信息化、智能化管理水平。利用本文研究成果，针对重要或损毁风险较高的测量标志，建设实时监测设施，可降低损毁概率，节省巡查、重建和维护的人力物力，性价比较高，适合大范围推广应用。

参考文献/References

[1]袁建飞.测量标志数据库及管理系统建设研究[J].测绘与空间地理信息，2022，45（11）：67-70.

[2]谢士杰，马建东，黄志洲.关于测量标志保护与管理的思考[J].现代测绘，2009（6）：20-22.

[3]张全德.测量标志保护若干问题的探讨[J].测绘科学，2005，（6）：122-124+9.

[4]孙佳龙.测量标志现状分析及保护措施[J].北京测绘，2022，36（5）：624-628.

[5]王石.测绘标志管理维护新模式及测量标志信息系统建设浅析[J].测绘标准化，2020（3）：65-68.

[6]苏来香.厦门市测量标志监测系统设计与实现[J].福建电脑.2022（10）：54-58.

[7]纪彦忠，陈祥葱，姜波.基于GIS的测量标志管理系统设计与实现[J].测绘与空间地理信息，2013（6）：75-77.