[发明专利]滑坡体位移和姿态远距离快速监测报警装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及目标监测技术领域，是一种基于单数码相机的滑坡体位移和姿态远距离快速监测报警装置及方法。 

背景技术

进入新世纪新阶段，伴随着经济社会发展的加速，经济活动的加剧，对自然资源的过度开发，人口数量的剧增，生态环境的恶化，使得我国自然灾害呈现日趋严重的发展趋势，抗灾救灾工作面临严峻挑战。在众多自然灾害中，地震是地球内部介质局部发生急剧破裂引发的灾害，全球主要有三条地震活动带，其中我国位于环太平洋地震带和欧亚地震带上，中国台湾地区是环太平洋地震带影响地区的主要代表，而四川、西藏、云南等西部地区受欧亚地震带影响较多，这些地区成为我国地震频发区。地震造成的灾害首先是破坏房屋和建筑物，严重威胁震区人民群众的生命和财产安全。目前地震短期预报还是未解难题，突如其来的强烈地震，造成大量来不急撤离的人员被倒塌房屋掩埋，早一分钟营救就多一分生的希望，救援人员往往在地震尚未平息时就地展开工作，在救援过程中，除了注意埋压人员的安全，也要监测救援现场周围遭到破坏但尚未倒塌的建筑物、可能发生的滑坡等危险目标，保证救援人员的安全和救援工作的顺利进行。 

滑坡灾害则是斜坡岩土体沿着惯通的剪切破坏面所发生的滑移现象，其机制是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度所致。中国西南地区，特别是西南丘陵山区，最基本的地形地貌特征就是山体众多，山势陡峻，沟谷河流遍布于山体之中，与之相互切割，因而形成众多的具有足够滑动空间的斜坡体和切割面，广泛存在滑坡发生的基本条件，滑坡灾害相当频繁。另外，地震对滑坡的影响很大，首先是地震的强烈作用使斜坡土石的内部结构发生破坏和变化，原有的结构面张裂、松弛，加上地下水也有较大变化，特别是地下水位的突然升高或降低对斜坡稳定是很不利的。 另外，一次强烈地震的发生往往伴随着许多余震，在地震力的反复振动冲击下，斜坡土石体就更容易发生变形，最后就会发展成滑坡。例如，5.12汶川大地震给国家和人民造成了巨大的生命财产损失，对当地地质结构造成巨大破坏所引发的滑坡灾害，至今仍威胁着当地人民的生产生活，而且这种威胁在未来相当长时间内还将持续。此外，由于地质构造、降雨造成的滑坡也在全国各地时有发生，例如2009年发生的重庆武隆、云南文山、威信、凤庆山体滑坡等等。滑坡灾害的特点是发生突然，破坏力巨大，特别是在滑坡救援过程中，摇摇欲坠的滚石、岩石边坡、土体边坡和危岩时刻对受灾群众和救援人员构成威胁。滑坡体包括的岩石边坡、土体边坡、危岩和滚石在大滑动之前，在位移和姿态上都会出现加速变化的趋势，这是临滑的明显迹象。如果能在远距离有效地监测出这种滑坡体早期位移和姿态变化，就可以在滑坡发生前及时发出报警，提醒现场人员注意。因此，目前迫切需要能够快速获取滑坡体位移和姿态参数的远距离监测报警装置，该装置的设计成功和广泛应用对于国计民生具有重大意义。 

针对上述需求，国内外已经研制了很多基于机器视觉的目标监视系统，这类系统主要采用电荷耦合器件(CCD，Charge Coupled Device)或互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)作为感光元件的数码摄像机或模拟信号摄像机，来获取待监视目标的视频影像，并将这些影像传输到计算机上，再通过计算机上安装的图像变化检测软件来检查在不同时刻获取的影像帧中，监视目标的轮廓和位置是否发生变化。这种视频监视系统的特点是通过摄像机获取的目标视频影像分辨率较低，无法实现目标精确监测；使用的图像变化检测算法比较简单，因此虽然检测速度较快，但是不具有测量功能，无法准确计算目标的位移大小和姿态变化数值。基于以上原因，这类产品实际上实现的是对目标的监视功能，而不是监测功能。为了更好地监测目标，近年来也有一些系统根据近景测量理论，在系统中增加配备了两个(双目)或两个以上(多目)经过标定的量测相机，然后通过图像匹配和后方交汇算法，解算出目标的位移和姿态参数。这类双目或多目测量系统的优点是精度较高，缺点是系统庞大、结构复杂、需要进行精确的安装和标定、功耗相对较高，对测量环境的稳定性要求很高、计算过程也比较复杂，无法在现场实时完成数据 处理，因此很难应用到野外环境。另外，常规的基于图像数据的变化检测算法都要求背景比较稳定，只适用于光照比较稳定的室内环境，对于光照变化情况复杂的野外环境，即使目标不发生任何位移和姿态变化，当环境光照发生变化，或者有阴影遮挡情况发生，现有的变化检测算法也认为目标发生变化，引发误报警。 

发明内容