孫東坡，謝 鋒，張先起，王鵬濤

(1.華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011;2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

河流在自然狀況或修建工程情況下的河勢變化及局部河床變形，經(jīng)常需要采用河工模型試驗(yàn)來確定，需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)觀測工程附近水下地形的變化及河床變形過程［1］.為了準(zhǔn)確得到河工模型試驗(yàn)中河道地形或建筑物附近河床沖淤變化，尤其是局部河床沖淤隨時間的變化，需要對水下地形信息進(jìn)行實(shí)時、動態(tài)的測量和分析［2］.

隨著計(jì)算機(jī)及圖像技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超聲波技術(shù)和激光技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外開發(fā)了多種測量儀器用于對河工模型地形的測量，如光電反射式地形儀［3］、電阻式地形儀、跟蹤地形儀、超聲地形儀、激光掃描儀等儀器［4］及近景攝影測量技術(shù)［5］.阻抗地形儀和光電地形儀精度相對較高、應(yīng)用較廣泛，但這類接觸式地形儀會破壞局部地形，影響測量精度［6］.超聲地形儀是非接觸式的，測速快，但精度不高，多應(yīng)用于實(shí)際工程測量［7］.激光測距傳感器測量精度高，測量速度快，但價格較昂貴.根據(jù)水下地形沖刷過程監(jiān)測的特點(diǎn)，即測量設(shè)施為非接觸式、測量速度快、測量精度需滿足需求，本文提出以圖像識別為基礎(chǔ)，借助線激光為參照線的一種新型水下地形監(jiān)測與分析方法;研發(fā)了一種既不干擾河床地形、又保證測量速度及精度，可以在河工模型試驗(yàn)局部沖刷觀測中方便使用的監(jiān)測系統(tǒng).經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，該方法簡單易行，對提高河工模型量測技術(shù)具有一定的參考價值.

1 監(jiān)測系統(tǒng)的建立

1.1 基本思路

通過線激光在水下地形上照射出一條輪廓線，由攝像頭捕獲該時刻圖像信息，再通過圖像識別技術(shù)獲取該時刻的水下地形輪廓線.當(dāng)線激光完成對整個水下地形的照射后，就可以獲得完整的水下地形.反復(fù)地逐行(列)掃描就能實(shí)現(xiàn)對水下地形的實(shí)時監(jiān)測(見圖1).

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Monitoring system

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)的主要構(gòu)成

激光與普通光相比具有三好一高的特點(diǎn):單色性好、相干性好、方向性好和亮度高［8］.由于激光定向性好、使用方便、易于安裝和穩(wěn)定可靠，能較大幅度提高工作效率，因此激光被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、軍事、測量儀器等產(chǎn)品中.地形測量通常使用635 nm的紅色激光，因?yàn)榧t色較為醒目，特殊情況也可選擇532 nm綠色激光.系統(tǒng)測量范圍的寬度就是激光的線寬寬度，測量范圍的長度是與水流流速有關(guān)的函數(shù);經(jīng)過試驗(yàn)得知，測量范圍的長度以激光線寬的2倍為宜.根據(jù)實(shí)際模型尺寸確定選用的激光器參數(shù)見表1.

表1 激光器參數(shù)Tab.1 Laser parameters

圖2 誤差分析曲線(分辨率)Fig.2 Error analysis curve(resolution)

攝像頭的成像質(zhì)量對地形數(shù)據(jù)的識別影響很大，不同分辨率的攝像設(shè)備對系統(tǒng)的誤差依存關(guān)系如圖2所示.通過對不同分辨率的比較分析，從精度與經(jīng)濟(jì)兩方面考慮，相對誤差控制在15%左右較為合適，所以監(jiān)測系統(tǒng)選用工業(yè)級攝像頭(SONICA SCC－380 COLOR CCD CAMERA).

1.3 基于MATLAB的圖像識別

通過動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)圖像獲取模塊獲得的是視頻文件(通常為AVI格式)，MATLAB通過對監(jiān)測視頻的每一幀圖像進(jìn)行識別處理［9］，從而完成水下地形的重現(xiàn).在獲得圖像后，首先要對圖像增強(qiáng)，即根據(jù)某種應(yīng)用需要，人為地突出輸入圖像中的某些信息，從而抑制或消除另一些信息的處理過程［10］.根據(jù)增強(qiáng)處理過程所在的空間不同，圖像增強(qiáng)技術(shù)可分成頻率域法和空間域法［11］.

頻率域法把圖像看成一種二維信號，對其進(jìn)行基于二維傅里葉變換的信號增強(qiáng)，其主要有低通濾波法和高通濾波法.采用低通濾波法(即只讓低頻信號通過)，可去掉圖中的噪聲;采用高通濾波法，則可增強(qiáng)邊緣等高頻信號，使模糊的圖片變得清晰，在MATLAB中可以使用fir1()函數(shù)設(shè)計(jì)出低通、高通濾波器.

空間域法則直接對圖像灰度級做基于頻域的運(yùn)算，即在圖像的某種變換域內(nèi)對圖像的變換系數(shù)值進(jìn)行某種修正，是一種間接增強(qiáng)的算法，具體可通過點(diǎn)運(yùn)算或鄰域增強(qiáng)算法實(shí)現(xiàn).點(diǎn)運(yùn)算算法即灰度級校正、灰度變換和直方圖修正等，目的使圖像成像均勻、擴(kuò)大圖像動態(tài)范圍及擴(kuò)展對比度等.在MATLAB中，灰度調(diào)整可以用imadjust()函數(shù)，直方圖均衡化使用histeq()函數(shù).鄰域增強(qiáng)算法有圖像平滑和銳化兩種.平滑技術(shù)用于平滑圖像中的噪聲，基本應(yīng)用在求空間域上的平均值或中值，或在頻域上采取低通濾波;在MATLAB中，以用smooth()函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖像平滑.銳化技術(shù)采用的是頻域上的高通濾波法，通過增強(qiáng)高頻成分減少圖像中的模糊，特別是使模糊的邊緣部分得到了增強(qiáng)，但同時也放大了圖像的噪聲.在MATLAB中可以采用Robert梯度算子和Laplacian算子對應(yīng)的模板對圖像進(jìn)行銳化.

通過線激光輔助獲取的水下地形輪廓線，MATLAB圖像識別后是一個帶狀分布的點(diǎn)群(見圖3(a))，再經(jīng)過圖像的平滑過濾增強(qiáng)得到較理想的輪廓線(見圖3(b)).

圖3 圖像增強(qiáng)對比Fig.3 Image enhancement comparison

適當(dāng)運(yùn)用圖像增強(qiáng)法對原始圖像進(jìn)行處理，將使原始圖像變得較清晰，能夠較真實(shí)地反映圖像的結(jié)構(gòu)特征，便于水下地形重建的處理及顯示.

圖4 誤差分析曲線(拍攝角度)Fig.4 Error analysis curve(shooting angle)

1.4 數(shù)字化水下地形的重現(xiàn)

在實(shí)際運(yùn)用中，線激光需要垂直照射地形，目的是為了減少水折射對圖像的影響.攝像頭安裝的最佳角度是與激光面垂直，但現(xiàn)實(shí)中需調(diào)整適當(dāng)角度才能完整拍攝水下地形輪廓線，這就要對圖像變形及拍攝角度引起的系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析.由于圖像識別后得到的是像素坐標(biāo)，需要還原成實(shí)際坐標(biāo).針對圖像變形和坐標(biāo)還原問題，可借鑒參考點(diǎn)法［12］，選取3個或3個以上校正點(diǎn)就可解決.對于不同入射角度下圖像采集的誤差進(jìn)行大量試驗(yàn)，得到誤差分析曲線(見圖4).圖4左上角為極坐標(biāo)系統(tǒng).

下面是水下地形重建的MATLAB代碼:

2 實(shí)例分析

為驗(yàn)證本文所述方法的可行性，在模型試驗(yàn)中進(jìn)行了一系列應(yīng)用與驗(yàn)證.圖5是采用本系統(tǒng)對某河工模型試驗(yàn)的水下地形沖刷過程進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測、利用不同時刻的監(jiān)測數(shù)據(jù)重構(gòu)沖刷地形.圖6為某新型管樁潛壩模型試驗(yàn)，工程附近局部沖刷地形照片(圖6(a))與本系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的地形數(shù)值模擬再現(xiàn)(圖6(b))，可以看出監(jiān)測數(shù)據(jù)很好地反映了工程附近河床局部變形的特點(diǎn)，具有很高的模擬精度.

圖5 水下地形沖刷過程的重建Fig.5 Scouring process rebuilding of underwater topography

圖6 沖刷地形比較Fig.6 Comparison of topography scouring

水下地形數(shù)據(jù)的采集速度影響到監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的時間間隔，數(shù)據(jù)采集速度越快，對水下地形沖刷過程的還原就越好.本文就數(shù)據(jù)采集速度與拓普康全站儀(GPT－3000N)進(jìn)行了比較，結(jié)果見表2.

表2 速度對比分析Tab.2 Velocity comparison

從表2可見，全站儀數(shù)據(jù)采集速度遠(yuǎn)小于本文所述方法，這是因?yàn)槿緝x是單點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，而該系統(tǒng)是線采集;更重要的是全站儀采集數(shù)據(jù)的大部分時間花費(fèi)在數(shù)據(jù)儲存上，而該系統(tǒng)則是先采集圖像后處理數(shù)據(jù)，所以可節(jié)省時間、提高效率.

系統(tǒng)的測量精度受攝像頭像素的影響，在同等清晰度條件下，像素或分辨率越大，越能體現(xiàn)出水下地形的細(xì)節(jié)部分.在實(shí)際應(yīng)用中，并不是選用像素或分辨率越大的攝像頭就越好，還應(yīng)考慮鏡頭的質(zhì)量和感光元件的性能.總之，要使采集的圖像細(xì)節(jié)盡量清晰，才有助于提高圖像識別的精度.

在清水及含沙量較少時，水體能見度較好，系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果精度較高;隨著含沙量的增加，水體能見度降低，監(jiān)測精度受到影響;在激光不能照射到床面時，可以通過水下地形傳感器采集床面上一些特征點(diǎn)的沖刷變化過程，輔助完成水下地形沖刷過程監(jiān)測.在高含沙水流中，這種方法受到限制.

3 結(jié)語

(1)引進(jìn)醫(yī)學(xué)圖像處理與分析技術(shù)，借助線激光輔助得到水下地形輪廓線.經(jīng)驗(yàn)證該方法可行，具有實(shí)用價值.

(2)使用圖像采集方法采集數(shù)據(jù)、圖像識別方法處理數(shù)據(jù)，可大大節(jié)省數(shù)據(jù)采集時間，提高效率，適宜于對動態(tài)過程的監(jiān)測.

(3)監(jiān)測系統(tǒng)誤差主要來自攝像頭的精度.另外，圖像采集時的變形、水的折射與線激光的照射角度也對測量精度有一定影響.

(4)在清水及含沙量較少時，系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果精度較高;含沙量較大時，可通過輔助方法取得床面特征點(diǎn)的變化過程，完成水下地形沖刷過程監(jiān)測.

［1］謝鑒衡.河流模擬［M］.中國水利電力出版社，1990.(XIE Jian-heng.River models［M］.Beijing:China WaterPower Press，1990.(in Chinese))

［2］華東水利學(xué)院.模型試驗(yàn)量測技術(shù)［M］.北京:水利電力出版社，1984:148-149.(East China Water Conservancy Institute.Measurement technology of model test［M］.Beijing:China WaterPower Press，1984:148-149.(in Chinese))

［3］唐洪武，李瑾，周浩祥.光電反射式地形儀的研制及應(yīng)用［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1995，23(1):80-84.(TANG Hong-wu，LI Jing，ZHOU Hao-xiang.Development and application of photoelectric rcflecting topographic apparatus［J］.Journal of Hohai University(Natural Sciences)，1995，23(1):80-84.(in Chinese))

［4］王銳.河流動床模型激光三維掃描數(shù)據(jù)應(yīng)用研究［D］.南京:河海大學(xué)，2007.(WANG Rui.Research and applications of 3D scanning data of river models［D］.Nanjing:Hohai University，2007.(in Chinese))

［5］蔡守允.河流海岸模型測試技術(shù)［M］.北京:海洋出版社，2004.(CAI Shou-yun.Measurement technology of river and coast models［M］.Beijing:Ocean Press，2004.(in Chinese))

［6］劉樹東，田俊峰.水下地形測量技術(shù)發(fā)展述評［J］.水運(yùn)工程，2008(1):11-15.(LIU Shu-dong，TIAN Jun-feng.Development of bathyorographic survey technique［J］.Port＆ Waterway Engineering，2008(1):11-15.(in Chinese))

［7］王振先，金歡陽.實(shí)驗(yàn)室用超聲地形測量儀［J］.海洋工程，2001，19(1):94-98.(WANG Zhen-xian，JIN Huan-yang.Development of ultra-acoustic topographic surveying meter for use in laboratory［J］.Ocean Engineering，2001，19(1):94-98.(in Chinese))

［8］譚定忠，邱英，高明，等.基于CCD的激光掃描測距技術(shù)研究［J］.半導(dǎo)體光電，2010，31(3):485-487.(TAN Dingzhong，QIU Ying，GAO Ming，et al.Research on laser scanning rangefinder based on CCD［J］.Semiconductor Optoelectronics，2010，31(3):485-487.(in Chinese))

［9］林睿，常鴻森，保宗悌，等.光學(xué)圖像識別技術(shù)的MATLAB仿真［J］.云南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，101(6):36-40.(LIN Rui，CHANG Hong-sen，BAO Zong-ti，et al.Simulation of the optical image recognition by using MATLAB［J］.Journal of Yunnan Normal University(Natural Sciences Edition)，2004，101(6):36-40.(in Chinese))

［10］章魯，顧順德，陳瑛.醫(yī)學(xué)圖像處理與分析［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2006.(ZHANG Lu，GU Shun-de，CHEN Ying.Achieving disposal and analysis of medical image［M］.Shanghai:Shanghai Scientific and Technical Publishing House，2006.(in Chinese))

［11］李輝，蔣秀明，高殿斌，等.Matlab語言在數(shù)字圖像中值濾波中的應(yīng)用研究［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，22(1):87-88.(LI Hui，JIANG Xiu-ming，GAO Dian-bin，et al.Application and study of Matlab in image median filtering［J］.Journal of Tianjin Institute of Polytechnic University，2003，22(1):87-88.(in Chinese))

［12］駱永正，聶咸或.用參考點(diǎn)法建立地圖掃描形變校正系統(tǒng)［J］.南方冶金學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，20(3):139-142.(LUO Yong-zheng，NIE Xian-huo.The establishment of the system for deformation correction in map scanning by using the method of reference point［J］.Journal of Southern Institute of Metallurgy，1999，20(3):139-142.(in Chinese))