詹艷春 吳志文 劉華光 唐國禮 劉天清 王亞偉

引用格式：詹艷春，吳志文，劉華光，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的低成本測(cè)量標(biāo)志實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].國土資源導(dǎo)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：提前預(yù)警和及時(shí)制止測(cè)量標(biāo)志損毀行為是測(cè)量標(biāo)志保護(hù)工作的重要內(nèi)容。本文基于物聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、位移感知、視頻監(jiān)測(cè)和GIS空間技術(shù)及大數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代技術(shù)手段，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低成本測(cè)量標(biāo)志監(jiān)測(cè)方案，對(duì)測(cè)量標(biāo)志實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)感知，及時(shí)預(yù)警潛在的破壞風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過集成太陽能供電、視頻監(jiān)控?cái)z像、智能傳感器等設(shè)備，能夠有效提升測(cè)量標(biāo)志事前監(jiān)管效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可疑的破壞行為，同時(shí)成本低，可推廣，能夠提升測(cè)量標(biāo)志保護(hù)的信息化、智能化和精細(xì)化管理水平。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；低成本；測(cè)量標(biāo)志；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；攝影測(cè)量

中圖分類號(hào)：P208? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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

測(cè)量標(biāo)志是國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。由于頻繁的人類活動(dòng)和大量工程建設(shè)項(xiàng)目的推進(jìn)，測(cè)量標(biāo)志經(jīng)常受到人為破壞[2]。

目前，測(cè)量標(biāo)志保護(hù)主要依靠人工定期或不定期的實(shí)地巡查[3]，保護(hù)效果受限于核查、維護(hù)頻率[4]。依靠人工手段耗時(shí)費(fèi)力且效率不高，同時(shí)對(duì)測(cè)量標(biāo)志的破壞行為難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和制止。隨著物聯(lián)網(wǎng)、4G/5G網(wǎng)絡(luò)、位移感知、紅外偵測(cè)、視頻監(jiān)測(cè)和GIS空間技術(shù)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代技術(shù)手段[4]的不斷發(fā)展，如何以信息化、科技化方式介入測(cè)量標(biāo)志巡查過程[5]，采取預(yù)見性措施發(fā)現(xiàn)可能破壞測(cè)量標(biāo)志的行為，并及時(shí)予以制止，提升測(cè)量標(biāo)志信息化、智能化和精細(xì)化管理水平，已成為現(xiàn)代測(cè)量標(biāo)志保護(hù)亟須解決的問題。本文通過集成視頻監(jiān)控?cái)z像、智能傳感器及太陽能供電等設(shè)備，建立軟硬一體化的低成本測(cè)量標(biāo)志實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，并在湖南省湘陰等地進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，本文方案能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控測(cè)量標(biāo)志現(xiàn)狀變化，及時(shí)預(yù)警、輔助查處測(cè)量標(biāo)志破壞行為，有效提高測(cè)量標(biāo)志保護(hù)能力和管理水平，為測(cè)量標(biāo)志的信息化管理提供了新的解決思路。

1 研究思路

1.1 基本原理

1.1.1 幀間差分法

幀間差分法是一種原理簡單，計(jì)算量較小的場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法。該方法通過攝像機(jī)拍攝獲取一幀一幀的連續(xù)圖像，對(duì)比識(shí)別出圖像發(fā)生變化的部分。在攝像機(jī)拍攝位置不變的前提下，當(dāng)監(jiān)控場(chǎng)景中的目標(biāo)發(fā)生變化后，位置產(chǎn)生了差異，攝像頭捕捉到的圖像不同，像素點(diǎn)數(shù)值也會(huì)發(fā)生變化，未發(fā)生位移變化的物體，它的像素點(diǎn)數(shù)值基本也不會(huì)發(fā)生變化。通過對(duì)時(shí)間上連續(xù)的兩幀圖像進(jìn)行差分算法，不同幀對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)相減，判斷灰度差異的絕對(duì)值的變化情況，當(dāng)絕對(duì)值超過一定閾值時(shí)，即可判斷為目標(biāo)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)功能。

幀間差分法公式如下：

式中，[x，y]代表像素點(diǎn)坐標(biāo)；[fnx，y]代表第[n]幀圖像；[fn?1x，y]代表第[n?1]幀圖像；差分結(jié)果為[Dnx，y]。如果差分結(jié)果大于閾值[T]，將該像素點(diǎn)指定成255白點(diǎn)，代表前景，否則指定為0，代表背景。最后得到的255白點(diǎn)前景部分即為圖像（目標(biāo)）變化部分。需要注意的是，該方法依賴于選擇的幀間時(shí)間間隔，對(duì)快速運(yùn)動(dòng)的物體，需要選擇較小的時(shí)間間隔，而對(duì)慢速運(yùn)動(dòng)的物體，應(yīng)該選擇較大的時(shí)間間隔。同時(shí)還需要輔以其他檢測(cè)算法（如背景差分法）以保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性。

1.1.2 背景差分法

通過算法對(duì)圖像的背景進(jìn)行建模，獲取當(dāng)前場(chǎng)景的背景模型，然后將實(shí)時(shí)獲取的圖像與所得的背景模型進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果可以確定前景圖像的大概位置，實(shí)現(xiàn)前景圖像與背景的分割。背景建模可以較好地解決當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體處于低速或準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)幀間差分無法識(shí)別的問題。

該方法需要解決的主要問題是背景建模，背景建模一般有平均時(shí)間背景模型、高斯背景模型、Vibe背景提取算法、Cookbook背景模型等。平均背景模型是最簡單的一種背景模型，通過求出多個(gè)背景圖像對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的平均值，然后將待比較的圖像對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)與平均值比較，如果超過一定閾值則認(rèn)為其為前景點(diǎn)，如果在一定閾值之內(nèi)，則認(rèn)為其為背景點(diǎn)。算法的實(shí)現(xiàn)簡單，但對(duì)背景圖像的要求較高，背景圖像存在噪聲或干擾時(shí)則難以獲得準(zhǔn)確的背景模型。高斯背景模型包括單高斯背景模型和混合高斯背景模型，前者將圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)的顏色值看成是一個(gè)隨機(jī)過程，并假設(shè)該點(diǎn)的某一像素值出現(xiàn)的概率服從高斯分布，根據(jù)該點(diǎn)的高斯分布參數(shù)（均值和方差）判斷對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)是否為前景點(diǎn)或背景點(diǎn)。后者對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展，通過多個(gè)高斯概率密度函數(shù)（一般為三到五個(gè)）的加權(quán)平均來平滑近似任意形狀的密度分布函數(shù)。

本文通過混合背景建模，首先建立背景模型[fb]，對(duì)于第[k]幀圖像[fk]，通過下式計(jì)算得到差分圖像，然后類似幀間差分法設(shè)定閾值得到二值圖像[Rkx，y]。對(duì)于小于閾值的點(diǎn)，則被判定為背景點(diǎn)，否則該點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)。

背景差分法配合幀間差分法可以較好地實(shí)現(xiàn)基于單目紅外攝像頭的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)算法的魯棒性。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)思路

1.2.1標(biāo)志傾斜和垂直位移感知

采用陀螺姿態(tài)傳感器能夠感知標(biāo)志傾斜和垂直位移。陀螺姿態(tài)傳感器采用高精度的陀螺加速度計(jì)MPU6050，如圖1所示。MPU6050是由三個(gè)陀螺儀和三個(gè)加速度傳感器組成的6軸運(yùn)動(dòng)組件，且自帶數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器，能夠提供姿態(tài)四元數(shù)。數(shù)字濾波技術(shù)（卡爾曼濾波）能夠有效降低測(cè)量噪聲，減少粗差干擾，提高測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。通過該傳感器以20 Hz頻率持續(xù)采樣測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)的角度值，利用4G模組發(fā)送給管理系統(tǒng)進(jìn)行位移計(jì)算和分析。

1.2.2異常情況感知

利用太陽能攝像頭模組解決戶外供電和視頻監(jiān)控及預(yù)警等問題，低功耗太陽能攝像頭模組如圖2所示。該模組無需額外供電，可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，具備實(shí)時(shí)和休眠喚醒兩種模式。采用低照度CMOS圖像傳感器和PIR人體紅外偵測(cè)技術(shù)，圖像變化識(shí)別準(zhǔn)確率極高。對(duì)于監(jiān)控的異常情況，可通過管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)向相關(guān)管理人員推送預(yù)警信息。且該模組支持雙向語音，管理人員收到預(yù)警信息后，可通過手機(jī)移動(dòng)端遠(yuǎn)程喊話警告。

1.2.3無線通信

上述模組獲得的影像和姿態(tài)數(shù)據(jù)可利用Air724UG 4G模組進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通信上傳至管理系統(tǒng)，如圖3所示。Air724UG 4G模組具備豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持多種驅(qū)動(dòng)和軟件功能。Air724UG屬于超小封裝 LTE Cat.1 bis模塊，采用紫光展銳的UIS8910平臺(tái)，Air724UG支持LTE 3GPP Rel.13技術(shù)，支持VOLTE、SPI LCD、SPI Camera等多種開發(fā)方式。

2 技術(shù)方法

2.1技術(shù)流程

在測(cè)量標(biāo)志內(nèi)部嵌入陀螺姿態(tài)傳感器，并在標(biāo)志附近設(shè)置太陽能供電帶紅外偵測(cè)攝像頭。開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的低成本測(cè)量標(biāo)志實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，集成地圖展示、信息接收、統(tǒng)計(jì)分析、傳輸和發(fā)送消息、預(yù)警告知[6]等功能。陀螺姿態(tài)傳感器的角度值和太陽能攝像頭的視頻圖像等監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)通過Air724UG 4G模組上傳到控制中心，后臺(tái)管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷測(cè)量標(biāo)志是否發(fā)生位移、沉降或開蓋，以及測(cè)量標(biāo)志附近是否存在人類活動(dòng)潛在破壞風(fēng)險(xiǎn)等異常情況。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)截取該段視頻推送至管理人員手機(jī)App，同時(shí)短信通知，提醒管理人員快速查看并甄別。管理人員核實(shí)并確認(rèn)可能存在的測(cè)量標(biāo)志破壞行為，通過攝像頭語音警告并制止，必要時(shí)通知屬地執(zhí)法部門介入。技術(shù)流程如圖4所示。

2.2 管理系統(tǒng)

2.2.1系統(tǒng)架構(gòu)

管理系統(tǒng)利用視頻監(jiān)控、位移感知、太陽能供電、無線傳輸和遠(yuǎn)程通信控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量標(biāo)志實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)警，管理人員可對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，實(shí)時(shí)查看各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

2.2.2 系統(tǒng)功能

管理系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)分析功能，基于高精度圖像算法處理技術(shù)，比較分析攝像頭傳回的圖像，發(fā)現(xiàn)平面位移變化和異常情況，同時(shí)針對(duì)陀螺姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)傳回的角度值，過濾相同（未變化）角度數(shù)據(jù)，計(jì)算測(cè)量標(biāo)志傾斜下沉幅度，綜合圖像和角度信息變化，判斷測(cè)量標(biāo)志變化是否異常，并將變化信息發(fā)送給管理人員。系統(tǒng)還可自動(dòng)檢查陀螺姿態(tài)傳感器與Air724UG 4G模組連接狀況、當(dāng)前位置溫度和濕度、太陽能發(fā)電電壓、太陽能充電電流及電池電壓情況等，在線分析監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)是否異常。系統(tǒng)還具備趨勢(shì)分析功能，可對(duì)比同一標(biāo)志點(diǎn)在連續(xù)多天同一時(shí)間段內(nèi)的累計(jì)形變量變化情況。

系統(tǒng)具備的其他功能包括實(shí)時(shí)（歷史）數(shù)據(jù)查看、報(bào)表導(dǎo)入導(dǎo)出、設(shè)備狀態(tài)、預(yù)警等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看模塊展示監(jiān)測(cè)陀螺姿態(tài)傳感器的角度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，查詢指定測(cè)項(xiàng)或測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)曲線查看模塊展示標(biāo)志位移變化測(cè)項(xiàng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線。歷史數(shù)據(jù)查看模塊展示指定測(cè)項(xiàng)或測(cè)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)。累計(jì)形變曲線模塊展示某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在指定時(shí)間內(nèi)的累計(jì)形變曲線。監(jiān)測(cè)項(xiàng)初值信息模塊可查看、設(shè)置每個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的初值信息。報(bào)表導(dǎo)出模塊分為單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)表導(dǎo)出、監(jiān)測(cè)線數(shù)據(jù)報(bào)表（采集時(shí)間：同一條監(jiān)測(cè)線相同時(shí)刻的數(shù)據(jù)）和監(jiān)測(cè)線數(shù)據(jù)報(bào)表（監(jiān)測(cè)點(diǎn)：同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)）。報(bào)表導(dǎo)入模塊提供根據(jù)指定格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入。終端設(shè)備狀態(tài)模塊用于展示關(guān)聯(lián)設(shè)備終端的在線狀態(tài)。短信預(yù)警模塊將預(yù)警信息以短信方式發(fā)送到管理人員手機(jī)。預(yù)警閾值查看模塊用于設(shè)置、展示當(dāng)前各個(gè)監(jiān)測(cè)線的預(yù)警閾值信息。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 技術(shù)驗(yàn)證

利用本文方法在湘陰建立一座測(cè)量標(biāo)志監(jiān)控設(shè)施，當(dāng)有人進(jìn)入監(jiān)控范圍，監(jiān)控?cái)z像頭根據(jù)圖像變化，及時(shí)錄制視頻，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將視頻傳至平臺(tái)系統(tǒng)控制中心，控制中心通過手機(jī)App即時(shí)發(fā)出預(yù)警消息，測(cè)量標(biāo)志管理員收到預(yù)警信息后，核查現(xiàn)場(chǎng)視頻，判斷測(cè)量標(biāo)志是否遭受破壞，并通過聯(lián)系當(dāng)?shù)販y(cè)量標(biāo)志管理部門和委托保管人，及時(shí)制止破壞行為。測(cè)量標(biāo)志即時(shí)監(jiān)控視頻圖像如圖6所示。

3.2 建設(shè)成本

根據(jù)本文試點(diǎn)情況，監(jiān)測(cè)設(shè)施包括MPU6050陀螺姿態(tài)傳感器、Air724UG 4G模組、低功耗太陽能紅外攝像頭、監(jiān)控立桿等設(shè)備，設(shè)備材料費(fèi)和安裝費(fèi)約3 000～5 000元。后期維護(hù)成本較低，僅需支付每年固定流量費(fèi)和5年更換一次蓄電池的費(fèi)用。

測(cè)量標(biāo)志重建代價(jià)非常大[7]。測(cè)量標(biāo)志損毀后重建費(fèi)用少則幾萬，多則數(shù)十萬。除標(biāo)志選址埋石等基礎(chǔ)成本外，還需連測(cè)更高等級(jí)控制點(diǎn)，并進(jìn)行平差計(jì)算，才能重新獲得精確的成果數(shù)據(jù)，恢復(fù)其效能。

4 結(jié)語

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的低成本測(cè)量標(biāo)志實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠較好地解決難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)量標(biāo)志損毀的問題，為測(cè)量標(biāo)志管理部門提供執(zhí)法證據(jù)和決策依據(jù)，有利于提高測(cè)量標(biāo)志的現(xiàn)代化、信息化、智能化管理水平。利用本文研究成果，針對(duì)重要或損毀風(fēng)險(xiǎn)較高的測(cè)量標(biāo)志，建設(shè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)施，可降低損毀概率，節(jié)省巡查、重建和維護(hù)的人力物力，性價(jià)比較高，適合大范圍推廣應(yīng)用。

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