孫東坡，謝 鋒，張先起，王鵬濤

(1.華北水利水電學院，河南 鄭州 450011;2.河海大學，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來確定，需要在實驗室內(nèi)觀測工程附近水下地形的變化及河床變形過程［1］.為了準確得到河工模型試驗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行實時、動態(tài)的測量和分析［2］.

隨著計算機及圖像技術、光學技術、超聲波技術和激光技術的發(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［5］.阻抗地形儀和光電地形儀精度相對較高、應用較廣泛，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，多應用于實際工程測量［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，即測量設施為非接觸式、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，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局部沖刷觀測中方便使用的監(jiān)測系統(tǒng).經(jīng)實際應用，該方法簡單易行，對提高河工模型量測技術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獲取該時刻的水下地形輪廓線.當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.反復地逐行(列)掃描就能實現(xiàn)對水下地形的實時監(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)的主要構成

激光與普通光相比具有三好一高的特點: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，因為紅色較為醒目，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的函數(shù);經(jīng)過試驗得知，測量范圍的長度以激光線寬的2倍為宜.根據(jù)實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)

攝像頭的成像質量對地形數(shù)據(jù)的識別影響很大，不同分辨率的攝像設備對系統(tǒng)的誤差依存關系如圖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，即根據(jù)某種應用需要，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)增強處理過程所在的空間不同，圖像增強技術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，對其進行基于二維傅里葉變換的信號增強，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)設計出低通、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算，即在圖像的某種變換域內(nèi)對圖像的變換系數(shù)值進行某種修正，是一種間接增強的算法，具體可通過點運算或鄰域增強算法實現(xiàn).點運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、擴大圖像動態(tài)范圍及擴展對比度等.在MATLAB中，灰度調整可以用imadjust()函數(shù)，直方圖均衡化使用histeq()函數(shù).鄰域增強算法有圖像平滑和銳化兩種.平滑技術用于平滑圖像中的噪聲，基本應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)實現(xiàn)圖像平滑.銳化技術采用的是頻域上的高通濾波法，通過增強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，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算子對應的模板對圖像進行銳化.

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群(見圖3(a))，再經(jīng)過圖像的平滑過濾增強得到較理想的輪廓線(見圖3(b)).

圖3 圖像增強對比Fig.3 Image enhancement comparison

適當運用圖像增強法對原始圖像進行處理，將使原始圖像變得較清晰，能夠較真實地反映圖像的結構特征，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)

在實際運用中，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)實中需調整適當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)誤差進行分析.由于圖像識別后得到的是像素坐標，需要還原成實際坐標.針對圖像變形和坐標還原問題，可借鑒參考點法［12］，選取3個或3個以上校正點就可解決.對于不同入射角度下圖像采集的誤差進行大量試驗，得到誤差分析曲線(見圖4).圖4左上角為極坐標系統(tǒng).

下面是水下地形重建的MATLAB代碼:

2 實例分析

為驗證本文所述方法的可行性，在模型試驗中進行了一系列應用與驗證.圖5是采用本系統(tǒng)對某河工模型試驗的水下地形沖刷過程進行實際監(jiān)測、利用不同時刻的監(jiān)測數(shù)據(jù)重構沖刷地形.圖6為某新型管樁潛壩模型試驗，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，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)進行了比較，結果見表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)采集速度遠小于本文所述方法，這是因為全站儀是單點采集數(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)出水下地形的細節(jié)部分.在實際應用中，并不是選用像素或分辨率越大的攝像頭就越好，還應考慮鏡頭的質量和感光元件的性能.總之，要使采集的圖像細節(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 結語

(1)引進醫(yī)學圖像處理與分析技術，借助線激光輔助得到水下地形輪廓線.經(jīng)驗證該方法可行，具有實用價值.

(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的變化過程，完成水下地形沖刷過程監(jiān)測.

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