1、引言

大坝安全监测是水库大坝安全运行管理的一项重要工作，表面变形监测是其中的一项重要内容[1-2]。大坝变形监测的技术手段主要有视准线法、引张线法、前方交会法、极坐标法、正倒垂线法等水平位移监测方法，水准测量法、连通管法等垂直位移监测方法，其中较为常用的是全站仪极坐标法、水准测量法。这些方法具有很大的灵活性，可以满足不同精度的要求，不同的外界条件和不同的变形体。长期以来，水库大坝变形监测的自动化水平落后于其他如渗流、渗压等监测要素。

随着以北斗为代表的GNSS变形监测技术的推广应用，水库大坝表面变形监测的自动化水平有了明显提升。GNSS变形监测技术具有全天候、高精度、实时、自动化变形监测以及不受站点通视条件影响的特点和实时预警的能力[3]，在台风暴雨等极端气象条件下具有独特优势。以GNSS技术为基础，开展土石坝表面变形监测结果的实时分析，有助于提高水库安全管理水平。GNSS监测也存在一定的不足，主要表现为：GNSS监测难以同时提升监测频次和监测精度；在部分卫星遮挡严重的区域监测精度偏低，在室内监测时无法开展；GNSS监测成本与测点数量线性相关，若布点数量多则成本显著增加。

机器视觉位移监测方法具有频次高、实时性高、毫米级精度、成本低等独特优势[4]。机器视觉在 20 世纪 50 年代被提出， 80年代开始逐步进入产业化阶段，经过数十年的技术发展，它在结构健康监测领域的应用越来越广泛。与GNSS监测相比：单套视觉位移监测系统可对多点开展实时监测，在测点数量较多时可以显著降低单点的实时在线监测成本；监测频率可达50Hz，有利于开展高频次的振动监测；水平监测和垂直位移监测精度可达亚豪米级。将机器视觉位移监测方法应用于大坝变形监测具有广阔的应用前景，可进一步提升水利工程变形监测自动化水平。

2、监测系统组成

2.1 系统原理

在待测结构物上布设若干靶标，在相对结构稳定的位置安装机器视觉测量设备，视觉测量设备识别结构物上的靶标图像，当被测结构物发生位移时，靶标坐标随之变化，从而量测到被测物的水平和垂直双向位移[4]。并通过数据处理软件将图像转化为位移监测数据，上传至监测平台，供工作人员实时了解现场结构物的健康状况。

2.2  系统功能

大坝表面变形视觉位移自动化监测系统采用机器视觉位移测量技术，结合网络通讯技术和计算机技术，实现大坝表面水平位移及垂直位移监测数据自动采集、自动处理和实时分析预警。系统的主要功能指标有：

(1)实时性：每5分钟输出1个变形监测结果，最高可达50Hz。

(2)自动化：实现大坝上下游方向和竖直方向位移量的自动化采集、处理、分析和预警。

(3)监测精度：监测精度与距离相关，300m以内监测精度优于3mm。

2.3  系统结构

基于机器视觉位移测量技术的大坝表面变形自动化监测系统，由数据采集部分、通信网络部分、数据中心部分、供电网络等部分组成。

数据采集部分由观测站、监测点、校核点等组成。观测站由机器视觉位移测量仪、观测墩、安装支架、防护罩、补光灯等部分组成。机器视觉位移测量仪是监测系统的核心设备，用于采集图像数据并计算观测靶标在图像上的偏移量，进而计算出监测点在水平方向和竖直方向上的位移量；观测墩用于安置仪器设备；安装支架用于连接和固定机器视觉位移测量仪；防护罩用于保护机器视觉位移测量仪；补光灯用于夜间测量补光。监测点布设在坝面上。在变形监测点设置变形观测墩和观测靶标，配合机器视觉位移测量仪进行观测。校核点布设在变形区域以外的稳定部位，用于校核机器视觉位移测量仪采集的变形监测数据。

数据通信网络用于数据中心与机器视觉位移测量仪之间的数据通信，可采用有线通信或无线通信的方式。有线通信方式包括光纤、网线等；无线通信方式包括4G/5G、WiFi、LoRa等。

数据中心由服务器和机器视觉位移监测软件组成，实现监测数据的采集、存储、分析和管理。

图1 机器视觉测量系统

3、测点布置

监测点可参照《土石坝安全监测技术规范（SL551-2012）》的要求进行设置：变形监测点按垂直坝轴线方向的横断面和平行坝轴线方向的纵断面布置；监测横断面宜选在最大坝高处、地质条件复杂处等部位，坝长小于300米时，横断面间距宜取20～50米。

观测站和校核点位置应选在基础坚实稳定，易于长期保存，并有利于安全作业的地方，一般可布设在坝肩部位。观测站布置时应注意监测点、校核点位于机器视觉位移测量仪的视场范围内；若无法观测全部监测点和校核点，则应增加观测站。

观测站、监测点、校核点均可采用带强制对中基座的混凝土观测墩。

4、监测设备安装

选用的机器视觉位移测量仪的主要技术指标满足以下要求：（1）测量方向为垂直和水平方向，可采用智能算法自动修正转角及距离影响，无需测距和调平；（2）最大测量距离：400m；（3）系统分辨率：0.01mm；（4）测量精度：可优于0.1mm（测量精度与测试距离存在相关性）；（5）采样频率可调整，最大采样频率：50Hz；（6）测点数无限制，可同时观测靶标数量：≥30；（7）DC 12V电源输入；（8）Ethernet信号输出，支持视频、图像等数据输出。

图2 视觉位移设备安装效果图

5、系统软件平台

系统软件平台主要实现图像数据采集、存储、分析和成果展示等功能。平台与机器视觉位移测量仪通信，采集和接收图像数据，并存储在数据库中。采用视觉位移数据处理算法，分析计算图像偏移量，进而计算变形量。利用展示模块，将变形量监测数据与其他各类大坝安全监测数据进行综合展示。

6、应用案例分析

重庆市某区于2023年开展了13座小型水库的大坝安全监测，安装有14台机器视觉位移测量仪和63个监测靶标，实现了表面变形的自动化监测，并将监测数据汇集至水库群安全监测平台。应用结果表明，视觉位移测量技术能实现毫米级精度变形监测，满足大坝安全监测的精度要求。

图3 机器视觉位移监测现场图

水库群安全监测平台集水库环境量监测数据、大坝安全监测数据、视频监控等各类水库运行管理数据的采集、传输、存储、分析、应急管理为一体，按照分层的原则进行设计和实现，包括感知层、数据资源池、智能应用等不同层级。水库群大坝安全监测平台基于B/S架构，通过搜集、整理和录入水务基础数据进行，接入新建的渗流量监测、渗压监测、视觉位移监测、雨水情测报、安保监控等数据，实现了水库运行管理在线监管功能，提升了水库安全运行管理能力。

图4 水库群安全监测平台架构图

7、结论

随着计算机、数字图像处理、自动控制等技术的发展，尤其是CCD和CMOS图像传感器性价比的不断提高，摄影（视觉）测量以其客观、非接触、高精度等特点得到了迅速的发展及应用。机器视觉位移测量具有高时效、高精度、高性价比的特点，正逐步推广应用于各类基础设施的变形监测中。本文介绍了基于机器视觉位移测量技术的大坝表面变形监测系统，能为后续开展相关工作提供一个有益的参考。

作者简介：

龚春龙（1988年3月17日）、性别：男、民族：汉、籍贯（湖北省枝江市）、学历：硕士、职称：高级工程师、研究方向：变形监测、大坝安全监测。单位：深圳市中科科地勘测地理信息有限公司、单位邮编：518000

参考文献

[1]李红连, 黄丁发, 陈宪东. 大坝变形监测的研究现状与发展趋势[J]. 中国农村水利水电, 2006(2):89-90.

[2]杨杰, 吴中如. 大坝安全监控的国内外研究现状与发展[J]. 西安理工大学学报, 2002, 18(1):26-30.

[3] 李征航,刘志赵,王泽民. 利用GPS定位技术进行大坝变形观测的研究[J]. 1996,(06):26-29.

[4]方卫华.基于机器视觉的水闸动静一体化位移监测系统[J]. 江苏水利,2022,(09):49-53,64.