[發(fā)明專利]一種水壩壩體異常情況的空基檢測方法與裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811094762.7
• 申請日: 2018-09-19
• 公開（公告）號: CN109409406A
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曹先彬;杜文博;甄先通;李巖;劉旭輝;胡宇韜
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62;G06N3/04
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 冀學(xué)軍

1.一種水壩壩體異常情況的空基檢測方法，其特征在于，具體步驟如下：

步驟一、無人機(jī)搭載高清攝像裝置，按特定軌跡、特定高度飛行，對水壩進(jìn)行巡檢，采集指定位置圖像；

步驟二、對采集的原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，通過旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)，依次對原始圖像進(jìn)行變換，得到新的訓(xùn)練集；

步驟三、對新的訓(xùn)練集圖像，使用全卷積網(wǎng)絡(luò)RPN通過滑動窗口，對各個圖像檢測并提取特征區(qū)域；

具體為：針對某個訓(xùn)練集圖像，輸入到全卷積網(wǎng)絡(luò)RPN后，在最后卷積得到的特征圖上使用一個小網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行滑動掃描，這個滑動小網(wǎng)絡(luò)每次與特征圖上3*3的窗口全連接，然后映射到一個低維向量，最后將這個低維向量分別送入到兩個全連接層：bbox回歸層和bbox分類層從而得到各類特征區(qū)域；

步驟四、對提取的每類特征區(qū)域，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別訓(xùn)練相應(yīng)的模型，并通過反卷積操作實(shí)現(xiàn)上采樣，將每張?zhí)卣鲌D放大到和原圖相同大小的決策圖，釋放特征信息，得到?jīng)Q策圖每個點(diǎn)的置信概率，并與設(shè)定好的閾值比較，得出各類特征區(qū)域內(nèi)該點(diǎn)的檢測結(jié)果是否發(fā)生異常以及發(fā)生異常的種類；

每個模型設(shè)定各自的閾值，當(dāng)某個決策圖中某個點(diǎn)的置信概率大于閾值時，視為該決策圖發(fā)生異常；異常種類為該決策圖對應(yīng)的特征區(qū)域種類；

步驟五、根據(jù)檢測結(jié)果結(jié)合梯度下降算法，運(yùn)用反向傳播更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過交叉熵?fù)p失函數(shù)將決策圖每個點(diǎn)的檢測結(jié)果與該點(diǎn)的真實(shí)值進(jìn)行比較，縮小決策圖的檢測結(jié)果與真實(shí)結(jié)果的差值；

通過反向傳播，計(jì)算交叉熵?fù)p失函數(shù)的梯度以及各層的輸出誤差，得到權(quán)重矩陣W和偏置b的梯度表達(dá)式，并用梯度下降法優(yōu)化W和b，更新特征網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，不斷優(yōu)化損失函數(shù)的值，使得決策圖檢測結(jié)果與真實(shí)結(jié)果相差越來越小。

2.如權(quán)利要求1所述的一種水壩壩體異常情況的空基檢測方法，其特征在于，所述的步驟二具體為：

首先，對所有原始圖像進(jìn)行尺度歸一化處理，保證每個作為訓(xùn)練樣本的圖像尺度相同；

然后，對尺度相同的訓(xùn)練樣本分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換；

設(shè)定逆時針旋轉(zhuǎn)角度為θ，旋轉(zhuǎn)前某個訓(xùn)練樣本上的某點(diǎn)A坐標(biāo)為(x₀,y₀)，旋轉(zhuǎn)后該點(diǎn)A的坐標(biāo)為(x₁,y₁)，則有

x₁＝x₀cosθ-y₀sinθ

y₁＝x₀sinθ+y₀cosθ

最后，對旋轉(zhuǎn)變換后的各個訓(xùn)練樣本進(jìn)行隨機(jī)翻轉(zhuǎn)處理，構(gòu)成新的訓(xùn)練集。

3.如權(quán)利要求1所述的一種水壩壩體異常情況的空基檢測方法，其特征在于，所述的特征區(qū)域包括：水壩迎水面為一類，防浪墻為一類，壩頂為一類，背水坡壩面、壩腳為一類，迎水面大壩附近水面為一類。

4.如權(quán)利要求1所述的一種水壩壩體異常情況的空基檢測方法，其特征在于，所述的步驟四中具體檢測內(nèi)容包括：對迎水面大壩附近是否有旋渦進(jìn)行檢測，對迎水面護(hù)坡塊石是否有移動、凹陷或突鼓進(jìn)行檢測，對防浪墻、壩頂是否有裂縫進(jìn)行檢測，對壩頂是否有塌坑進(jìn)行檢測，對背水坡壩面、壩腳及鎮(zhèn)壓層范圍內(nèi)是否出現(xiàn)滲漏突鼓現(xiàn)象進(jìn)行檢測，對大壩附近及溢洪道兩側(cè)山體巖石是否錯動或出現(xiàn)新裂縫進(jìn)行檢測。

5.如權(quán)利要求1所述的一種水壩壩體異常情況的空基檢測方法，其特征在于，步驟五中所述的交叉熵?fù)p失函數(shù)的計(jì)算方法如下：

設(shè)輸入為x_i，則對應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為a_i，交叉熵?fù)p失函數(shù)C如下所示：

n為訓(xùn)練數(shù)據(jù)的總數(shù)，求和是在所有訓(xùn)練輸入x上進(jìn)行的，y_i為i點(diǎn)真實(shí)的label，a_i為判決圖中i點(diǎn)對應(yīng)的置信概率。

6.應(yīng)用于權(quán)利要求1所述的一種水壩壩體異常情況的空基檢測方法的檢測裝置，其特征在于，具體包括：

無人機(jī)搭載高清攝像裝置、避障器、角度傳感器、速度傳感器，高度傳感器以及GPS定位設(shè)備，按固定航線固定高度飛行，及時調(diào)整無人機(jī)飛行高度和無人機(jī)避障，高清攝像裝置拍攝水壩各個位置，得到高清圖像進(jìn)行存儲。