[發明專利]基于圖像處理技術的巖體裂隙及飛石運動分析系統及方法

有效

• 申請號: 202110495648.0
• 申請日: 2021-05-07
• 公開（公告）號: CN113188975B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 王少鋒;尹江江;楊雅蘭;周子龍
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N21/84;G06T5/00;G06T7/11;G06T7/13;G06T7/136;G06T7/246;G06T7/73
• 代理公司: 長沙永星專利商標事務所(普通合伙) 43001
• 代理人: 周詠;米中業

1.一種基于圖像處理技術的巖體裂隙及飛石運動分析系統的方法，其特征在于包括如下步驟：

S1.通過攝像頭采集原色圖，采集內容為巖體裂隙面巖體裂隙發育，以及裂隙發育完全后巖體發生破壞產生的破碎飛石的運動狀態數據；

S2.將采集到的原色圖轉換成灰度圖，并生成灰度值；

S3.對步驟S2中轉換成的灰度圖，進行二值化處理；

S4.定義結構元素，對步驟S3二值化處理后的灰度圖像進行圖像開運算去噪；

S5.對圖像中的裂隙邊界進行檢測，繪制裂隙輪廓，并將得到的裂隙輪廓大小表示為裂隙的大小，將得到的裂隙輪廓數量表示為裂隙的數量；通過飛石運動規律分析方法處理飛石運動狀態數據；

S6.對步驟S5中裂隙的數量及大小和飛石運動進行評價，并將其與設定閾值標準進行對比，將對比數據輸出至數據反應系統，并進行報警；

步驟S4，采用的開運算去噪具體體現為對灰度圖像二值化后，先腐蝕，再膨脹的運算方法；

假設待處理的二值化圖像像素集合為I，結構元素為P：

P對I的腐蝕運算具體定義為：

其中，Θ為腐蝕算子，x∈I

P對I的膨脹運算定義為：

其中，為膨脹算子；

結構元素集合P在二值化處理后的灰度圖的集合I內進行平移并集，開運算具體定義為：

其中，Θ為腐蝕算子，為膨脹算子；

具體表現為對S4輸出的圖像，以從左到右、從上到下的順序，進行像素值掃描，若掃描到像素值為255時，對目標輪廓進行檢測框繪制，并針對檢測框對角線方向，只保留檢測方向的終點坐標，并對檢測框進行數量標定；否則繼續掃描；

將實際裂隙面積大小設為：

Y₁＝k₁X₁+b₁

其中，k₁和b₁為常數；Y₁為裂隙實際面積大小；X₁為圖像中裂隙面積大小；實際裂隙及飛石面積大小方程的確定方法為：在實際情況下，對裂隙繪制輪廓，測算輪廓面積大小；將實際測算的裂隙輪廓面積大小與在圖像上得出的面積數據進行多次擬合，得出k₁，b₁值，最后取平均值，得出對應方程；

將飛石面積大小方程設為：

Y'₁＝k'₁X'₁+b'₁

其中，k’₁和b’₁為常數；Y’₁為飛石實際面積大小；X’₁為圖像中飛石面積大小；實際飛石面積大小方程的確定方法為：在實際情況下，對飛石繪制輪廓，測算輪廓面積大小；將實際測算的飛石輪廓面積大小與在圖像上得出的面積數據進行多次擬合，得出k’₁，b’₁值，最后取平均值，得出對應方程；

將實際裂隙密度大小方程設為：

Y₂＝k₂X₂+b₂

其中，k₂和b₂為常數；Y₂為裂隙實際密度大小；X₂為圖像中裂隙密度大小；實際裂隙密度大小方程的確定方法為：在實際情況下，對裂隙繪制輪廓，測算輪廓面積大小，在攝像頭檢測范圍內，除以裂隙面面積，將實際裂隙密度與在圖像上得出的數據進行多次擬合，得出k₂，b₂值，最后取平均值，得出密度確定方程；

將飛石密度大小方程設為：

Y'₂＝k'₂X'₂+b'₂

其中，k’₂和b’₂為常數；Y’₂為飛石實際密度大小；X₂為圖像中飛石密度大小；實際飛石密度大小方程的確定方法為：在實際情況下，對飛石繪制輪廓，測算輪廓面積大小，在攝像頭檢測范圍內，除以飛石分布空間體積，將實際的飛石密度與在圖像上得出的數據進行多次擬合，得出k’₂，b’₂值，最后取平均值，得出密度確定方程；

實現所述的基于圖像處理技術的巖體裂隙及飛石運動分析方法的系統，包括裂隙及周圍環境監測裝置（ 1） 、第一數據傳輸線（ 9） 、計算機處理系統（ 11） 和數據反應系統（13） ，裂隙及周圍環境監測裝置（ 1） 通過第一數據傳輸線（ 9） 連接計算機處理系統（11） ，計算機處理系統（ 11） 連接數據反應系統（ 13） ；裂隙及周圍環境監測裝置（ 1） 用于監測巖體裂隙與周圍環境，并將監測數據發送到計算機處理系統（ 11） 中；計算機處理系統（ 11） 用于對裂隙及周圍環境監測裝置（ 1） 輸出的數據進行處理，獲得巖體裂隙發育規律，以及巖體裂隙發育完全發生破碎后飛石運動規律，并將數據發送到數據反應系統（ 13） ；數據反應系統（ 13） 用于對計算機處理系統（ 11） 處理后的數據產生動作；

所述的裂隙及周圍環境監測裝置（ 1） 包括攝像頭（ 2） 和第一信號接收裝置（ 7） ，攝像頭（ 2） 連接第一信號接收裝置（ 7） ，第一信號接收裝置（ 7） 連接計算機處理系統（ 11） ；攝像頭（ 2） 對外部的巖體裂隙面（ 3） 、第一巖體裂隙（ 4） 、第二巖體裂隙（ 5）和破碎飛石（ 6） 進行實時的圖像監測，將得到的圖像數據通過第一信號接收裝置（ 7） 和第一數據傳輸線（ 9） 傳輸到計算機處理系統（ 11） ；

所述的計算機處理系統（ 11） 包括計算機（ 12） ，計算機（ 12） 分別連接第一數據傳輸線（ 9） 和數據反應系統（ 13） ，計算機（ 12） 通過圖像處理技術，對裂隙及周圍環境監測裝置( 1) 輸入的圖像數據進行處理，并將處理后的參數輸出到數據反應系統( 13) ；

所述的數據反應系統( 13) 包括操作臺( 14) 、數據顯示臺( 15) 、第二信號接收裝置( 8) 、第二數據傳輸線( 10) 和報警裝置( 17) ；數據顯示臺( 15) 用于接收計算機(12) 輸出的數據并顯示，同時當輸出數據超過設定閾值之后，采用操作臺( 14) 將控制信號通過第二數據傳輸線( 10) 傳輸到第二信號接收裝置( 8) ，從而控制報警裝置( 17)進行緊急報警。