本發明屬于圖像處理與結構健康監測，具體涉及河道擋墻變形與位移圖像監測預警方法及其系統。
背景技術：
1、河道擋墻是河道整治工程中廣泛使用的岸坡防護結構，其長期承受水流沖刷力、土壓力及水位反復升降帶來的滲透壓力作用，在服役過程中容易發生傾斜、水平位移乃至不均勻沉降等變形破壞。擋墻一旦發生超限變形而未被及時發現，極易引發墻體坍塌、河岸失穩等嚴重安全事故，對沿河居民及基礎設施構成重大威脅。因此，對河道擋墻進行持續有效的變形監測并在險情萌芽階段及時發出預警，對于保障河道工程安全運行具有重要的工程意義。
2、目前河道擋墻的變形監測主要依賴人工巡檢配合傳統測量手段。人工巡檢方式受限于巡檢人員的經驗和頻次，通常每周或每月進行一次現場測量，在兩次測量間隔期間擋墻的早期緩慢變形往往難以被及時捕獲。傳統的全站儀或水準儀測量雖然精度較高，但操作流程繁瑣，每次測量需要專業技術人員到場，效率較低且成本較高，無法滿足高頻連續監測的需求。此外，部分工程采用測斜儀、位移計等傳感器進行監測，雖然能夠實現連續采集，但傳感器數量有限、覆蓋范圍受約束，且存在設備安裝維護困難、線纜易遭水流破壞等問題。
3、公開號為cn?114049337?b的中國專利，公開了一種基于人工智能的隧道變形檢測方法及系統，該方法根據相鄰兩幀隧道圖像的像素點相似程度獲取位移分布圖，并利用深度神經網絡將位移分布圖拆分為變形位移分布圖和視角位移分布圖，從而消除相機視角偏移帶來的誤差。然而，該方案主要面向封閉隧道環境下的像素級變形檢測，其檢測粒度停留在圖像像素層面，并未將像素位移轉換為工程可度量的實際物理位移值，也缺乏對結構整體傾斜角度、不均勻沉降等工程參數的分析能力。同時，該方案未涉及變形趨勢預測和分級預警機制，無法實現險情的早期預判和按危險程度分級響應。河道擋墻相較于隧道結構，其監測環境為戶外開放場景，面臨光照變化劇烈、雨霧遮擋、水面反光等干擾因素，對圖像采集和特征識別提出了更高的魯棒性要求。
4、此外，現有的基于圖像處理的結構變形檢測方法大多面向橋梁振動或隧道變形等相對穩定的監測場景，而河道擋墻的監測環境具有其特殊性：擋墻表面長期浸潤于水汽環境中，苔蘚、水漬和污垢會逐漸覆蓋標靶或改變表面紋理特征；汛期水位快速上漲可能淹沒擋墻下部的監測標靶，導致可用監測點驟降；雨霧天氣和水面反光造成圖像對比度急劇下降，嚴重影響特征匹配精度。上述挑戰要求監測方法不僅具備高精度的位移測量能力，還須具備在監測點缺失和圖像質量退化條件下的魯棒運行能力。
5、綜合上述分析，現有技術在河道擋墻變形監測領域存在以下主要不足：第一，缺乏面向戶外河道環境的高魯棒性圖像采集與處理方案；第二，僅停留于像素級變形檢測而未實現工程可度量的物理位移值輸出；第三，缺乏對擋墻整體傾斜角度和不均勻沉降等結構變形參數的定量分析能力；第四，未建立基于變形趨勢預測的分級預警機制，無法實現險情的早期預判和分級響應。
6、因此，亟需一種面向河道擋墻的基于機器視覺的變形連續監測與智能預警方法，能夠以高精度、高頻率、非接觸方式實現擋墻多點位移的自動測量，并具備編碼標靶與自然特征點互補的魯棒監測策略、亞像素精度的物理位移量化能力、多點位移數據驅動的結構變形參數分析能力以及基于時序預測的分級預警能力，以彌補現有技術在河道擋墻監測場景下的不足。
技術實現思路
1、為解決上述技術問題，本發明提供河道擋墻變形與位移圖像監測預警方法，所述方法包括以下步驟：
2、步驟s1，圖像采集與預處理步驟：在河道擋墻對岸或固定支架上部署工業相機，按照預設采集周期對擋墻立面進行圖像采集，獲得包含擋墻立面信息的原始監測圖像；對所述原始監測圖像依次執行鏡頭畸變校正和光照歸一化處理，獲得校正后監測圖像。
3、步驟s2，編碼標靶識別與特征點提取步驟：對所述校正后監測圖像進行編碼標靶檢測，識別預設于擋墻表面的編碼標靶，獲得各編碼標靶的像素中心坐標；同時對所述校正后監測圖像執行自然特征點檢測，提取擋墻表面紋理角點作為輔助監測點；將編碼標靶與自然特征點合并構成當前時刻監測點集合。
4、步驟s3，亞像素精度位移計算步驟：以基準時刻的監測點位置作為參考，對當前時刻每個監測點執行亞像素級特征匹配獲得像素位移量，利用預先標定的相機內參矩陣和外參矩陣將像素位移量轉換為實際物理位移值。
5、步驟s4，擋墻整體變形分析步驟：依據多個監測點的位移值采用加權最小二乘擬合算法分別擬合擋墻整體傾斜角度、水平位移量和不均勻沉降量，獲得擋墻變形狀態參數。
6、步驟s5，變形趨勢預測步驟：將連續多個采集周期獲得的變形狀態參數構成變形時序數據輸入時序預測模型，輸出未來預設時間窗口內的預測變形值。
7、步驟s6，分級預警步驟：根據位移速率、累計位移量和預測變形值，按藍黃橙紅四級閾值生成預警信號；預警結果反饋調節采集頻率，預警等級升高時自動提高采集頻率。
8、本發明還提供一種河道擋墻變形與位移圖像監測預警系統，包括圖像采集與預處理模塊、編碼標靶識別與特征點提取模塊、亞像素精度位移計算模塊、擋墻整體變形分析模塊、變形趨勢預測模塊和分級預警模塊，各模塊與上述方法步驟一一對應，協同實現河道擋墻變形的連續監測與分級預警。其中，圖像采集與預處理模塊負責圖像的周期性采集與畸變校正，編碼標靶識別與特征點提取模塊負責監測點的自動獲取與遮擋補償，亞像素精度位移計算模塊負責高精度位移量化與異常剔除，擋墻整體變形分析模塊負責結構變形參數的加權擬合提取，變形趨勢預測模塊負責未來變形值的自適應融合預測，分級預警模塊負責按危險程度生成預警信號并反饋調節采集頻率。上述六個模塊依次串聯并形成從分級預警模塊到圖像采集與預處理模塊的閉環反饋通路，實現采集頻率隨預警等級自適應調整的閉環控制能力。
9、本發明具有如下有益效果：
10、第一，本發明通過在擋墻表面布設編碼標靶并結合自然特征點檢測的雙重監測點獲取策略，兼顧了監測精度與魯棒性，當部分標靶被遮擋時自然特征點可自動補償，確保監測點覆蓋率。
11、第二，本發明采用亞像素級特征匹配結合相機標定參數的坐標轉換，將圖像域像素位移準確轉換為物理域毫米級位移值，實測精度優于1mm，滿足工程監測要求。
12、第三，本發明通過加權最小二乘擬合從多點位移數據中提取擋墻整體傾斜角度、水平位移和不均勻沉降等工程參數，為結構安全評估提供了定量依據。
13、第四，本發明融合短期波動與長期趨勢的時序預測模型能夠提前預判變形發展方向，配合藍黃橙紅四級預警機制實現按危險程度分級響應，且預警結果反饋調節采集頻率形成閉環控制，顯著提升了險情早期發現能力。
1.河道擋墻變形與位移圖像監測預警方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的河道擋墻變形與位移圖像監測預警方法，其特征在于，步驟s1中，所述預設采集周期在正常監測狀態下為30min至120min，在藍色預警狀態下調整為10min至30min，在黃色及以上預警狀態下調整為1min至10min；所述鏡頭畸變校正采用基于張正友標定法獲得的徑向畸變系數和切向畸變系數執行像素坐標重映射。
3.根據權利要求1所述的河道擋墻變形與位移圖像監測預警方法，其特征在于，步驟s2中，所述編碼標靶為aruco編碼標靶，標靶尺寸為80mm×80mm至200mm×200mm，布設間距為1m至5m；所述自然特征點檢測采用shi-tomasi角點檢測算法，角點質量閾值設置為0.01至0.05，最小角點間距設置為10像素至30像素。
4.根據權利要求1所述的河道擋墻變形與位移圖像監測預警方法，其特征在于，步驟s6中，所述四級預警閾值具體為：藍色預警，位移速率大于0.5mm/d且累計位移量大于5mm；黃色預警，位移速率大于1.0mm/d且累計位移量大于15mm；橙色預警，位移速率大于2.0mm/d且累計位移量大于30mm；紅色預警，位移速率大于5.0mm/d或累計位移量大于50mm。
5.根據權利要求1所述的河道擋墻變形與位移圖像監測預警方法，其特征在于，步驟s3中，所述亞像素級特征匹配包括：以基準時刻各監測點鄰域圖像塊作為模板，在當前時刻圖像中執行歸一化互相關匹配獲得像素級粗定位結果，再以所述粗定位結果為中心在局部鄰域內執行二次曲面擬合獲得亞像素級精定位結果；所述二次曲面擬合以互相關系數矩陣中峰值點及其周圍8鄰域點共9個采樣點構建二維拋物面，以所述二維拋物面極值點坐標作為亞像素位移量。
6.根據權利要求1所述的河道擋墻變形與位移圖像監測預警方法，其特征在于，步驟s4中，所述加權最小二乘擬合算法擬合擋墻整體傾斜角度的過程包括：以各監測點沿擋墻高度方向的位置坐標作為自變量、對應的水平位移值作為因變量，以各監測點的位移計算置信度作為權重，執行加權線性回歸獲得擬合直線的斜率，以所述斜率的反正切值作為擋墻整體傾斜角度。
7.根據權利要求1所述的河道擋墻變形與位移圖像監測預警方法，其特征在于，步驟s5中，所述時序預測模型為指數加權移動平均與線性回歸的融合模型，所述融合模型以指數加權移動平均值反映變形趨勢的短期波動特征，以線性回歸擬合值反映變形趨勢的長期演化方向，以自適應權重系數融合所述短期波動特征和所述長期演化方向獲得融合預測值；所述自適應權重系數根據近期預測誤差的均方根值動態調整。
8.根據權利要求1所述的河道擋墻變形與位移圖像監測預警方法，其特征在于，步驟s2中還包括標靶遮擋檢測步驟：將當前時刻檢測到的編碼標靶數量與基準時刻的編碼標靶總數進行比較，若缺失比例超過預設遮擋閾值，則觸發自然特征點補償機制，增加自然特征點的提取密度以保障監測點覆蓋率。
9.根據權利要求1所述的河道擋墻變形與位移圖像監測預警方法，其特征在于，步驟s3中還包括異常位移剔除步驟：計算同一采集周期內所有監測點位移值的中位數和中位絕對偏差，將偏離中位數超過3倍中位絕對偏差的監測點標記為異常點并予以剔除，以剔除后的有效監測點數據執行后續變形分析。
10.河道擋墻變形與位移圖像監測預警系統，用于實現權利要求1至9中任意一項所述的河道擋墻變形與位移圖像監測預警方法，其特征在于，所述系統包括：