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水 利 学 报

２０２４年 ９月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ９期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０９ － １１１０ － １３

基于机器视觉的闸坝表面位移非接触式监测方法

陈 波 １，２，３ ，何梦佳 １，２ ，刘伟琪 １，２ ，马 聪 １，３
（１．河海大学 水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 ２１００９８；２．河海大学 水利水电学院，江苏 南京 ２１００９８；
３．河海大学 水工程安全研究院，江苏 南京 ２１００９８）

摘要：针对闸坝表面位移常规监测方法劳动密度高、监测频次低，且难以实现长期稳定监测等问题，提出一种融
合时空特征的闸坝表面位移非接触式智能监测方法。该方法采用人工靶标作为标志物，以摄像机为采集设备，通
过无线传输图像信息，利用加权分布的自适应伽马修正（ ＡＧＣＷＤ）与边缘感知因子改进的加权引导滤波（ＷＧＩＦ）增
强低照度图像的特征表达能力，通过计算机搭载基于贝叶斯框架的时空上下文信息（ＳＴＣ）算法深度挖掘靶标图像
上下文时空信息，进一步地，引入曲面拟合获取靶标的亚像素级位移时程信息，实现闸坝水平和垂直双向表面位
移的亚像素级非接触式监测。实验室与现场试验结果表明，不同实验场景下位移监测数据与校验数据高度一致，
误差小于 ０．０５ｍｍ；相比于 图 像 优 化 处 理 方 法，基 于 ＡＧＣＷＤ与 ＷＧＩＦ的 图 像 优 化 处 理 方 法 的 峰 值 信 噪 比 提 升
２．７０％，信息熵增加 ４．９１％，标准差降低 ２．６３％；相比于目标追踪算法，基于曲面拟合的 ＳＴＣ目标追踪算法的现
场监测数据较同类目标追踪算法精度提升 ４８％，可为闸坝表面位移监测提供高精度的解决方案。
关键词：闸坝；表面位移监测；图像序列时空特征；数字图像优化；亚像素级目标追踪
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ６９８ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０００８
１ 研究背景

闸坝工程是国家水网建设的重要构成，其服役性能制约着国家水安全保障规划的实施和水网经济
带的构建 ［１ － ２］ 。准确获取闸坝表面位移信息是闸坝现场安全监测与长期评估的重要基础 ［３］ 。在长期运
行中，传统闸坝位移监测方法劳动投入大、时效性低、准确度不高、对于突发险情应对滞后 ［４ － ６］ ，且
闸坝结构常因降雨、闸前水位以及温度荷载等外界因素变化表现出复杂的力学行为，极易发生变形和
破坏，对工程经济效益以及工程安全产生极大威胁。因此，亟待构建新型自动化智能闸坝位移监测方
法，为其数字化监测和健康运行提供技术支持 ［７］ 。
目前，对于闸坝工程的表面位移监测，主要采用接触式和非接触式两大类方法 ［８］ 。在接触式位移
监测方法的实际应用中，由于闸坝结构复杂性与所处监测环境的不稳定性，难以实现长期稳健的表面
位移监测与安全评估 ［９ － １０］ 。相对而言，非接触式监测方法中激光位移传感器 ［１１ － １２］ 、机器视觉 ［１３ － １４］ 、
全站仪 ［１５ － １６］ 和全球导航卫星系统（ＧＮＳＳ） ［１７ － １８］ 为复杂的闸坝结构提供了更为灵活和便捷的监测选择。
其中，激光位移传感器是一种经济的高精度测量方法，其内部由位置敏感探测器（ ＰＳＤ）、带电耦合器
件（ ＣＣＤ）和互补金属氧化物半导体（ＣＭＯＳ）这三种光接收元件构成三角测量系统。但由于使用的是三
角形激光反射方法，精度会随着距离的增加而降低，不适于远距离的闸坝位移监测。此外，由于使用
了反射器，测量闸坝结构垂直方向位移的安装空间和地点受到限制 ［１９］ 。ＧＮＳＳ可在结构健康监测和地
震学领域可靠地表征动态位移，但与加速度计等传统位移传感器相比，其采样率较低，难以实现高频

收稿日期：２０２４ － ０１ － ０４；网络首发日期：２０２４ － ０７ － １７
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０７１５．１２３８．００１
基金项目：国家自然科学基金面上项目（５２０７９０４９）；国家自然科学基金重点项目（５２２３９００９）；全国重点实验室基本科研业务费
（ ５２２０１２２７２，５２３０２４８Ａ２）
作者简介：陈波（１９８６ － ），教授，博士生导师，主要从事水工结构安全监控研究。Ｅ － ｍａｉｌ：Ｃｈｅｎｂｏｈｈｕ＠１２６．ｃｏｍ
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