基于物聯網的低成本測量標志實時監測技術研究

詹艷春 吳志文 劉華光 唐國禮 劉天清 王亞偉

引用格式：詹艷春，吳志文，劉華光，等.基于物聯網的低成本測量標志實時監測技術研究[J].國土資源導刊，2023，20（04）：137-141.

Reference format：Zhan Yanchun，Wu Zhiwen，Liu Huaguang，et al.Research on real-time monitoring technology of low cost measuring markers based on internet of things[J].Land & Resources Herald，2023，20（04）：137-141.

摘? 要：提前預警和及時制止測量標志損毀行為是測量標志保護工作的重要內容。本文基于物聯網、無線網絡、位移感知、視頻監測和GIS空間技術及大數據分析等現代技術手段，提出一種基于物聯網的低成本測量標志監測方案，對測量標志實時監控和動態感知，及時預警潛在的破壞風險。試驗結果表明，通過集成太陽能供電、視頻監控攝像、智能傳感器等設備，能夠有效提升測量標志事前監管效率，及時發現可疑的破壞行為，同時成本低，可推廣，能夠提升測量標志保護的信息化、智能化和精細化管理水平。

關鍵詞：物聯網；低成本；測量標志；實時監測；攝影測量

中圖分類號：P208? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1672-5603（2023）01-137-05

Research on Real-time Monitoring Technology of Low Cost Measuring Markers Based on Internet of Things

Zhan Yanchun，Wu Zhiwen，Liu Huaguang，Tang Guoli，Liu Tianqing，Wang Yawei

（The First Surveying and Mapping Institute of Hunan Province，Changsha Hunan 410114）

Abstract：Early warning and timely prevention of damage to measurement markers are important contents of measurement marker protection work. This article proposes a lowcost monitoring scheme for measurement marker based on the Internet of Things， wireless networks， displacement sensing， video monitoring， GIS space technology， and big data analysis， among other modern technological means. It monitors and dynamically perceives the measurement markers in real-time， timely alerts potential damage risks. The experimental results show that by integrating solar power supply， video surveillance cameras， intelligent sensors and other equipment， the efficiency of presupervision of measurement markers can be effectively improved， and possible destructive behaviors can be detected in a timely manner. At the same time， the cost is low and can be promoted， which can enhance the level of information， intelligence， and fine management of measurement marker protection.

Keywords： Internet of Things; low cost; measurement markers; real time monitoring; photogrammetry

0 引言

測量標志是國家經濟建設和科學研究的重要基礎設施[1]。由于頻繁的人類活動和大量工程建設項目的推進，測量標志經常受到人為破壞[2]。

目前，測量標志保護主要依靠人工定期或不定期的實地巡查[3]，保護效果受限于核查、維護頻率[4]。依靠人工手段耗時費力且效率不高，同時對測量標志的破壞行為難以及時發現和制止。隨著物聯網、4G/5G網絡、位移感知、紅外偵測、視頻監測和GIS空間技術、云計算及大數據分析等現代技術手段[4]的不斷發展，如何以信息化、科技化方式介入測量標志巡查過程[5]，采取預見性措施發現可能破壞測量標志的行為，并及時予以制止，提升測量標志信息化、智能化和精細化管理水平，已成為現代測量標志保護亟須解決的問題。本文通過集成視頻監控攝像、智能傳感器及太陽能供電等設備，建立軟硬一體化的低成本測量標志實時監測管理系統，并在湖南省湘陰等地進行試驗。結果表明，本文方案能夠實時監控測量標志現狀變化，及時預警、輔助查處測量標志破壞行為，有效提高測量標志保護能力和管理水平，為測量標志的信息化管理提供了新的解決思路。

1 研究思路

1.1 基本原理

1.1.1 幀間差分法

幀間差分法是一種原理簡單，計算量較小的場景運動目標檢測方法。該方法通過攝像機拍攝獲取一幀一幀的連續圖像，對比識別出圖像發生變化的部分。在攝像機拍攝位置不變的前提下，當監控場景中的目標發生變化后，位置產生了差異，攝像頭捕捉到的圖像不同，像素點數值也會發生變化，未發生位移變化的物體，它的像素點數值基本也不會發生變化。通過對時間上連續的兩幀圖像進行差分算法，不同幀對應的像素點相減，判斷灰度差異的絕對值的變化情況，當絕對值超過一定閾值時，即可判斷為目標發生變化，從而實現對目標的監測功能。

幀間差分法公式如下：

式中，[x，y]代表像素點坐標；[fnx，y]代表第[n]幀圖像；[fn?1x，y]代表第[n?1]幀圖像；差分結果為[Dnx，y]。如果差分結果大于閾值[T]，將該像素點指定成255白點，代表前景，否則指定為0，代表背景。最后得到的255白點前景部分即為圖像（目標）變化部分。需要注意的是，該方法依賴于選擇的幀間時間間隔，對快速運動的物體，需要選擇較小的時間間隔，而對慢速運動的物體，應該選擇較大的時間間隔。同時還需要輔以其他檢測算法（如背景差分法）以保證檢測的準確性、實時性。

1.1.2 背景差分法

通過算法對圖像的背景進行建模，獲取當前場景的背景模型，然后將實時獲取的圖像與所得的背景模型進行比較，根據比較結果可以確定前景圖像的大概位置，實現前景圖像與背景的分割。背景建?？梢暂^好地解決當運動物體處于低速或準靜止狀態時幀間差分無法識別的問題。

該方法需要解決的主要問題是背景建模，背景建模一般有平均時間背景模型、高斯背景模型、Vibe背景提取算法、Cookbook背景模型等。平均背景模型是最簡單的一種背景模型，通過求出多個背景圖像對應像素點的平均值，然后將待比較的圖像對應像素點與平均值比較，如果超過一定閾值則認為其為前景點，如果在一定閾值之內，則認為其為背景點。算法的實現簡單，但對背景圖像的要求較高，背景圖像存在噪聲或干擾時則難以獲得準確的背景模型。高斯背景模型包括單高斯背景模型和混合高斯背景模型，前者將圖像中每一個像素點的顏色值看成是一個隨機過程，并假設該點的某一像素值出現的概率服從高斯分布，根據該點的高斯分布參數（均值和方差）判斷對應像素點是否為前景點或背景點。后者對其進行了擴展，通過多個高斯概率密度函數（一般為三到五個）的加權平均來平滑近似任意形狀的密度分布函數。

本文通過混合背景建模，首先建立背景模型[fb]，對于第[k]幀圖像[fk]，通過下式計算得到差分圖像，然后類似幀間差分法設定閾值得到二值圖像[Rkx，y]。對于小于閾值的點，則被判定為背景點，否則該點為運動目標點。

背景差分法配合幀間差分法可以較好地實現基于單目紅外攝像頭的運動目標監測，進一步提高監測算法的魯棒性。

1.2 關鍵技術思路

1.2.1標志傾斜和垂直位移感知

采用陀螺姿態傳感器能夠感知標志傾斜和垂直位移。陀螺姿態傳感器采用高精度的陀螺加速度計MPU6050，如圖1所示。MPU6050是由三個陀螺儀和三個加速度傳感器組成的6軸運動組件，且自帶數字運動處理器，能夠提供姿態四元數。數字濾波技術（卡爾曼濾波）能夠有效降低測量噪聲，減少粗差干擾，提高測量的精度和穩定性。通過該傳感器以20 Hz頻率持續采樣測量標志點的角度值，利用4G模組發送給管理系統進行位移計算和分析。

1.2.2異常情況感知

利用太陽能攝像頭模組解決戶外供電和視頻監控及預警等問題，低功耗太陽能攝像頭模組如圖2所示。該模組無需額外供電，可實現24小時遠程監控，具備實時和休眠喚醒兩種模式。采用低照度CMOS圖像傳感器和PIR人體紅外偵測技術，圖像變化識別準確率極高。對于監控的異常情況，可通過管理系統實時向相關管理人員推送預警信息。且該模組支持雙向語音，管理人員收到預警信息后，可通過手機移動端遠程喊話警告。

1.2.3無線通信

上述模組獲得的影像和姿態數據可利用Air724UG 4G模組進行無線網絡通信上傳至管理系統，如圖3所示。Air724UG 4G模組具備豐富的網絡協議，支持多種驅動和軟件功能。Air724UG屬于超小封裝 LTE Cat.1 bis模塊，采用紫光展銳的UIS8910平臺，Air724UG支持LTE 3GPP Rel.13技術，支持VOLTE、SPI LCD、SPI Camera等多種開發方式。

2 技術方法

2.1技術流程

在測量標志內部嵌入陀螺姿態傳感器，并在標志附近設置太陽能供電帶紅外偵測攝像頭。開發基于物聯網的低成本測量標志實時監測系統，集成地圖展示、信息接收、統計分析、傳輸和發送消息、預警告知[6]等功能。陀螺姿態傳感器的角度值和太陽能攝像頭的視頻圖像等監測信息實時通過Air724UG 4G模組上傳到控制中心，后臺管理系統實時對數據進行分析，判斷測量標志是否發生位移、沉降或開蓋，以及測量標志附近是否存在人類活動潛在破壞風險等異常情況。當出現異常情況時，系統自動截取該段視頻推送至管理人員手機App，同時短信通知，提醒管理人員快速查看并甄別。管理人員核實并確認可能存在的測量標志破壞行為，通過攝像頭語音警告并制止，必要時通知屬地執法部門介入。技術流程如圖4所示。

2.2 管理系統

2.2.1系統架構

管理系統利用視頻監控、位移感知、太陽能供電、無線傳輸和遠程通信控制等技術，實現對測量標志實時監測、統計分析和預警，管理人員可對監測設備進行遠程操控，實時查看各項監測數據。管理系統架構如圖5所示。

2.2.2 系統功能

管理系統具備實時分析功能，基于高精度圖像算法處理技術，比較分析攝像頭傳回的圖像，發現平面位移變化和異常情況，同時針對陀螺姿態傳感器實時傳回的角度值，過濾相同（未變化）角度數據，計算測量標志傾斜下沉幅度，綜合圖像和角度信息變化，判斷測量標志變化是否異常，并將變化信息發送給管理人員。系統還可自動檢查陀螺姿態傳感器與Air724UG 4G模組連接狀況、當前位置溫度和濕度、太陽能發電電壓、太陽能充電電流及電池電壓情況等，在線分析監測設備狀態是否異常。系統還具備趨勢分析功能，可對比同一標志點在連續多天同一時間段內的累計形變量變化情況。

系統具備的其他功能包括實時（歷史）數據查看、報表導入導出、設備狀態、預警等。實時數據查看模塊展示監測陀螺姿態傳感器的角度實時數據，查詢指定測項或測點的實時數據。實時曲線查看模塊展示標志位移變化測項的實時監測曲線。歷史數據查看模塊展示指定測項或測點的歷史數據。累計形變曲線模塊展示某個監測點在指定時間內的累計形變曲線。監測項初值信息模塊可查看、設置每個監測項的各個監測點對應的初值信息。報表導出模塊分為單個監測點報表導出、監測線數據報表（采集時間：同一條監測線相同時刻的數據）和監測線數據報表（監測點：同一個監測點不同時刻的數據）。報表導入模塊提供根據指定格式的數據導入。終端設備狀態模塊用于展示關聯設備終端的在線狀態。短信預警模塊將預警信息以短信方式發送到管理人員手機。預警閾值查看模塊用于設置、展示當前各個監測線的預警閾值信息。

3 試驗與分析

3.1 技術驗證

利用本文方法在湘陰建立一座測量標志監控設施，當有人進入監控范圍，監控攝像頭根據圖像變化，及時錄制視頻，并通過無線網絡將視頻傳至平臺系統控制中心，控制中心通過手機App即時發出預警消息，測量標志管理員收到預警信息后，核查現場視頻，判斷測量標志是否遭受破壞，并通過聯系當地測量標志管理部門和委托保管人，及時制止破壞行為。測量標志即時監控視頻圖像如圖6所示。

3.2 建設成本

根據本文試點情況，監測設施包括MPU6050陀螺姿態傳感器、Air724UG 4G模組、低功耗太陽能紅外攝像頭、監控立桿等設備，設備材料費和安裝費約3 000～5 000元。后期維護成本較低，僅需支付每年固定流量費和5年更換一次蓄電池的費用。

測量標志重建代價非常大[7]。測量標志損毀后重建費用少則幾萬，多則數十萬。除標志選址埋石等基礎成本外，還需連測更高等級控制點，并進行平差計算，才能重新獲得精確的成果數據，恢復其效能。

4 結語

本文提出的基于物聯網的低成本測量標志實時監測技術，能夠較好地解決難以及時發現測量標志損毀的問題，為測量標志管理部門提供執法證據和決策依據，有利于提高測量標志的現代化、信息化、智能化管理水平。利用本文研究成果，針對重要或損毀風險較高的測量標志，建設實時監測設施，可降低損毀概率，節省巡查、重建和維護的人力物力，性價比較高，適合大范圍推廣應用。

參考文獻/References

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