[发明专利]桥梁区域通航船舶三维几何尺寸辨识方法

说明书

本发明提出了一种桥梁区域通航船舶三维几何尺寸辨识方法，如下：在桥梁通航跨梁底跨中部位设置摄像机以采集通航船舶图像信息，根据辨识距离要求在距离摄像机平面合理位置的航道两侧设置标定浮筒；利用采集到的通航船舶图像制作船舶检测数据集并使用深度卷积网络训练船舶检测器以获取船舶粗略位置，结合形态学运算和轮廓提取技术获取船舶精确轮廓；使用射影变换方程对通航船舶所在空间进行建模，确定船舶三维几何尺寸同图像中船舶轮廓的转换关系，从而计算出通航船舶的三维几何尺寸。本方法实现了使用一个摄像头就可以精确计算通航船舶的三维几何尺寸，降低设备成本的同时保证了尺寸辨识的精度。

技术领域

本发明涉及桥梁工程健康监测领域，具体涉及一种桥梁区域通航船舶三维几何尺寸辨识方法。

背景技术

桥梁是交通运输大动脉中的咽喉。近年来，桥梁建设步入高潮，愈来愈多的建成桥梁服役，为提高我国交通运输效率、拉动我国经济快速增长起到了不可忽视的作用。同样，航运随着经济社会的发展，也愈来愈繁荣。随着桥梁的增加以及航运船舶密度的提升，船撞桥事故发生的频率也愈来愈高。经不完全统计，自1959年至2011年，造成人员伤亡和重大财产损失的严重船撞桥事故发生了超过140余起，其中国内发生超过40余起，而2011年以来，发生频率更是大幅度增加。船撞桥虽然是偶然事件，但是一旦发生，不论是对桥梁正常运营还是对于船舶自身安全，都是巨大的威胁，现有措施为在桥梁关键区域如桥墩上方以及主梁下方安装摄像头，通过人工监控的方式来进行船舶撞击桥梁的预警，极大程度地缓解了船撞桥的巨大矛盾。然而，人工监控存在两个不可避免的弱点，一是视觉疲劳，人类集中注意力观察事物会迅速产生视觉疲劳，而视觉疲劳又会极大降低判断的准确性；二是无法克服个体主观性影响，不同技术基础和工作经验的人对于船撞桥的风险评判标准不一。

目前随着传感技术的发展，许多学者尝试解决桥梁区域船舶识别的问题，然而这些方法存在两个问题，一是设备昂贵，而且信号直观性不强；二是大多研究将通航船舶看做一个点，无法实时获取船舶的三维几何尺寸。如何针对现有研究存在的问题提出一个鲁棒性强的可精准辨识船舶三维几何尺寸的方法，为桥梁区域防船撞提供一个自动化智能化的解决方案，是一个亟待研究的问题。

发明内容

基于以上不足之处，本发明的目的是提供一种桥梁区域通航船舶三维几何尺寸辨识方法，解决了现有桥区通航船舶辨识所需设备昂贵、计算代价大的问题。

本发明所采用的技术如下：一种桥梁区域通航船舶三维几何尺寸辨识方法，如下：

在桥梁通航跨梁底跨中部位设置摄像机以采集通航船舶图像信息，摄像机设置方法：摄像机镜头平面面向航道，镜头平面向下倾斜，倾斜角度为：

其中，H为摄像头镜头到水面的高度，R是辨识要求距离，

根据辨识要求距离在距离摄像机平面合理位置的航道两侧各设置两个标定浮筒，辨识要求距离为桥梁等级和通航要求以确定的最小警戒距离，以此距离开始对通航船舶进行辨识；

摄像机采集各类通航船舶的图片并使用人工标注工具进行船舶的标注，制作数据集；

使用数据增广的方法进行数据集船舶图像的扩增，然后分为训练集和测试集；

基于深度卷积神经网络构建船舶检测器，并使用训练集进行网络训练，使用测试集进行测试达到测试精度要求后将网络权重加以保存；

使用摄像机进行视频采集，在视频的第一帧人工标注出标定浮筒的像素坐标值，航道每侧的两个浮筒像素坐标确定一条像素直线即航道边界的像素位置，两条航道边界的像素直线合围部分即对应真实航道部分；

利用船舶检测器加载网络权重，对摄像机采集到的航道部分进行检测以获取船舶粗略位置，将粗略位置采取外包矩形框的形式进行船舶位置描述；