Μεθοδολογία παρακολούθησης βραχοπτώσεων σε πρανή με τεχνικές επεξεργασίας βίντεο και εικόνων

Abstract

Το οδικό δίκτυο κυρίως σε περιοχές με έντονο ανάγλυφο περιβάλλεται από πρανή και ως εκ τούτου είναι επιρρεπές σε φαινόμενα βραχοπτώσεων που συχνά προκαλούν καταστροφή περιουσιών και υποδομών αλλά και ανθρώπινες απώλειες. Η συχνότητα εκδήλωσης του φαινομένου ιδιαίτερα σε ορεινές περιοχές είναι τέτοια που καθιστά απαραίτητη την παρακολούθηση των φυσικών και τεχνητών πρανών, ώστε να είναι δυνατή η έγκαιρη ανίχνευση της εκδήλωσης του φαινομένου για τη διακοπή της κυκλοφορίας ή/και την ενημέρωση των διερχόμενων οδηγών. Η ανίχνευση των βραχοπτώσεων μπορεί να γίνει, μεταξύ άλλων τεχνικών, μέσω της περιοδικής παρακολούθησης του ανάγλυφου του φυσικού εδάφους και της εύρεσης των διαφορών που έχουν προκληθεί λόγω της μετακίνησης των τεμαχίων βράχου. Στη διεθνή βιβλιογραφία έχουν προταθεί διάφορες γεωδαιτικές και γεωτεχνικές μέθοδοι ανίχνευσης των βραχοπτώσεων που χρησιμοποιούν εξοπλισμό όπως ρομποτικοί ολικοί γεωδαιτικοί σταθμοί, επίγειοι σαρωτές laser και επίγεια συστήματα συμβολομετρίας radar συνθετικού ανοίγματος (ground based interferometric SAR). Τα όργανα αυτά χαρακτηρίζονται από το υψηλό κόστος κτήσης γεγονός που καθιστά την χρήση τους εφικτή, κυρίως σε μεμονωμένες περιοχές ενδιαφέροντος. Στην παρούσα εργασία, μελετάται μία μεθοδολογία χρήσης τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων και βίντεο για την αυτοματοποιημένη ανίχνευση βραχοπτώσεων, ως εναλλακτικού τρόπου στον εντοπισμό, παρακολούθηση και διαχείριση φαινομένων βραχοπτώσεων. Με την χρήση τεχνικών επεξεργασίας εικόνων μπορούν να παραχθούν Ψηφιακά Μοντέλα Εδάφους πριν και μετά τις μετακινήσεις των βραχοτεμαχίων από τα οποία μπορεί να ανιχνευθεί η μετατόπιση. Με την χρήση τεχνικών επεξεργασίας βίντεο μπορεί να καταγραφεί σε πραγματικό χρόνο η τροχιά των βραχοπτώσεων. Η μεθοδολογία που παρουσιάζεται συνδυάζει χαμηλό κόστος εξοπλισμού, ευελιξία και μειωμένο χρόνο κατά τη συλλογή και επεξεργασία των δεδομένων. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ανάλυσης δεδομένων που προέκυψαν από πειραματική διάταξη που αποτελείται από δύο κάμερες που καταγράφουν πτώσεις βραχοτεμαχίων σε ένα τεχνητό πρανές. Η μεθοδολογία που εφαρμόστηκε συνοψίζεται σε πέντε βασικά βήματα: 1. Λήψη και προ-επεξεργασία εικόνων και δεδομένων βίντεο, 2. Παραγωγή και επεξεργασία των τρισδιάστατων μοντέλων για τον εντοπισμό των μετακινήσεων λόγω βραχοπτώσεων, 3. Επεξεργασία των βίντεο για τον εντοπισμό της τροχιάς των βραχοτεμαχίων, 4. Σύζευξη των ψηφιακών μοντέλων εδάφους και των τροχιών πτώσης με δεδομένα γεωφώνων, 5. Βελτιστοποίηση αποτελεσμάτων για τον περιορισμό των σφαλμάτων ανίχνευσης (false alarms).

Road networks, especially located in high relief areas are surrounded by steep slopes which are prone to rockfall phenomena often causing damage to properties, infrastructures and loss of human lives. The incidence rate of this phenomenon especially in mountainous areas is such that necessitates the monitoring of natural and man-made slopes, to allow early detection of the phenomenon in order to reallocate traffic and/or to inform incoming drivers. Rockfall detection can be accomplished through various techniques, including, periodic monitoring of the digital surface model and the detection of the differences caused by the movement of the rock masses. In the international literature, geodetic and geotechnical methods have been proposed for rockfall detection using equipment such as robotic total geodetic stations, terrestrial lasers scanners and ground based interferometric synthetic aperture radar systems (SAR). These instruments are characterized by a high acquisition cost, which makes their use feasible mainly on small scale areas of interest. In this study, a digital image processing and video methodology is presented, for an automated rockfall detection system, as an alternative technique to identify, monitor and manage rockfall phenomena. By using digital image processing techniques, digital surface models before and after rock movement events can be created in order to calculate the displacement. Using video processing techniques, the trajectory of the rockfall can be recorded in real time. The methodology presented, combines flexibility and low equipment and data processing costs. Specifically, the results of data analysis are presented, obtained from an experimental set consisted of two cameras that record rockfall incidents in an artificial slope. The methodology applied is summarized in five basic steps: 1. Acquiring and pre-processing of image and video data, 2. Production and processing of three-dimensional surface models, used for displacement detection due to rockfall, 3. Video processing for trajectory monitoring of the falling rocks, 4. Integration of digital surface models and trajectories with geophone data, 5. Optimization, in order to minimize detection errors (false alarms).