专利名称：一种高精度光电式水管式沉降仪管内液面高程测量方法
技术领域：
本发明属于测量领域，涉及一种高程测量方法，尤其是一种高精度光电式水管式 沉降仪管内液面高程测量方法。
背景技术：
由于目前国内所涉及的关于水管式沉降仪中测量管内液面高程差的方法比较少， 工作人员测量不便，并且测量精度不够高，不能实现对液面高程差的精确测量，致使工作人 员在对土石坝及岩土工程内部垂直向沉降位移的测量过程中误差太大。本发明测量方法装 置便于安装，成本低廉，精度高，可广泛应用于水管式沉降仪在土石坝、尾矿坝、滑坡体等大 型建筑和岩土工程垂直沉降位移测量领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度光电式水管式沉降仪管内液面高程测量方法，利 用平行光投影法或成像法实现水管式沉降仪液面高度变化测量，从而实现液面高程变化自 动化非接触式高精度测量，可以解决目前土石坝或者岩土工程内部垂直向沉降位移工作量 大和精度不高的问题。本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高精度光电式水管式沉降 仪管内液面高程测量方法，按照如下步骤(1)安装好水管式沉降仪，在测量管的前方放置光电器件如CCD或者COMS等，光电 器件与外围单片机或嵌入式计算机系统连接，其中外围单片机系统包括完成程控驱动、信 号处理和识别、数据采集及与计算机的通讯等模块。(2)在测量水管式沉降仪管内液面高程时既可以采用成像法，也可以采用投影法。C3)使用成像法中，在观测台范围内的所有测量管内液体的表面均设置浮子。浮子 可以选取圆柱体的或者其他形状的木制材料、塑料材质或者其他轻便材质，选取浮子漫反 射光作为光源或者在浮子表面设置光源，或者以液体界面作为对象进行边界提取；若采用 投影法进行测量时，要借助于平行光从测量管的另外一侧照射在液面或者浮子上，使得它 们在光电器件上进行投影。(4)使用成像法时，在光源前面放置面阵光电器件，调整成像镜头，使光源或液体 界面在面阵光电器件的靶面上成像；通过选取光学镜头的焦距f，或者改变物距像距，就可 以设计满足测量范围和测量精度的需求。使得多个测量管内的光源在光电器件上成像，实 现一次多个管内液面高程变化测量；在投射法中，在测量管前面设置大量程线阵光电器件， 利用平行光对液面或者浮子在线阵光电器件靶面进行投影。这样可以实现一次多个管内液 面高程变化测量。( 以光电器件的底端轮廓线为基准线，通过计算靶面上所成像或者投 影的灰度值来提取其重心位置，利用灰度重心算法计算出图像中灰度值最大的点的坐标位 置，此位置就是这张图像的重心位置。并将此重心位置设为初始重心位置；以初始重心位置 与基准线的高度差为初始值；
(6)通过计算在光电器件靶面上所成的像或是其所接收到的投影经过灰度值计算 提取新的重心位置，将新的重心位置设为测量重心位置，以测量重心位置与基准线的高度 差为测量值。初始值与测量值的差就是沉降值。所述光源为在表面喷涂反光粉或者在表面包裹反光薄膜、反光材料如锡箔纸等的 浮子或者在浮子上面直接设置的光源，如LED发光管等发光器件。所述用以液体界面作为对象进行边界提取是指以液面本身作为对象在光电靶面 上成像，可以利用图像处理来提取液面边界，从而计算出液面高度变化。所述面阵光电器件或者大量程线阵光电器件是CCD或COMS等其它器件。所述测量是指可以一次实现多个管内液面高程变化的测量。所述通过计算靶面上成像的灰度值确定光源的初始重心位置是经过图像采集和 图像分析，利用灰度重心法进行图像重心位置提取。本发明的方法，利用平行光投影法或成像法实现水管式沉降仪液面高度变化测 量，从而测量出各个测点的高程变化。其中成像法利用测量管内液体界面、液面上浮子或者 浮子上面设置的光源在一个面阵光电器件(如(XDC0MS等)靶面上成像的重心计算，一般 来说浮子上设置光源或喷涂反光材料。其中浮子上面设置光源是一种主动光源的模式，而 喷涂反光材料是一种被动光源模式。但两者均可以实现液面位置在面阵光电器件(如CCD COMS等)靶面上成像。以液体界面作为对象进行边界提取是指以液面本身作为对象在光电 靶面上成像，可以利用图像处理来提取液面边界，从而计算出液面高度变化。而且不止可以 测量单个测量管内液面高程变化，还可以实现多个管内液面高程变化的测量。投影法利用 平行光投影，通过液面或浮子在大量程线阵光电器件(如CCD COMS等)上的投影，所成像或 阴影的均可经过图像采集和图像处理利用灰度重心法提取重心位置。当土石坝、尾矿坝、滑 坡体等大型建筑和岩土工程发生垂直沉降位移时，置于沉降侧头端的测量管内液面会发生 变化，使得在观测房内的测量管内的液体的液面位置也会发生变化。此时在光电器件(如 CXD COMS等)所成的像或者其所接收到的投影经过计算灰度值提取新的重心位置。不同的 重心位置与基准面的高程代表测量管中液面的不同高度。根据不同重心位置与基准线差值 可以得出这段时间内测量管内液面实际上升或者下降的高程。由于水管式沉降仪是利用连 通器原理制成，沉降侧头内部的测量管与观测房内的测量管的连通的，当沉降头内测量管 内的液面发生变化时，观测房内测量管的液面也会发生变化。根据这一原理，当可以测到观 测房内液面变化高程差时也就可以得到沉降端液面变化情况，即能够得到土石坝或者岩土 工程内部垂直向沉降位移。这种方法的特征在于(a)测量管内液面初始位置的标定等到沉降仪的各个测量管内液体都已经达到稳定的时候，就可以进行测量管内液 面初始位置的标定。首先根据实际测量条件定出一条基准线，可以选取光电器件(如CCD COMS等)的物理边框作为基准线，接着如果使用成像法则打开各个测量管的光源或者利用 平行光照射在涂有反射材料的浮子上面，使得可以在一个面阵光电器件(如CCD COMS等) 靶面上成像；如果使用投影法，则使用平行光照射液面或浮子上面，使得在大量程线阵光电 器件(如CCD COMS等)上形成投影阴影。所成像或阴影均可利用灰度重心算法提取出图 像中灰度值最大的点的坐标位置，即图像重心位置。该重心位置到基准线的高度Hl即为测量管内液面的初始高度，这也就完成了测量管内液面初始位置的标定。
(b)当土石坝、尾矿坝、滑坡体等大型建筑和岩土工程发生垂直沉降位移时，置于 沉降侧头端的测量管内液面会发生变化，使得在观测房内的测量管内的液体的液面位置也 会发生变化。此时在光电器件(如CXD COMS等)所成的像或者其所接收到的投影经过图 像采集和图像处理，利用灰度重心法提取新的重心位置，此时的重心位置到基准线的高度 为H2。(c)这时将以上步骤得到的两个高度HI、H2进行比较，两者之差即为土石坝或者 岩土工程内部发生垂直向沉降的数值。此处忽略了由于测量管本身移动所带来的基准面的 变化，由于沉降仪所在的平台可以根据水准仪来进行误差补偿，所以此处可以不用考虑由 于基准面的变化所带来的误差。与现有技术相比，本方法测量所选装置简单，实施方便，实现了非接触式自动化的 测量。一般选取光接收器件的物理边框作为基准线，是为了测量的方便，只需要定标一次就 可以进行多次反复的测量。由于采用方法可以根据测量条件选择成像法或者平行光投影 法，其中在成像法中是利用液面、液面上的浮子或者浮子上面设置光源(其中浮子上面设 置光源或者喷涂反光材料)进行成像；在投影法中，是利用平行光在液面或者浮子照射进 行投影，所以测量中可选装置设备范围大。然后利用外围电路进行采集并分析，根据计算成 像或者投影部分的灰度值提取重心位置，然后记录此位置，可以进行实时测量。首次重心位 置与基准线之间的高度作为初始值，当沉降侧头位置发生变化的时候，有连通器原理可以 知道测量管内的液面也会发生变化，此时根据光源在光电器件(如CCD COMS等)上所成的 像或者投射在其上的阴影计算就可以得到新的位置的光斑的重心位置，新的重心位置与基 准线之间的高度与初始值的差值就是沉降值。此外，本方法可实现对安装在观测台上所有测量管的整体测量，不再局限于一次 只能测量单个测量管，这样可以提高测量的效率，减少工作人员的工作量。另一方面，在成 像法中光源的选择范围广，可以采用自身可以发光的主动光源如LED发光管，也可以采用 依靠外部光线的被动光源如反射物体，这样可以根据测量所在的环境、条件以及各种设备 的需求来合理的选择，造价也很低。该方法可用于方便实时的观测土石坝和岩土工程内部垂直向沉降位移，减少工作 人员的工作量，精度较高。
图1为本发明的测量原理示意图；图2为本发明的方法中使用投影法来测量的装置示意图；其中1为光源；2为浮子；3为液体；4为测量管；5为观测台；6为光接收器件；7 为平行光线；8为投影或像斑；9液体界面。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述参见图1和图2所示，是一种测量水管式沉降仪测量管内液面高程差的方法原理 和装置示意图。利用光源1、浮子2、测量管3及其内部所装液体4、观测台5等组成。测量管4安装在观测台5上，测量管与液压罐相连，其中液压管属于沉降仪的必须部分，由于所 有的水管式沉降仪都具备此装置，故此不再画出。之后可以通过电气阀自动控制加液至沉 降侧头和观测房内的测量管内，等到测量管内的液压保持恒定以后，将浮子2放在观测房 内的测量管内。若是采用被动光源模式，则只需要在浮子2表面喷涂反射材料，不需要放置光源 1。借助参考光照射在浮子上面，由于其表面涂有反射材料，所以可以在一个面阵光电器件 (如CXD COMS等)靶面上6成像8，经过灰度值计算提取所成像的重心位置；若采用主动光 源模式，则需要同时将光源1放置在浮子2上面，发光面朝着面阵光电器件(如CCD COMS 等)靶面6。在液面稳定后打开该光电器件(如CCD COMS等)6，调整光电器件(如CCDC0MS 等)1的位置和参数，使得整个观测台25上测量管4内的光源都在光电器件(如CXD COMS 等)靶面6上成像8。如果选取以液体界面9作为成像对象，则在光电器件的靶面6上成像 8。若是采用投影法，则需要参考图2所示的装置。利用平行光7对观测管4内液面 或者浮子2在大量程线阵光电器件(如CCD COMS等)6上进行投影8。根据所测范围固定好光电器件(如CXD COMS等)6和外围电路，将此时的光电器 件(如CXD COMS等)6底部物理边框作为基准线。对所成像或阴影8的均可经过计算灰度 值提取重心，该重心位置到基准线的高度Hl即为测量管内液面的初始高度，这也就完成了 测量管内液面初始位置的标定。当土石坝、尾矿坝、滑坡体等大型建筑和岩土工程发生垂直沉降位移时，置于沉降 侧头端的测量管内液面会发生变化，使得在观测房内的测量管4内的液体的液面位置也会 发生变化。此时在光电器件(如CXD COMS等)6所成的像8或者其所接收到的投影8经过 灰度值计算提取新的重心位置，此时的重心位置到基准线的高度为H2。将得到的两个高度 H1、H2进行比较，两者之差即为土石坝或者岩土工程内部发生垂直向沉降的数值。本发明所涉及的光电器件(如CXD COMS等)6可以同时测量图1所示多个测量 管液面高程差，消除了之前只能对单个测量管逐管单点测量的局限性，应用面阵光电器件 (如CCD COMS等)6或者大量程线阵光电器件(如CCD COMS等)6，使得测量效率提高。 光电器件(如CXD COMS等)6可与外围单片机(包括完成程控驱动、信号处理和 识别、数据采集及与计算机的通讯等模块)或者嵌入式计算机系统连接。光电器件(如CXD COMS等)6的像元将光强转换成电荷量存储。光电器件(如CCD COMS等)驱动器产生相应 逻辑时序将电荷信息移出，输出信号经过整形处理，利用计算光斑灰度值的方法提取该光 斑的重心，参照基准线得出测量管内液面的高度，结果经通信接口发送到监测计算机或其 他外接设备。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施方式
仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱 离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所 提交的权利要求书确定专利保护范围。
权利要求
1.一种高精度光电式水管式沉降仪管内液面高程测量方法，其特征在于，按照如下步骤(1)安装好水管式沉降仪，在测量管的前方放置镜头将测量管成像在光电器件上，光电 器件与外围单片机系统或嵌入式计算机连接；(2)在测量水管式沉降仪管内液面高程时采用成像法或投影法；(3)采用成像法时在观测台范围内的测量管内液体的表面设置浮子，选取浮子漫反射 光作为光源或者在浮子表面设置光源；或者以液体界面作为对象进行边界提取；采用投影法进行测量时，要借助于平行光从测量管的另一侧照射在液面或者浮子上， 使得它们在光电器件上进行投影；(4)使用成像法时，在光源前面放置面阵光电器件，调整成像镜头，使光源或液体界面 在面阵光电器件的靶面上成像；通过选取光学镜头的焦距f，或者改变物距像距，使得设计 满足测量范围和测量精度的需求；使得多个测量管内的光源在光电器件上成像，实现一次 多个管内液面高程变化测量；使用投射法时，在测量管前面设置大量程线阵光电器件，利用平行光对液面或者浮子 在线阵光电器件靶面进行投影，能够实现一次多个管内液面高程变化测量；(5)以光电器件的底端轮廓线为基准线，通过计算靶面上所成像或者投影的灰度值来 提取其重心位置，利用灰度重心算法计算出图像中灰度值最大的点的坐标位置，此位置就 是这张图像的重心位置；并将此重心位置设为初始重心位置；以初始重心位置与基准线的 高度差为初始值；(6)通过计算在光电器件靶面上所成的像或是其所接收到的投影经过灰度值计算提取 新的重心位置，将新的重心位置设为测量重心位置，以测量重心位置与基准线的高度差为 测量值；初始值与测量值的差就是沉降值。
2.如权利要求1所述一种高精度光电式水管式沉降仪管内液面高程测量方法，其特征 在于所述浮子作为光源时表面要喷涂反光粉或者包裹反光薄膜或反光材料；在浮子上面 设置的光源是为发光器件。
3.如权利要求1所述一种高精度光电式水管式沉降仪管内液面高程测量方法，其特征 在于以液面本身作为对象在光电靶面上成像，利用图像处理来提取液面边界，从而计算出 液面高度变化。
4.如权利要求1所述一种高精度光电式水管式沉降仪管内液面高程测量方法，其特征 在于所述面阵光电器件或者大量程线阵光电器件是CCD或C0MS。
5.如权利要求1所述一种高精度光电式水管式沉降仪管内液面高程测量方法，其特征 在于根据测量范围和精度的要求，通过调节物象之间的距离或者光学镜头的焦距，使得多 个测量管内的光源在光电器件上成像，实现一次多个测量管内液面高程变化的测量。
6.如权利要求1所述一种高精度光电式水管式沉降仪管内液面高程测量方法，其特征 在于所述通过计算靶面上成像的灰度值确定光源的初始重心位置是指经过图像采集和图 像分析，利用灰度重心算法计算出采集到的图像区域中每个光斑的重心位置。
7.如权利要求1所述一种高精度光电式水管式沉降仪管内液面高程测量方法，其特征 在于所述浮子选取木制材料或塑料材质。
全文摘要
本发明公开了一种光电式水管式沉降仪管内液面高程测量方法，该方法利用平行光投影法或成像法实现水管式沉降仪液面高度变化测量，从而测量出各个测点的高程变化。成像法利用液面上的浮子喷涂反光材料或浮子上面放置光源后在一个面阵光电器件靶面上成像利用灰度重心法提取重心进行计算，或直接对液面成像通过图像处理进行液面边界提取，实现多个管内液面高程变化测量；投影法利用平行光投影，通过液面或浮子在大量程线阵光电器件上的投影阴影提取重心进行计算的，从而实现液面高程变化自动化非接触式高精度测量。本发明测量方法装置便于安装，成本低廉，可广泛应用于水管式沉降仪在土石坝、尾矿坝、滑坡体等大型建筑和岩土工程垂直沉降位移测量领域。
文档编号G01C5/00GK102072720SQ20101059870
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月21日 优先权日2010年12月21日
发明者乐开端, 黎玮 申请人:西安交通大学, 西安华腾光电有限责任公司