基于高分卫星的城市安全监测预警系统的制作方法

本实用新型涉及一种监测系统，特别是涉及一种基于高分卫星的城市安全监测预警系统。

背景技术：

2019年12月10日，国家航天局发布了高分七号卫星首批22幅亚米级立体影像产品。这不仅是高分七号的首次亮相，也标志着我国高分辨率对地观测系统重大专项（简称高分专项）的建设重点将转入应用阶段。从高分一号到高分七号，“高分家族”的规模不断壮大，本领也越来越强。目前,我国已成功发射高分一号高分宽幅、高分二号亚米全色、高分三号1米雷达、高分四号同步凝视、高分五号高光谱观测、高分六号陆地应急监测、高分七号亚米立体测绘等7颗民用高分卫星。“高分家族”不仅构建起我国自主高分辨率对地观测系统，在应用上也遍及国土测绘、城市安全、农业、林业、环保等多个领域。太空中的“天眼”，正发挥着越来越重要的作用。

利用高分卫星采集城市建筑影像，通过比较不同时间点的影像数据，可以获知建筑物的空间变化数据，包括建筑物的沉降数据和倾斜数据。目前中国建筑物数量规模庞大，并且建筑物的平均高度还在逐年加速攀升，因为建筑物的倾斜现象对城市安全产生很大影响，所以对建筑物的倾斜监测尤其是高建筑的倾斜监测至关重要。目前高分卫星的影像采集速度和处理能力不断提升，在城市安全监测领域的应用日益广泛。但是由于目前高分卫星的数量还远远不能满足对所有城市建筑物的实地监测，所以需要在高分卫星的城市建筑物影像数据分析基础上，在疑似倾斜的建筑物或地表沉降多发区域的建筑物上，布置监测装置对建筑物进行实地倾斜监测，构成天地一体的综合监测系统。

这对于促进城市安全管理部门获取权威精准的监测数据，推动建筑物倾斜监测在公共安全服务和群众生产生活中的有效应用，保障社会可持续发展和人民群众安居乐业等方面有重要意义。

技术实现要素：

因此，本实用新型为实现在基于高分卫星获取的城市建筑物影像数据分析的基础上，针对性的对危险地段的建筑物进行实地的倾斜监测，利用特殊的光线传递结构进行墙壁倾斜角度的检测。

本实用新型所采用的技术方案是：基于高分卫星的城市安全监测预警系统，其特征在于：包括十字基准架、水平杆、底壳、恒定球、聚光罩、顶壳、电路盒、螺钉。

所述十字基准架为相互垂直的两件长方形板构成的十字形板，所述十字基准架的中心距离四个端部的距离相等；所述十字基准架的四个端部圆角处理，四个端部上垂直于十字平面均贯穿有通孔，所述螺钉穿过通孔将十字基准架安装在墙壁的竖面上。

所述十字基准架的十字中心的外侧面上，向外伸出中心轴线水平的圆柱状的水平杆。

进一步的，所述十字基准架与水平杆的连接处，设有三角板状的加固筋。

进一步的，所述加固筋的两个直边所在的矩形面，一个与十字基准架的外侧竖面连接，一个与水平杆的圆柱面连接。

所述水平杆的外端设有顶部开口的半球壳形的底壳，所述底壳由两层材料组成，内层为底壳透光内层，外层为底壳遮光外层；在所述底壳透光内层的底部的外球面上，均匀分布有多件光敏元件，所述底壳透光内层在光敏元件所在位置的材质为透明材质，其余区域为不透光材质；所述底壳遮光外层的材质不透光。

多件所述光敏元件在底壳透光内层上的排布划分为纵横两列，纵向列的排布平行于十字基准面的外侧竖面，横向列的排布平行于水平杆的中心轴线所在的竖直面；相邻光敏元件与底壳的几何球心的连线的夹角均相等。

所述底壳透光内层的底部中心处的光敏元件为起始光敏元件。

所述恒定球为顶部加工为平面的球状体，沿着所述恒定球的中心轴线贯穿开设细圆柱形的导光孔，所述导光孔的内圆柱面为镜面；所述聚光罩为底部开口的透明的半球壳形，对准导光孔粘贴在恒定球的顶部平面中央处，将导光孔的顶端开口密封。

所述恒定球放置于底壳内，所述恒定球的重心集中在底端，所述恒定球的外球面和底壳、顶壳的内球面之间涂有润滑油，所述恒定球的导光孔，在底壳和顶壳组成的球形内腔中始终保持竖直状态。

所述底壳随着建筑物墙壁的倾斜而转动后，所述恒定球的导光孔的底端对准的光敏元件为终点光敏元件。

进一步的，所述聚光罩的内侧球面的球径等于导光孔的孔径。

进一步的，当恒定球的导光孔底端对准起始光敏元件时，所述顶壳的透明区域恰好完全覆盖恒定球的顶部水平面区域。

进一步的，所述恒定球的顶部的平面所在圆形外径小于恒定球的几何球径。

所述顶壳为底部开口的半球壳形，所述顶壳的顶部区域为透明材质加工的透明区域，所述顶壳的其它区域为不透光材质；所述顶壳和底壳构成完整的球形壳体；所述顶壳的底部开口端面上，环绕其中心轴线开设有环形槽，所述底壳的顶部开口端面上，环绕其中心轴线设有环形台，所述环形台恰好卡扣进环形槽中；所述顶壳和底壳的接触面上均涂有密封胶。

进一步的，所述恒定球的几何球径，小于顶壳和底壳构成的球形内腔的球径的1.95～2.05mm。

所述电路盒螺装在十字基准架上，所述电路盒的顶部伸出有通信天线；所述电路盒中装有光线检测电路、处理器和通信电路。

本实用新型的原理为：所述顶壳的顶部区域为透明区域，将外部光线引入顶壳内部；所述集光罩的半球形结构将尽量多的光线引入导光孔，光线通过导光孔的传播，从导光孔的底部射出。

对应所述光敏元件所在位置的底壳透光内层的材质为透明材质，导光孔中的光线最终照射到某一件光敏元件上。

设相邻两件光敏元件与几何球心连线的夹角为x°，那么当十字基准架所在墙壁在正视视角内顺时针倾斜2x°，在右视视角内顺时针倾斜2x°后，所述导孔光对准的终点光敏元件的所在位置，在底壳的仰视视角中，位于起始光敏元件的右侧第二竖列，下侧第二横列的位置。

由此反推，当起始光敏元件的右侧第m数列，下侧第n横列的终点光敏元件接收到光线时，说明墙壁在正视视角内顺时针倾斜mx°，在右视视角内顺时针倾斜nx°；

当起始光敏元件的左侧第m数列，下侧第n横列的终点光敏元件接收到光线时，说明墙壁在正视视角内逆时针倾斜mx°，在右视视角内顺时针倾斜nx°；

当起始光敏元件的左侧第m数列，上侧第n横列的终点光敏元件接收到光线时，说明墙壁在正视视角内逆时针倾斜mx°，在右视视角内逆时针倾斜nx°；

当起始光敏元件的右侧第m数列，上侧第n横列的终点光敏元件接收到光线时，说明墙壁在正视视角内顺时针倾斜mx°，在右视视角内逆时针倾斜nx°。

所述终点光敏元件，即底壳随着墙壁倾斜后在竖直方向上最底端位置的光敏元件。

通过终点光敏元件的位置，即可反推出墙壁的倾斜数据。

本实用新型一种基于高分卫星的城市安全监测预警系统具有如下优点：

(1)利用高分卫星采集不同时间节点的城市建筑影像，通过影像分析获得区域性的建筑物倾斜大体情况，实用高效；

(2)基于高分卫星的影像分析，在疑似倾斜建筑物上布置监测装置，利用特殊的光线传播结构和光敏元件的特殊排布实现建筑物的精准倾斜角度监测，设计巧妙；

(3)利用恒定球的重心始终会带动导光孔维持竖直状态的结构，作为建筑物倾斜角度的旋转角度基准。

所以，这种基于高分卫星的城市安全监测预警系统，在高分卫星的城市建筑物影像数据分析基础上，在疑似倾斜的建筑物或地表沉降多发区域的建筑物上，布置监测装置对建筑物进行实地倾斜监测，构成天地一体的综合监测系统；对于促进城市安全管理部门获取权威精准的监测数据，推动建筑物倾斜监测在公共安全服务和群众生产生活中的有效应用，保障社会可持续发展和人民群众安居乐业等方面有重要意义。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者通过实施本实用新型而了解。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是信息传递原理示意图。

图2是建筑物上监测装置的整体装配结构示意图。

图3是移除顶壳的装配结构示意图。

图4是电路盒与十字基准架的装配结构示意图。

图5是移除恒定球的装配结构示意图。

图6是恒定球的顶部结构示意图。

图7是恒定球的底部结构示意图。

图8是集光罩的结构示意图。

图9是底壳的遮光层局部剖开时的装配结构示意图。

图10是底壳的遮光层局部剖开时的光敏元件的安装位置示意图。

图11是底壳的遮光层局部剖开时仰视视角的装配结构示意图。

图12是实施例中起始光敏元件和终点光敏元件的相对位置示意图。

图13是正视视角的墙壁右倾2x度时的整体装配结构示意图。

图14是正视视角的墙壁右倾2x度时的恒定球和底壳的装配结构示意图。

图15是右视视角的墙壁右倾2x度时的整体装配结构示意图。

图16是右视视角的墙壁右倾2x度时的恒定球和底壳的装配结构示意图。

图17是各相邻两件光敏元件与球心连线夹角均为x度的排布示意图。

图18是电路盒中光线检测电路和处理器的连接示意图。

图19是实施例中的光线检测电路图。

图20是系统的预警原理图。

图中标号：1-十字基准架、101-加固筋、2-水平杆、3-底壳、301-底壳透光内层、302-底壳遮光外层、303-光敏元件、3031-起始光敏元件、3031-终点光敏元件、4-恒定球、401-导光孔、5-聚光罩、6-顶壳、601-透明区域、7-电路盒、701-通信天线、8-螺钉、a-高分卫星、b-监测中心。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本实用新型一种基于高分卫星的城市安全监测预警系统作进一步的详细描述，以附图13视角为正视视角，以附图15视角为右视视角。

基于高分卫星的城市安全监测预警系统，其特征在于：包括十字基准架1、水平杆2、底壳3、恒定球4、聚光罩5、顶壳6、电路盒7、螺钉8。

如图2、图3、图4、图5所示，所述十字基准架1为相互垂直的两件长方形板构成的十字形板，所述十字基准架1的中心距离四个端部的距离相等；所述十字基准架1的四个端部圆角处理，四个端部上垂直于十字平面均贯穿有通孔，所述螺钉8穿过通孔将十字基准架1安装在墙壁的竖面上。

所述十字基准架1的十字中心的外侧面上，向外伸出中心轴线水平的圆柱状的水平杆2。

进一步的，所述十字基准架1与水平杆2的连接处，设有三角板状的加固筋101。

进一步的，所述加固筋101的两个直边所在的矩形面，一个与十字基准架1的外侧竖面连接，一个与水平杆2的圆柱面连接。

如图3、图5、图9、图10所示，所述水平杆2的外端设有顶部开口的半球壳形的底壳3，所述底壳3由两层材料组成，内层为底壳透光内层301，外层为底壳遮光外层302；在所述底壳透光内层301的底部的外球面上，均匀分布有多件光敏元件303，所述底壳透光内层301在光敏元件303所在位置的材质为透明材质，其余区域为不透光材质；所述底壳遮光外层302的材质不透光。

如图11、图12、图17所示，多件所述光敏元件303在底壳透光内层301上的排布划分为纵横两列，纵向列的排布平行于十字基准面的外侧竖面，横向列的排布平行于水平杆2的中心轴线所在的竖直面；相邻光敏元件303与底壳3的几何球心的连线的夹角均相等。

所述底壳透光内层301的底部中心处的光敏元件303为起始光敏元件3031。

如图3、图6、图7、图8所示，所述恒定球4为顶部加工为平面的球状体，沿着所述恒定球4的中心轴线贯穿开设细圆柱形的导光孔401，所述导光孔401的内圆柱面为镜面；所述聚光罩5为底部开口的透明的半球壳形，对准导光孔401粘贴在恒定球4的顶部平面中央处，将导光孔401的顶端开口密封。

所述恒定球4放置于底壳3内，所述恒定球4的重心集中在底端，所述恒定球4的外球面和底壳3、顶壳6的内球面之间涂有润滑油，所述恒定球4的导光孔401，在底壳3和顶壳6组成的球形内腔中始终保持竖直状态。

所述底壳3随着建筑物墙壁的倾斜而转动后，所述恒定球4的导光孔的底端对准的光敏元件303为终点光敏元件3032。

进一步的，所述聚光罩5的内侧球面的球径等于导光孔401的孔径。

进一步的，当恒定球4的导光孔401底端对准起始光敏元件3031时，所述顶壳6的透明区域恰好完全覆盖恒定球4的顶部水平面区域。

进一步的，所述恒定球4的顶部的平面所在圆形外径小于恒定球4的几何球径。

所述顶壳6为底部开口的半球壳形，所述顶壳6的顶部区域为透明材质加工的透明区域601，所述顶壳6的其它区域为不透光材质；所述顶壳6和底壳3构成完整的球形壳体；所述顶壳6的底部开口端面上，环绕其中心轴线开设有环形槽，所述底壳3的顶部开口端面上，环绕其中心轴线设有环形台，所述环形台恰好卡扣进环形槽中；所述顶壳6和底壳3的接触面上均涂有密封胶。

进一步的，所述恒定球4的几何球径，小于顶壳6和底壳3构成的球形内腔的球径的1.95～2.05mm。

如图2、图4、图18所示，所述电路盒7螺装在十字基准架1上，所述电路盒7的顶部伸出有通信天线701；所述电路盒7中装有光线检测电路、处理器和通信电路。

进一步的，每处监测点的通信电路中装有编码唯一的sim卡。

所述顶壳6的顶部区域为透明区域601，将外部光线引入顶壳6的内部；所述集光罩5的半球形结构将尽量多的光线引入导光孔401，光线通过导光孔401的传播，从导光孔401的底部射出。

对应所述光敏元件303所在位置的底壳透光内层301的材质为透明材质，导光孔401中的光线最终照射到某一件光敏元件303上。

如图13、图14、图15、图16所示，设相邻两件光敏元件303与几何球心连线的夹角为x°，那么当十字基准架1所在墙壁在正视视角内顺时针倾斜2x°，在右视视角内顺时针倾斜2x°后，所述导孔光401对准的终点光敏元件3032的所在位置，在底壳3的仰视视角中，位于起始光敏元件3031的右侧第二竖列，下侧第二横列的位置。

由此反推，当起始光敏元件3031的右侧第m数列，下侧第n横列的终点光敏元件接收到光线时，说明墙壁在正视视角内顺时针倾斜mx°，在右视视角内顺时针倾斜nx°；

当起始光敏元件3031的左侧第m数列，下侧第n横列的终点光敏元件3032接收到光线时，说明墙壁在正视视角内逆时针倾斜mx°，在右视视角内顺时针倾斜nx°；

当起始光敏元件3031的左侧第m数列，上侧第n横列的终点光敏元件3032接收到光线时，说明墙壁在正视视角内逆时针倾斜mx°，在右视视角内逆时针倾斜nx°；

当起始光敏元件3031的右侧第m数列，上侧第n横列的终点光敏元件3032接收到光线时，说明墙壁在正视视角内顺时针倾斜mx°，在右视视角内逆时针倾斜nx°。

所述终点光敏元件3032，即底壳3随着墙壁倾斜后在竖直方向上最底端位置的光敏元件303。

通过终点光敏元件3032的位置，即可反推出墙壁的倾斜数据。

在实施例中，如图19所示，所述光敏元件303采用硅光电池，硅光电池在接收到导光孔401中射出的光线后，将光照度信号转换为电流信号，通过以运算放大器构成的放大电路，将硅光电池产生的电流信号转换为电压信号并放大；不同硅光电池所在光检测电路连接处理器的不同管脚，处理器通过硅光电池的位置，即可计算出墙壁的倾斜角度。

在实施例中，假如所监测的墙壁的方位的光照条件不良，可以将顶壳6中的透明区域601替换为led光源。

如图20所示，一种基于高分卫星的城市安全监测预警方法：

s1，利用对比不同时间点高分卫星采集的城市建筑物影像数据，获得大范围内的疑似倾斜建筑物位置；

s2，在疑似倾斜建筑物上布置文中设计的光线传播结构和光敏元件，利用接收到光线照射的光敏元件的不同位置，反推出建筑物墙壁的倾斜角度；

s3，当建筑物的正立面墙壁倾斜角度≥阈值时，系统向监测中心发出预警；

s4，当建筑物的侧立面墙壁倾斜角度≥阈值时，系统向监测中心发出预警；

s5，系统接收地质灾害监测中心数据，当预报未来24小时内建筑物所处区域发生地质灾害概率≥50%时，预警级别增加一级；

进一步的，只将顶壳6顶部设计为透明区域601，当墙壁倾斜特别大的角度，恒定球4的顶部平面已经接收不到光线，此时监测装置将失效，因为此时人们通过肉眼可见即可判定墙壁倾斜严重，人们早已获知危险信息离开建筑物，已经没有必须通过监测装置继续监测了；在具体实施时，假如要继续监测墙壁倾斜，可以通过扩大顶壳6的透明区域601的面积，降低恒定球4的顶部平面高度实现。

进一步的，定期检查并更新所述恒定球4和底壳3、顶壳6之间的润滑油，使得恒定球4在球形内腔中保持自由转动。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。