城市区域地面沉降多源感知自动化监控系统和实现方法与流程

本发明公开一种城市区域地面沉降监控系统及方法，特别是一种城市区域地面沉降多源感知自动化监控系统和实现方法。

背景技术

地面沉降又称为地面下沉或地陷。它是在人类工程经济活动影响下，由于地下松散地层固结压缩，导致地壳表面标高降低的一种局部的下降运动（或工程地质现象）。地面沉降目前已经成为世界各大城市的一个主要工程地质问题，人为的地面沉降主要是过量开采地下液体或气体，致使贮存这些液、气体的沉积层的孔隙压力发生趋势性的降低，有效应力相应增大，从而导致地层的压密。它一般表现为区域性下沉和局部下沉两种形式，可引起建筑物倾斜，破坏地基的稳定性，滨海城市会造成海水倒灌，给生产和生活带来很大影响。

造成地面沉降的原因很多，地壳运动、海平面上升等会引起区域性沉降；而引起城市局部地面沉降的主要原因则与大量开采地下水有密切关系。地面沉降会对地表或地下构筑物造成危害；在沿海地区还能引起海水入侵、港湾设施失效等不良后果。主要表现为：（1）毁坏建筑物和生产设施；（2）不利于建设事业和资源开发。发生地面沉降的地区属于地层不稳定的地带，在进行城市建设和资源开发时，需要更多的建设投资，而且生产能力也受到限制；（3）造成海水倒灌。地面沉降区多出现在沿海地带。地面沉降到接近海面时，会发生海水倒灌，使土壤和地下水盐碱化。对地面沉降的预防主要是针对地面沉降的不同原因而采取相应的工程措施。

因此，城市地面沉降监控就成了城市维护的一项重要任务，通过城市地面沉降监控可在灾害发生之前采取补救措施，防止灾害进一步扩大。目前，城市地面沉降监控的主要手段都是通过市政摄像头采集路面情况，进行人工判断，或者采用人工巡查的方式进行监控，采用市政摄像头进行监控，一方面工作量较大，需要大量人工进行判断，另一方面，由于摄像头存在很多盲区，造成监控不利的缺点。采用人工巡查的方式，更是需要大量的人工进行巡访，而且，监控的效果完全取决于工作人员的认真程度，还经常存在监控不到位的情况。

技术实现要素：

针对上述提到的现有技术中的城市地面沉降监控工作量大、监控不到位的缺点，本发明提供一种城市区域地面沉降多源感知自动化监控系统和实现方法，其采用无人机配合地面自动化监测技术，可精准快速的对城市区域地面沉降进行监控。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种城市区域地面沉降多源感知自动化监控系统，监控系统包括无人机、地面站控制系统、地面监测系统和实时预警平台，无人机通过无线通信方式与地面站控制系统连接，地面站控制系统输出控制信号给无人机，并接收无人机传输的数据信息，地面站控制系统与实时预警平台连接，将采集到的数据信息传输给实时预警平台，地面监测系统与实时预警平台连接，将采集到的数据信息传输给实时预警平台。

一种城市区域地面沉降多源感知自动化监控实现方法，该方法包括以下步骤：

s1、在无人机上安装数据采集模块和无线传输模块，并进行现场性能试验测试；

s2、根据监测区域，进行无人机航行路线规划，设置飞行路径，飞行路径为往复式，来回逐行扫描；

s3、进行地面沉降监测，无人机升空后，通过地面站控制系统和飞行控制模块进行自动导航，无人机按照既定路线进行数据采集，通过摄影测量模块用于地面图像拍摄采集，通过雷达模块用于地面坐标信息采集；

s4、通过存储器将采集的数据进行存储，通过无线传输模块进行采集数据的实时传输，当整个监测区域的数据采集结束后，无人机返航；

s5、实时预警平台将采集到的数据进行接收、存储和分析处理，构建城市三维地理信息模型，同时动态显示地面沉降分布图，根据预警平台预先设置的地面沉降预警阈值，对地面沉降进行实时预警；

s6、根据地面沉降分布图，对城市区域沉降进行等级划分，并在预警平台中以不同颜色区分；

s7、针对沉降重点区域和重要公共设施，采用测量机器人和光纤传感技术进行沉降的动态监测，监测数据实时反馈至预警平台，进行数据更新；

s8、通过实地勘察，并结合土木工程专业技术，制定相应的防控措施，并继续动态监测措施实施后的地面沉降状况，对防控措施的有效性进行评价。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的无人机包括机体和控制电路，控制电路安装在无人机机体内，控制电路包括飞行控制模块、数据采集模块、存储器以及无线传输模块，飞行控制模块与无线传输模块连接，数据采集模块与存储器连接，无线传输模块与飞行控制模块和数据采集模块连接。

所述的数据采集模块包括摄影测量模块和雷达模块，摄影测量模块和雷达模块分别与存储器和无线传输模块连接。

所述的雷达模块采用激光雷达模块或insar模块。

所述的存储器采用tf卡或sd存储卡。

所述的无人机的控制电路中还设置有gps模块，gps模块与飞行控制模块连接。

所述的地面监测系统包括测量机器人模块、光纤传感模块和数据传输模块，测量机器人模块和光纤传感模块分别与数据传输模块连接。

所述的数据传输模块采用无线传输模块。

本发明的有益效果是：本发明可以实时接受监测系统传输的数据并进行存储和分析处理，实现城市区域地面沉降的等级划分及沉降预警，具有实时性、高效性、自动化和可视化等特点。监测系统和预警平台通过无线通信传输技术相结合，构成地面沉降多源感知自动化监控体系，该监控体系实现了对城市地面沉降的快速、全面、准确的监测和预警功能，提升了城市精细化管控和防灾减灾的能力。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明系统方框图。

图2为发明中无人机部分方框图。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

请参看附图1和附图2，本发明主要为城市区域地面沉降多源感知自动化监控系统，主要包括无人机、地面站控制系统、地面监测系统和实时预警平台，无人机通过无线通信方式与地面站控制系统连接，地面站控制系统输出控制信号给无人机，并接收无人机传输的数据信息，地面站控制系统与实时预警平台连接，将采集到的数据信息传输给实时预警平台，地面监测系统与实时预警平台连接，将采集到的数据信息传输给实时预警平台。本实施例中，无人机包括机体和控制电路，控制电路安装在无人机机体内，控制电路主要包括飞行控制模块、数据采集模块、存储器以及无线传输模块，飞行控制模块用于驱动无人机的电机，控制无人机的飞行路线、飞行高度等，飞行控制模块与无线传输模块连接，数据采集模块与存储器连接，可将采集到的数据存储到存储器中，无线传输模块与飞行控制模块和数据采集模块连接，可用于接收无人机的控制信号以及将无人机采集到的信息通过无线方式传输给实时预警平台。

本实施例中，数据采集模块包括摄影测量模块和雷达模块，摄影测量模块采用摄像头，用于地面图像拍摄采集，以构建城市三维地理模型。雷达模块采用激光雷达模块（激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号，如：激光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。激光雷达用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成，发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达）或insar模块（干涉雷达指采用干涉测量技术的合成孔径雷达，是新近发展起来的空间对地观测技术，是传统的sar遥感技术与射电天文干涉技术相结合的产物。它利用雷达向目标区域发射微波，然后接收目标反射的回波，得到同一目标区域成像的sar复图像对，若复图像对之间存在相干条件，sar复图像对共轭相乘可以得到干涉图，根据干涉图的相位值，得出两次成像中微波的路程差，从而计算出目标地区的地形、地貌以及表面的微小变化，可用于数字高程模型建立、地壳形变探测等），雷达模块用于地面坐标信息采集，构建dem（digitalelevationmodel，数字高程模型），用于形成地面沉降渲染图。

本实施例中，无线传输模块采用2.4g无线传输模块和5.8g无线传输模块，2.4g无线传输模块用于传输无人机控制信号，5.8g无线传输模块用于传输无人机采集到的数据信息。具体实施时，无线传输模块还可以采用3g模块、4g模块或5g模块，通过移动通信的方式传输控制信号和采集到的数据。

本实施例中，存储器可采用tf卡或sd存储卡等，用于将采集到的数据信息进行存储。

本实施例中，无人机控制电路中还设置有gps模块，gps模块与飞行控制模块连接，gps模块用于无人机精确定位与自动导航，使无人机按照预定监测范围精确飞行。

本实施例中，地面监测系统包括测量机器人模块和光纤传感模块，测量机器人模块和光纤传感模块分别与数据传输模块连接，通过数据传输模块将测量机器人和光纤传感器采集到的信息传输给实时预警平台，用于地面沉降重点区域和重要公共设施的沉降变形进行实时监测。本实施例中，测量机器人又称自动全站仪，是一种集自动目标识别、自动照准、自动测角与测距、自动目标跟踪、自动记录于一体的测量平台。它的技术组成包括坐标系统、操纵器、换能器、计算机和控制器、闭路控制传感器、决定制作、目标捕获和集成传感器等八大部分。坐标系统为球面坐标系统，望远镜能绕仪器的纵轴和横轴旋转，在水平面360°、竖面180°范围内寻找目标；操纵器的作用是控制机器人的转动；换能器可将电能转化为机械能以驱动步进马达运动；计算机和控制器的功能是从设计开始到终止操纵系统、存储观测数据并与其他系统接口，控制方式多采用连续路径或点到点的伺服控制系统；闭路控制传感器将反馈信号传送给操纵器和控制器，以进行跟踪测量或精密定位；决定制作主要用于发现目标，如采用模拟人识别图像的方法(称试探分析)或对目标局部特征分析的方法(称句法分析)进行影像匹配；目标获取用于精确地照准目标，常采用开窗法、阀值法、区域分割法、回光信号最强法以及方形螺旋式扫描法等；集成传感器包括采用距离、角度、温度、气压等传感器获取各种观测值。由影像传感器构成的视频成像系统通过影像生成、影像获取和影像处理，在计算机和控制器的操纵下实现自动跟踪和精确照准目标，从而获取物体或物体某部分的长度、厚度、宽度、方位、2维和3维坐标等信息，进而得到物体的形态及其随时间的变化。

本实施例中，光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，称为被调制的信号光，再利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量。本实施例中，根据光纤传感器的测量原理选用物性型光纤传感器原理，物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。

本实施例中，数据传输模块采用无线传输模块，可将测量机器人和光纤传感器采集到的数据通过数据传输模块传输给实时预警平台。具体实施时，数据传输模块采用无线传输模块，如wifi模块、3g模块、4g模块、5g模块等。

本实施例中，实时预警平台为控制中心，用于将上述监测系统采集的数据进行存储、分析、处理，构建城市三维地理信息模型以动态显示地面沉降分布，实现城市区域地面沉降实时预警。基于上述预警平台，进行城市区域沉降等级划分，通过实地勘察，并结合土木工程专业技术，制定相应的防控措施，实现地面沉降的精细化管控。

本发明中的城市区域地面沉降多源感知自动化监控体系和实现方法，包括基于无人机和地面自动化监测技术的监测系统、基于物联网技术的实时预警平台和地面沉降管控办法。采用无人机搭载激光雷达/insar监测技术和地面自动化监测技术，两种技术的结合形成城市地面沉降空、地监测网络。

城市区域地面沉降多源感知自动化监控体系实现方法，主要包括以下步骤：

s1、根据项目需求，在无人机上安装数据采集模块和无线传输模块，并进行现场性能试验测试，确保无人机监测系统的稳定性，同时确定无人机的飞行高度；

s2、根据监测区域，进行无人机航行路线规划，设置飞行路径，为了捕捉整个区域的沉降特征，飞行路径为往复式，来回逐行扫描；

s3、进行地面沉降监测，无人机升空后，通过地面站控制系统和gps导航系统（即飞行控制模块）进行自动导航，无人机按照既定路线进行数据采集，通过摄影测量模块用于地面图像拍摄采集，通过雷达模块用于地面坐标信息采集；

s4、通过存储器将采集的数据进行存储，通过无线传输模块进行采集数据的实时传输，当整个监测区域的数据采集结束后，无人机返航；

s5、实时预警平台将采集到的数据进行接收、存储和分析处理，构建城市三维地理信息模型，同时动态显示地面沉降分布图，根据预警平台预先设置的地面沉降预警阈值，对地面沉降进行实时预警；

s6、根据地面沉降分布图，对城市区域沉降进行等级划分，并在预警平台中以不同颜色区分；

s7、针对沉降重点区域和重要公共设施，采用测量机器人和光纤传感技术进行沉降的动态监测，监测数据实时反馈至预警平台，进行数据更新；

s8、通过实地勘察，并结合土木工程专业技术，制定相应的防控措施，并继续动态监测措施实施后的地面沉降状况，对防控措施的有效性进行评价。

本发明可以实时接受监测系统传输的数据并进行存储和分析处理，实现城市区域地面沉降的等级划分及沉降预警，具有实时性、高效性、自动化和可视化等特点。监测系统和预警平台通过无线通信传输技术相结合，构成地面沉降多源感知自动化监控体系，该监控体系实现了对城市地面沉降的快速、全面、准确的监测和预警功能，提升了城市精细化管控和防灾减灾的能力。