一种边坡稳定性三维变形辅助监测装置及方法

本发明涉及边坡稳定性三维变形监测，具体涉及一种边坡稳定性三维变形辅助监测装置及方法。

背景技术：

交通基础设施仍保持较快的发展速度，公路总里程和高速公路里程不断增加，，边坡作为公路施工主体项目之一，施工规模日益庞大。我国地质环境复杂，地形以山地、高原为主，广泛存在黄土、冻土、膨胀土、盐渍土、软土等特殊性岩土，要保障边坡防止工程体系的安全性和可靠性，防范边坡灾害对各类公路安全造成不良影响，就需要对边坡进行安全检测、评价并做出合理的处置维护措施。

边坡稳定性监测是保证边坡安全的重要手段，是边坡工程设计、施工和运行的重要组成部分。监测边坡的施工、运行过程中的变形情况，将为保证工程安全的各项决策提供科学一句，为修改设计、指导施工提供基本的数据资料，边坡稳定性监测已成为保证公路工程施工和运行安全不可缺少的重要手段。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种边坡稳定性三维变形辅助监测装置及方法，为边坡监测提供一套自动化装置，有助于实现边坡状态实时远程监测。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种边坡稳定性三维变形监测装置，包括激光发射端、激光接收端以及供电系统，供电系统为激光发射端和激光接收端供电，激光发射端包括激光测距仪、控制器、准直激光发射器、gprs模块以及第一无线通信模块，激光测距仪、gprs模块和第一无线通信模块均与控制器双向通信连接，控制器通过gprs模块连接云服务器，第一无线通信模块用于向激光接收端发送信号，准直激光发射器连接控制器的输出端，激光接收端包括图像采集装置、处理器、存储器以及第二无线通信模块；图像采集装置连接处理器的输入端，第二无线通信模块和存储器均与处理器通过i/o接口连接。

控制器采用stm32单片机控制器，处理器采用fpga；激光测距仪、gprs模块和第一无线通信模块均与控制器通过rs485通信线连接，fpga与第二无线通信模块通过rs485通信线连接；激光接收端中，处理器还连接有vga接口，存储器采用sdram，图像采集装置采用coms摄像头。

激光接收端设置有一个透射式靶标和一个反射式靶标，透射式靶标用于接收激光位移测量仪的激光，沿着激光透射方向，图像采集装置设置在透射式靶标的后方，透射式靶标和反射式靶标设置在边坡顶部，漫射滤光平面板作为透射式靶标的靶面。

供电系统包括光伏组件和蓄电池，光伏组件的电能输出端连接有变压器，变压器的输出端连接蓄电池、激光发射端以及激光接收端的电能输入端，蓄电池的电能输出端激光发射端以及激光接收端的电能输入端。

一种基于本发明所述装置的边坡稳定性监测方法，包括以下步骤：

激光发射端为主控端，控制器通过gprs模块连接云服务器，建立连接后，定时打开准直激光发射器，通过第一无线通信模块向激光接收端发送通信指令；

图像采集装置实时获取图像，激光接收端通过处理器获取图像采集装置所采集的图像，根据所述图像数据计算出光斑的绝对位置，接收到发射端的通信指令后将光斑的绝对位置通过第二无线模块回传；

激光发射端接收到所述光斑绝对位置数据后，通过激光测距仪获取激光接收端和激光发射端之间的距离数据，然后通过gprs模块将所述距离数据发到云服务器，云服务器将所述距离数据保存到数据库中，并将实时数据和历史数据通过iis服务发布到web网页；

通过设备安装之后的初始位置数据和当前的绝对位置数据计算出表征边坡稳定性三维位移量，完成对边坡稳定性的监测。

激光接收端在采集到图像后，同时通过vga接口将图像数据输出，在实验室中观察图像是否与实际图像一致，达到快速调试系统的目的，检查系统是否处于正常工作状态。

根据所述图像数据计算出光斑的绝对位置时，具体步骤如下：

步骤1)对采集的靶标图像采用高斯金字塔模型获取roi区域，所述roi区域为靶标图像的光斑区域；

步骤2)在roi区域利用灰度重心法计算光斑中心；

步骤3)进行靶标摄像机标定，通过图像标定公式将光斑坐标数据转换为靶标的坐标位置。

所述步骤1)具体包括以下步骤：对靶标图像高斯模糊后再进行亚采样操作，尺寸缩小为原来的1/4，多次进行高斯金字塔算法，得到靶标图像的光斑区域。

所述步骤2)具体如下：所有激光光斑像素点的集合为q且像素点的灰度值为f(i,j)，图像经过阈值分割算法处理后，激光光斑像素点的灰度值为255，背景像素点的灰度值为0，则光斑中心坐标(x0,y0)计算公式如下式所示：

其中(i，j)为靶标图像中激光光斑像素点坐标。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明所述装置激光发射端包括激光测距仪、控制器、准直激光发射器、gprs模块以及第一无线通信模块，激光测距仪辅助实时准确测量距离，gprs模块提供远程连接，第一无线通信模块和第二无线通信模块实现激光接收端和激光发射端之间互相通信，激光接收端包括图像采集装置、处理器、存储器以及第二无线通信模块；图像采集装置连接处理器的输入端，第二无线通信模块和存储器均与处理器通过i/o接口连接能持续自动监测，实时监测产生的距离数据和图像数据传输到远程服务器中并实现存储，为边坡三维变形监测提供一套自动化装置，有助于实现边坡三维变形实时远程监测。

本发明的方法结合高精度激光基准和光电图像处理，采用金字塔模型提取靶标图像的光斑区域，采用灰度重心法计算光斑中心的位置，再通过摄像机的标定将光斑坐标数据转换为靶标的坐标位置；本发明利用透射式靶标将激光光束转换成光斑图像信息并通过cmos采集，对采集的图像于采用金字塔模型提取光斑区域，并采用灰度重心法实现对光斑图像光斑中心位置的快速检测，从而可以进行边坡三维变形监测，本发明将高精度激光基准和智能光电成像靶标相结合实现对边坡稳定性靶标平面二维形变的测量，同时用激光测距传感器完成基准点到靶标面的距离测量，从而完成边坡稳定性三维变形测量系统；利用该方法的监测系统，测量误差小于0.25mm，并且可以在web端查看实时数据，满足高精度、实时性、全天候、自动化、网联监测的要求。

附图说明

图1为边坡稳定性三维位移监测原理示意图。

图2为靶标系统平移模型图。

图3为靶标系统转动模型图。

图4为边坡稳定性三维位移监测系统框图。

图5为图像roi金字塔模型示意图。

图6为采样原理。

图7为图像尺寸转换图。

图8为单目靶标坐标系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

本发明结合高精度激光基准和光电图像处理，并通过三维倾角传感器对靶标的转动进行补偿，提出了一种高精度、实时、全天候、自动化边坡稳定性三维位移监测方法。

参考图1和图4，一种边坡稳定性三维变形辅助监测装置，包括激光发射端、激光接收端以及供电系统，供电系统为激光发射端和激光接收端供电，激光发射端包括激光测距仪、控制器、准直激光发射器、gprs模块以及第一无线通信模块，激光测距仪、gprs模块和第一无线通信模块均与控制器双向通信连接，控制器通过gprs模块连接云服务器，第一无线通信模块用于向激光接收端发送信号，准直激光发射器连接控制器的输出端，激光接收端包括图像采集装置、处理器、存储器以及第二无线通信模块；图像采集装置连接处理器的输入端，第二无线通信模块和存储器均与处理器通过i/o接口连接。

控制器采用stm32单片机控制器，处理器采用fpga；激光测距仪、gprs模块和第一无线通信模块均与控制器通过rs485通信线连接，fpga与第二无线通信模块通过rs485通信线连接；激光接收端中，处理器还连接有vga接口，所述vga接口连接显示单元，存储器采用sdram。

供电系统包括光伏组件和蓄电池，光伏组件的电能输出端连接有变压器，变压器的输出端连接蓄电池、激光发射端以及激光接收端的电能输入端，蓄电池的电能输出端激光发射端以及激光接收端的电能输入端。

激光接收端设置有一个透射式靶标和一个反射式靶标，透射式靶标用于接收激光位移测量仪的激光，沿着激光透射方向，图像采集装置设置在透射式靶标的后方，透射式靶标和反射式靶标设置在边坡顶部。

漫射滤光平面板作为透射式靶标的靶面；图像采集装置采用coms摄像头。

参见图1，边坡稳定性三维位移监测系统包括一个激光准直图像式位移测量仪和一个相位式距离传感器，

右侧为激光发射端，激光发射端发射两束激光，分别用于测量靶标面的位移和垂直靶标面的位移。左侧为激光接收端，包括一个透射式靶标和一个反射式靶标，一个透射式靶标用于接收激光基准图像式位移测量仪的激光，在激光发射端靶标后面通过视觉传感器采集图像信息，计算透射式靶标标面上的位移，以及另外一个反射式靶标用于将相位式距离传感器的激光反射回传感器，用于测量发射端和接收端之间的距离，通过将靶标面上的位移和垂直靶标面的位移结合，即可获得边坡稳定性三维位移监测系统。

参见图2，以初始状态的一个点为参考点，建立坐标系o-xyz，o为坐标原点，-x为激光方向，yz平面为靶标平面，靶标平移到o'，其中x、y、z方向的运动量分别为ξ、η。当靶标系统安装固定后，激光准直图像式位移测量仪通过测量透射式靶标光斑中心的位移量，即可得到的η，相位式激光测距仪通过测量距离大小的减小量，即可得到ξ。

在x、y、z方向的平行位移δ，记为εx、εy、εz；靶标系统从初始状态o平移到o'，平移量为(εx,εy,εz)；物体上一点p也平移到p'，位移量也为(εx,εy,εz)；

通过分析可知：p点的坐标为(x0,y0,z0)，p'点的坐标为(x1,y1,z1)，满足：

p'点的坐标减去p点的坐标，可得靶标的位移量为：

激光基准的位置固定，p点的坐标保持不变，整个靶标系统进行平移，故相对激光基准来说，p点的位移量为(-εx,-εy,-εz)，其中εx、εy是利用光电式图像式靶标测量的，εz为激光测距传感器测量的差值。

参见图3，靶标除了平移位移外，往往在位移的过程中还会伴随着转动，虽然整个靶标系统的运动规律尚不清楚，但是整个系统的运动可以分为：在x、y、z方向的平行位移δ，记为εx、εy、εz；分别绕三个坐标轴x、y、z的转动误差，记为θx、θy、θz，含有误差的运动结果可以分析为：p'绕着o'转动(θx,θy,θz)到达p”，即物体从p通过平移和转动后到达p”。p”的坐标为(x2,y2,z2)，满足：

式3代入式4，得到：

将式5展开可得：

上式可视为p点绕着坐标轴x、y、z旋转(θx,θy,θz)，再移动即可得到p”。

参见图4，系统的工作流程为：

1.激光发射端为主控端，stm32控制器使用gprs模块连接阿里云服务器，再建立连接后，定时打开准直激光发射器，使用第一无线通信模块向接收端发送通信指令。

2.激光接收端使用fpga处理器获取cmos摄像头图像，使用sdram作为缓存器，利用光斑处理方法计算出光斑的绝对位置，接收到发射端的通信指令后将光斑的绝对位置通过第二无线模块回传。

3.激光发射端接收到光斑绝对位置数据后，通过激光测距仪获取接收端和发射端之间的距离数据，然后通过gprs模块将数据打包发到服务器，服务器对数据保存到数据库中，并将实时数据和历史数据通过iis服务发布到web网页，可以使用任何客户端访问对应域名查看和下载数据。4.服务器通过设备安装之后的初始位置数据和当前的绝对位置数据即可计算出边坡稳定性三维位移量，完成对边坡稳定性的监测。

激光接收端在采集到图像后，同时通过vga将图像数据输出，在实验室中观察图像是否与实际图像一致，达到快速调试系统的目的，检查系统是否处于正常工作状态。服务器还可以通过服务上对数据进行展示和控制，实现对边坡稳定性三维位移的监测。

相位式距离传感器对激光束进行幅度调制，并测定调制光投射到边坡的靶标上再反射回来往返一次所产生的相位延迟，通过测量相位差来间接测量时间，降低了直接测量往返时间的难度，所以其精度可以很轻松的达到毫米级，甚至可以达到微米级。

激光基准图像式位移测量仪利用激光的直线传输原理，将激光束作为测量基准，利用透射式的成像靶标将边坡在靶标面上位移量转化为光斑在靶标面上的位移量，再利用成像和图像处理技术解算出光斑中心位移量即可得到边坡在把靶标面上的位移值。

参见图5，图像金字塔主要用于图像的尺寸转换，在金字塔的底部是高分辨率的图像，而在顶部是低分辨率的图像。高斯金字塔主要用来向下采样，就是对图像的尺寸进行缩小处理。假设图像金字塔的第n层表示为fn，表示尺度变化因子，则第n+1层的图像fn+1如下式所示。

fn+1＝fnφ(1)

高斯金字塔算法处理图像的过程就是将第n层图像高斯模糊后再进行亚采样操作。首先，对图像做高斯内核卷积运算，然后去除图像的偶数行与偶数列，从而获得第n+1层分辨率降低的图像，则第n+1层图像只有第n层图像的1/4，同理可知第n+2层图像只有第n层图像的1/16，计算公式如下式所示。

式中，gn+1(i,j)和gn(2i+m,2j+n)分别表示第n+1层和第n层图像，w(m,n)为高斯卷积内核。

参见图6，对高斯卷积后的图像进行亚采样，然后去除偶数行与偶数列，将图像的尺寸缩小为原来的1/4，经过多次高斯金字塔算法处理可获取更多尺寸的金字塔图像。

参见图7，原图尺寸为752×480，对原图进行两次尺存缩小效果最佳，即最顶层图像g2(i,j)的尺寸是原图g0(i,j)的1/16。

参见图8，靶标系统是单目二维测量系统，摄像机垂直安装于靶标工作平面，摄像机的位置和内外参数固定，以摄像机的光轴为中心，以从摄像机到把表面的方向为正方形建立坐标系。靶标坐标系原点ow选择为光轴中心与靶标平面的交点，zw与zc方向相同。在工作平面上，靶标坐标表示为(xw,yw,0)，可得靶面点在摄像机下的坐标为：

式中：r＝i、p＝[0,0,d]^t为摄像机的外参矩阵，d为光轴中心点oc到靶标中心点ow的距离。对于工作平面上的两点p1＝[xw1,yw1,0]和p2＝[xw2,yw2,0]，其图像坐标点分别为，[xc1,yc1,zc]、[xc2,yc2,zc]，代入式5并两式相减可得到：

通过对kxd＝kx/d，kyd＝ky/d两个参数的标定，即可完成对摄像机的标定。

本发明将高精度激光基准和智能光电成像靶标相结合实现对边坡稳定性靶标平面二维形变的测量，同时用激光测距传感器完成基准点到靶标面的距离测量，从而完成边坡稳定性三维变形测量系统；利用该方法的监测系统，测量误差小于0.25mm，并且可以在web端查看实时数据，满足了高精度、实时性、全天候、自动化、网联监测的要求。