一种激光测沉降装置、系统及测沉降方法与流程

1.本发明涉及沉降监测技术领域，尤其涉及一种激光测沉降装置、系统及测沉降方法。


背景技术：

2.地铁、隧道、高架桥等大型建筑物的发展建设过程中，以及建设完成后都需要对其沉降状态进行实时监测。对建筑物沉降造成影响的包括多种因素。比如地面沉降，随着时间的累积，地面的水平度必然会因为沉降发生变化，因此工程建设修筑的地基需要测量其水平准直度，竣工的建筑物沉降监测的观测点也需长期的实时监测。再比如地形，尤其西部地区山体较多，地形复杂，政府大力建设路桥的工程中，也需要对地形进行勘探，对建设的路桥进行安全性检验，竣工的路桥工程尤其需要实时监控沉降，一来保证安全，二来实时监测路桥状况及时修复从长远看也是节约投资成本。
3.若不能实时监测大型建筑物、山体等的沉降，则有可能造成大型事故，譬如：因山体沉降造成的滑坡、泥石流；因建筑物沉降引起的倾斜、倒塌；尤其现今在大力发展建设的地铁、隧道、高架桥等，这些大型建筑物的沉降是特别需要实时监控的。
4.为了实现对大型建筑的沉降状态进行实时监测，现有技术通过昂贵照相机直接定点定位拍摄分析，相机多次拍摄的次数有限，且相机拍摄视角的范围也有限(可拍靶点有限)，造价高、实际应用范围限制较多，若应用在对大型山体的沉降监测上会直接抬高成本。
5.因此，亟需提出一种新的技术方案来解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种激光测沉降装置、系统及测沉降方法，采用的技术方案具体如下：
7.一方面，本发明提供一种激光测沉降装置，其包括设置在目标被测物的被测点处的激光光源、设置在所述激光光源的出射场处的准直镜、设置在所述准直镜的光出射场处的成像板、设置在所述成像板背离所述准直镜一侧的照相机，以及与所述照相机数据交互的图像处理器；
8.所述激光光源发出的光束入射至所述准直镜，所述准直镜被配置的实现对入射光束的准直，经所述准直镜准直的光束自所述准直镜出射并于所述成像板上形成光斑，所述照相机在预定时间间隔下对所述成像板上的光斑连续拍照，获得表征所述被测点处的实时位置的图像信息；
9.所述图像处理器接收所述图像信息，且通过对同一个被测点的图像信息的实时比对确定所述被测点的沉降状态。
10.上述技术方案中进一步的，该激光测沉降装置还包括信息显示器，所述信息显示器与所述图像处理器相连，所述信息显示器被配置的与所述图像处理器形成信息交互，所述图像处理器处理得到的沉降数据通过所述信息显示器显示。
11.进一步的，所述信息显示器内存储有沉降数据范围，当显示的沉降数据超出所述沉降数据范围后，所述信息显示器发出警报信息。
12.进一步的，所述激光光源、准直镜和成像板的中心位于同一条直线上。
13.进一步的，所述成像板为半透明成像板，所述成像板包括毛玻璃。
14.进一步的，所述目标被测物包括若干个被测点，每个所述被测点处设置有一个激光光源，若干个所述激光光源的光束落入所述准直镜的光入射场中，若干个所述激光光源的光束被所述准直镜准直后于所述成像板上形成若干个独立的光斑，一个光束对应一个所述光斑。
15.进一步的，所述照相机被配置的对所述光斑进行拍照记录，所述图像处理器通过照片图像信息获取每个光斑的位置信息及光斑强度信息。
16.进一步的，所述图像处理器包括图像采集模块和图像处理模块，所述图像采集模块被配置的实现对所述照相机拍到的照片上的图像信息进行识别和采集。
17.进一步的，所述图像处理模块包括存储单元、图像比较单元、图像筛选单元、图像分析单元、输出单元，以及误差处理单元。
18.进一步的，所述存储单元被配置的储存有初始图像信息，所述初始图像信息包括每个光斑在初始状态下的位置信息和强度信息。
19.进一步的，所述图像比较单元被配置的自所述图像采集模块获取图像信息，且将所述图像信息与所述存储单元内的初始图像信息进行比较。
20.进一步的，所述误差处理单元被配置的对自所述图像采集模块获取的图像信息进行误差分析，剔除误差图像信息。
21.进一步的，所述图像筛选单元被配置的接收所述误差处理单元完成误差处理后的图像信息，获得筛选后的目标图像信息。
22.进一步的，所述图像分析单元被配置的根据所述图像筛选单元中的目标图像信息与所述初始图像信息对所述图像信息中的光斑的位移量进行处理分析，得到与所述图像信息中的光斑对应的被测点的沉降位移量。
23.进一步的，所述输出单元被配置的将自所述图像分析单元输出的沉降位移量输出至信息显示器。
24.进一步的，所述图像采集模块对照片上的每个光斑的位置信息和强度信息进行识别、采集，所述图像比较单元将所述图像采集模块采集到的每个光斑的信息与初始图像信息进行比较，得到与每个光斑对应的被测点的位移量，所述误差处理单元根据自所述图像比较单元获得的若干个位移量对所述图像采集模块获取的图像信息进行误差分析，剔除与极值位移量对应的图像信息，所述图像筛选单元接收所述误差处理单元完成误差处理后的图像信息，获得筛选后的目标图像信息，所述图像分析单元对目标图像信息中的每个光斑的位移量进行处理分析，得到与每个光斑对应的被测点的沉降位移量，再根据每个被测点的沉降位移量确定被测物整体的沉降状态。
25.进一步的，设置在目标被测物的一个被测点处的激光光源至少包括两个，两个所述激光光源相对设置，两个所述激光光源的出射光路方向不同。
26.进一步的，两个所述激光光源的出射光路的方向平行或不平行；两个所述激光光源的出射光路的方向相反或不相反。
27.进一步的，两个所述激光光源安装在同一个激光安装架上，两个所述激光光源的出射光路关于所述激光安装架的中心轴线对称且向外发散。
28.进一步的，设置在一个被测点处的两个激光光源的出射光路方向不同，两个所述激光光源的出射光束分别入射至不同的准直镜内，再通过两个不同的成像板成像，再经由两个照相机拍照显示，所述图像处理器被配置的对两个所述照相机拍到的图像信息进行处理对比，实现对同一个被测点的沉降状态的对比校验。
29.另一方面，基于上述提供的激光测沉降装置，本发明还提供一种激光测沉降系统，该系统不仅包括若干个激光测沉降装置，还包括中央处理器，每个所述激光测沉降装置的图像处理器与所述中央处理器相连，每个所述图像处理器处理得到的关于被测点的沉降状态的信息被所述中央处理器接收，所述中央处理器根据自每个所述图像处理器获取的关于被测点的沉降状态的信息处理得到被测物整体的沉降状态。
30.进一步的，被测物整体的沉降状态包括整体沉降位移量、整体倾斜方向，以及倾斜度。
31.进一步的，若干个所述激光测沉降装置上的激光光源安装在被测物的外表面上。
32.再一方面，基于上述提供的激光测沉降装置，本发明还提供一种激光测沉降方法，其包括：
33.于目标被测物的被测点处设置激光光源；
34.于所述激光光源的出射场处设置准直镜；
35.于所述准直镜的光出射场处设置成像板；
36.于所述成像板背离所述准直镜的一侧设置照相机；
37.将所述照相机与图像处理器数据相连；
38.所述激光光源发出的光束入射至所述准直镜后被所述准直镜准直，准直后的光束自所述准直镜出射并于所述成像板上形成光斑，所述照相机在预定时间间隔下对所述成像板上的光斑连续拍照，获得表征所述被测点处的实时位置的图像信息；
39.所述图像处理器接收所述图像信息，且通过对同一个被测点的图像信息的实时比对确定所述被测点的沉降状态，获得所述被测点的沉降位移量。
40.现有技术对山体进行沉降监测时使用的昂贵照相机多是放置在野外定点定时拍摄，拍摄过程中相机直接拍摄分析，虽然该相机的拍摄处理集成度和完成度都较高，但是野外环境对相机的损耗也较高，且相机多次拍摄的次数有限，拍摄次数用完后需人工干预更换较为麻烦，除此之外相机的拍摄视角的范围也有限，可拍靶点有限，因此，现有监测中使用的照相机造价高，实际应用范围限制也较多。与现有技术相比，本发明提供的激光测沉降装置代替了现有沉降监测中使用的高级照相机减少了使用成本，该激光测沉降装置通过激光光源、准直镜和成像板实现了对监测靶点的采点监测，通过准直镜准直光线后成像在成像板上，之后仅需普通的照相机或者电子摄像装置对成像板上的光斑图像进行拍摄即可，整体造价低廉，且各个光斑的位移量通过图像处理器进行对比分析处理，实现了科学监测。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
42.图1是现有技术中利用高级摄像机对山体靶点进行拍摄的原理示意图；
43.图2是本发明所述激光测沉降装置关于采点成像部分的原理示意图；
44.图3a和图3b分别是本发明所述激光测沉降装置在实施例2中于一个激光安装架上装设两个激光光源的示意图；
45.图3c和图3d分别是于一个激光安装架上装设多个激光光源时的俯视示意图；
46.图4是本发明所述激光测沉降装置的功能原理流程图；
47.图5是本发明所述激光测沉降系统的原理框架示意图。
48.其中：01-高级照相机；02-山体；03-靶点；
49.1-激光光源；2-准直镜；3-成像板；4-照相机；5-图像处理器；51-图像采集模块；52-图像处理模块；521-图像比较单元；522-误差处理单元；523-图像筛选单元；524-图像分析单元；525-输出单元；526-存储单元；6-信息显示器；61-显示屏；62-警报器；7-中央处理器。
具体实施方式
50.下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清查、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
52.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
53.下面结合附图与实施例进一步说明本发明要旨。
54.请参见图1，图1是现有技术中利用高级摄像机对山体靶点进行拍摄的原理示意图，如图所示，高级照相机01对山体02上的靶点03进行拍摄，高级照相机01的最大拍摄角度限制了其能拍到的靶点03的个数以及范围，对山体02进行拍摄时，需要根据山体体积、高级照相机的拍摄范围、高级照相机的最远拍摄距离来综合考虑实现对山体的全面监测所需的高级照相机的个数。因此，对于大型建筑物来说，现有技术通过高级照相机拍摄监测的手段造价太高，实用性不高。
55.实施例1
56.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种激光测沉降装置，该装置可以监测
多点之间的相对位移，从而进行准直校验，以此来确定被测物是否发生了沉降。该激光测沉降装置运用了光学器件对靶点出射的光束进行准直，再将准直后的光束用成像板显影，于成像板上形成与靶点对应的光斑，再通过普通的电子摄像装置对成像板上的光斑进行拍照。通过该装置的使用即可以实现对范围内的靶点进行实时监测，监测过程中每个靶点对应一个成像板上的光斑，在不断拍照的过程中，每个靶点对应的光斑都被照相机捕捉，且通过图像处理器将照片上的每个光斑与初始状态下的光斑位置进行对比，对比过程中即可分析出被测物的潜在沉降风险，以及沉降趋势。本发明提供的激光测沉降装置通过光学器件、成像板以及普通照相机替代了高级照相机，降低了成本，可大范围应用。
57.下面详细说明本发明所述激光测沉降装置的具体结构。
58.本发明提供的激光测沉降装置包括激光光源1、光学元件、成像板3、照相机4和图像处理器5，可参见图2，激光光源1安装在目标被测物的被测点处，该光学元件可以是准直镜2，该准直镜2安装在激光光源1的出射场处，保证激光光源1发出的光束可以被准直镜2接收，该成像板3安装在所述准直镜2的光出射场处，保证准直镜2出射的光束可以成像在成像板3上，在成像板3背离所述准直镜2一侧安装有照相机4，该照相机4距离成像板3的距离由照相机4的拍摄距离及成像板3上的光斑范围来确定，以保证成像板3上的光斑可以被照相机4清楚拍摄，拍摄得到的照片可以作为图像信息被图像处理器5接收后进行信息对比分析，得到被测物的沉降状态。
59.在一种实施例中，继续参见图2，于目标被测物的被测点处安装一个激光光源1，所述激光光源1发出的光束入射至所述准直镜2，所述准直镜2被配置的实现对入射光束的准直，经所述准直镜2准直的光束自所述准直镜2出射并于所述成像板3上形成光斑，所述照相机4在预定时间间隔下对所述成像板3上的光斑连续拍照，获得表征所述被测点处的实时位置的图像信息；所述图像处理器5接收所述图像信息，且通过对同一个被测点的图像信息的实时比对确定所述被测点的沉降状态。
60.在一种实施例中，该激光测沉降装置还可以设置一个信息显示器6(可以理解为是激光测沉降装置的显示界面)，该信息显示器6与图像处理器5相连，所述信息显示器6被配置的与所述图像处理器5形成信息交互，所述图像处理器5处理得到的沉降数据通过所述信息显示器6的显示屏61显示；所述信息显示器6内存储有沉降数据范围，当显示的沉降数据超出所述沉降数据范围后，所述信息显示器6的警报器62发出警报信息。现有技术中的高级照相机并不具备预警提示的功能。因此，本实施例提供的激光测沉降装置通过信息显示器实现了对沉降信息的监控警报，减轻了监控负担。
61.在一种优选的实施例中，为了使得本发明提供的激光测沉降装置实现精确检测，应保证激光光源1、准直镜2和成像板3的中心位于同一条直线上，如图2，且在后续的拍照过程中激光光源1、准直镜2和成像板3的位置保持不变，减小误差，提升监测精确程度。
62.当然，激光光源1、准直镜2和成像板3的中心也不一定必须位于同一条直线上，只要激光光源1发出的光束能够被准直镜2接收，而自准直镜2出射的光束也能够被成像板3接收即可，但是为了利用最小尺寸的准直镜2和成像板3完成对大范围激光光源1的接收，则最好是保持激光光源1、准直镜2和成像板3的中心位于同一条直线上，尤其是有多个激光光源1时，可以将多个激光光源1组成的点阵的中心与准直镜2和成像板3的中心对齐。
63.在一种优选的实施例中，成像板3是为了显影，将靶点处的激光光束成像在成像板
3上形成光斑，而照相机4则需要对该光斑进行拍照，那么成像板3最好是半透明的，可以是毛玻璃。
64.在一种优选的实施例中，为了实现对整个目标被测物的监测，可以在所述目标被测物上设置若干个被测点，每个所述被测点处设置有一个激光光源1，若干个所述激光光源1的光束落入准直镜2的光入射场中，若干个所述激光光源1的光束被所述准直镜2准直后于所述成像板3上形成若干个独立的光斑，一个光束对应一个光斑，所述照相机4被配置的对所述光斑进行拍照记录，所述图像处理器5通过照片图像信息获取每个光斑的位置信息及光斑强度信息。
65.在一种优选的实施例中，为了进一步说明图像处理器5的监测功能，结合图4对该图像处理器5进行说明：该图像处理器5可以包括图像采集模块51和图像处理模块52，所述图像采集模块51被配置的实现对所述照相机4拍到的照片上的图像信息进行识别和采集。所述图像处理模块52包括存储单元526、图像比较单元521、图像筛选单元523、图像分析单元524、输出单元525，以及误差处理单元522；所述存储单元526被配置的储存有初始图像信息，所述初始图像信息包括每个光斑在初始状态下的位置信息和强度信息；所述图像比较单元521被配置的自所述图像采集模块51获取图像信息，且将所述图像信息与所述存储单元526内的初始图像信息进行比较；所述误差处理单元522被配置的对自所述图像采集模块51获取的图像信息进行误差分析，剔除误差图像信息；所述图像筛选单元523被配置的接收所述误差处理单元522完成误差处理后的图像信息，获得筛选后的目标图像信息；所述图像分析单元524被配置的根据所述图像筛选单元523中的目标图像信息与所述初始图像信息对所述图像信息中的光斑的位移量进行处理分析，得到与所述图像信息中的光斑对应的被测点的沉降位移量；所述输出单元525被配置的将自所述图像分析单元524输出的沉降位移量输出至信息显示器6。
66.由于该激光测沉降装置的应用环境是在室外，比如山野林间，因此难免会有蚊虫雨水等污染激光光束或准直镜2或成像板3，因此不可避免会使得照片中的信息存在一些误差。因此，本发明所述的图像处理器5可以在处理过程中通过比较分析减小误差，对图片信息进行筛选补偿，实现智能监测。
67.本发明提供的激光测沉降装置可以对拍摄的照片上的图像信息进行提取分析，通过对比同一靶点的光斑与初始状态下该靶点的光斑的位置关系，即可获得该靶点处的沉降状态。而对目标被测物整体进行沉降状态监测时，一般会设置若干个被测点，若干个被测点的光斑被图像处理器5处理后得到目标被测物整体的沉降状态。
68.在一种实施例中，所述图像采集模块51对照片上的每个光斑的位置信息和强度信息进行识别、采集，所述图像比较单元521将所述图像采集模块51采集到的每个光斑的信息与初始图像信息进行比较，得到与每个光斑对应的被测点的位移量，所述误差处理单元522根据自所述图像比较单元521获得的若干个位移量对所述图像采集模块51获取的图像信息进行误差分析，剔除与极值位移量对应的图像信息，所述图像筛选单元523接收所述误差处理单元522完成误差处理后的图像信息，获得筛选后的目标图像信息，所述图像分析单元524对目标图像信息中的每个光斑的位移量进行处理分析，得到与每个光斑对应的被测点的沉降位移量，再根据每个被测点的沉降位移量确定被测物整体的沉降状态。
69.实施例2
70.本发明实施例提供一种激光测沉降装置，该激光测沉降装置包括设置在目标被测物的被测点处的激光光源1、设置在所述激光光源1的出射场处的准直镜2、设置在所述准直镜2的光出射场处的成像板3、设置在所述成像板3背离所述准直镜2一侧的照相机4，以及与所述照相机4数据交互的图像处理器5，其中，设置在目标被测物的一个被测点处的激光光源1至少包括两个，两个所述激光光源1相对设置，两个所述激光光源1的出射光路方向不同。对同一点进行多个监测可以有效减小监测偏差，具有相互校验的作用，明显提高监测精度。
71.在一种实施例中，两个所述激光光源1的出射光路的方向平行，当然也可以不平行；进一步的两个所述激光光源1的出射光路的方向相反，当然也可以不相反，但两个所述激光光源1的出射光路的方向不会重合。参见图3a和图3b，图3a所述的两个激光光源1的出射光路的方向平行且方向相反，图3b所述的两个激光光源1的出射光路的方向不平行，两个出射方向也不相反，继续参见图3c和图3d，图3c和图3d所述的多个激光光源1的出射光路的方向可以不平行。
72.在一种实施例中，可以将两个所述激光光源1安装在同一个激光安装架上，两个所述激光光源1的出射光路关于所述激光安装架的中心轴线对称且向外发散，如图3b所示。当然两个所述激光光源1的出射光路也可以关于所述激光安装架的中心轴线不对称。
73.在一种实施例中，设置在一个被测点处的两个激光光源1的出射光路方向不同，两个所述激光光源1的出射光束分别入射至不同的准直镜2内，再通过两个不同的成像板3成像，再经由两个照相机4拍照显示，所述图像处理器5被配置的对两个所述照相机4拍到的图像信息进行处理对比，实现对同一个被测点的沉降状态的对比校验。
74.实施例3
75.本发明实施例提供一种激光测沉降系统，该激光测沉降系统包括若干个上述实施例提供的激光测沉降装置，该系统还包括中央处理器7，如图5所示。每个所述激光测沉降装置的图像处理器5与所述中央处理器7相连，每个所述图像处理器5处理得到的关于被测点的沉降状态的信息被所述中央处理器接收，所述中央处理器根据自每个所述图像处理器5获取的关于被测点的沉降状态的信息处理得到被测物整体的沉降状态；被测物整体的沉降状态包括整体沉降位移量、整体倾斜方向，以及倾斜度；若干个所述激光测沉降装置上的激光光源1安装在被测物的外表面上。
76.若利用本实施例提供的监测系统对一个建筑物整体进行监测，即可分析出该被监测建筑主体整体的沉降情况，可用作安全性评估。
77.当利用上述激光测沉降装置进行多点监测时，在大于等于3个点的情况下即可分析出该被测3点中具体是那个点产生的相对位移，精确性高，因此，当将多个该激光测沉降装置组成一个系统时，该系统的监测精度也是较为精确的。
78.在激光测沉降装置或激光测沉降系统中设定偏移量范围，若检测到的相对位移量大于等于该设定的偏移量范围，系统即可发出示警。
79.实施例4
80.本发明实施例提供一种激光测沉降方法，其包括：
81.于目标被测物的被测点处设置激光光源1；
82.于所述激光光源1的出射场处设置准直镜2；
83.于所述准直镜2的光出射场处设置成像板3；
84.于所述成像板3背离所述准直镜2的一侧设置照相机4；
85.将所述照相机4与图像处理器5数据相连；
86.所述激光光源1发出的光束入射至所述准直镜2后被所述准直镜2准直，准直后的光束自所述准直镜2出射并于所述成像板3上形成光斑，所述照相机4在预定时间间隔下对所述成像板3上的光斑连续拍照，获得表征所述被测点处的实时位置的图像信息；
87.所述图像处理器5接收所述图像信息，且通过对同一个被测点的图像信息的实时比对确定所述被测点的沉降状态，获得所述被测点的沉降位移量。
88.本发明实施例提供的激光测沉降方法使用激光光源1发出激光光束，该激光光束经光学元件(准直镜2)折射汇聚形成汇聚光束，该汇聚光束经半透明的成像板3接收，于成像板3上形成光斑，照相机4将该光斑拍照成像。设定照相机4的拍照时间间隔，一段时间内，照相机4拍出多张照片，照相机4与图像处理器5信号连接，图像处理器5接收照相机4拍出的照片，并对接收到的照片进行分析计算(图像处理器5中包含多种算法，比如偏移算法、筛选算法和补偿算法)，得到该段时间内被测量的两点之间的相对位移量。
89.综上所述，本发明提供的激光测沉降装置代替了现有沉降监测中使用的高级照相机减少了使用成本，该激光测沉降装置通过激光光源、准直镜和成像板实现了对监测靶点的采点监测，通过准直镜准直光线后成像在成像板上，之后仅需普通的照相机或者电子摄像装置对成像板上的光斑图像进行拍摄即可，整体造价低廉，且各个光斑的位移量通过图像处理器进行对比分析处理，实现了科学监测。
90.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
91.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改和变型。