CN102840837A - 自动实时监测建筑物、地貌变形的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动实时监测建筑物、地貌变形的方法及装置，通过对监测区域的初始化扫描建立三维坐标系，启动监测扫描后对监测区域进行自动连续的扫描监测。当监测到发生位移时，监测装置自动发出报警信号，实现对远距离位移自动实时监测的目的，大大提高了发现问题的及时性，节约了人力、物力和财力。

Description

自动实时监测建筑物、地貌变形的方法及装置

技术领域

本发明涉及视频监控领域，尤其是一种自动实时监测建筑物、地貌变形的方法及装置。

背景技术

随着经济和技术的不断发展，现有建筑物越来越高大，形态越来越复杂，伴随而来的是建筑物荷载加大，荷载不均匀等诸多问题。再加上工程地质复杂，外界环境变化等因素的影响，往往造成建筑物发生沉降、位移、倾斜或裂缝等变形的问题。同时，地表面高低起伏状态的地形地貌，按其自然形态可分为高原、山地、丘陵、平原、盆地等，地貌的变形，一般包括山体滑坡、地面沉降等。对于地貌的变形，以及古建筑、水坝、高层居民楼、隧道等重要建筑物发生以上问题且不能及时发现，有可能会造成重大的人员和财产损失。

现有的测量建筑物、地貌变形的方法多为非接触的光测方法，其中最常见的测量装置是全站仪。全站仪能同时读出目标的方位和距离，因而能得到待测目标的三维位移量。但是要达到远距离测量的高精度，需要使用激光全站仪等高档设备，不仅价格高昂，而且需要进口。更重要的是全站仪为高精密的光电设备，使用受天气因素影响较大，而且必须人为现场操作，无法实现对建筑物的自动实时监测。所以目前建筑行业多在施工前勘测以及施工后验收两个阶段使用该类设备，缺乏建筑过程中与交付使用后的实时监测，致使发现问题不及时，造成巨大的损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以实时对建筑物或地貌进行监测，避免建筑物、地貌因变形而导致危险的自动实时监测建筑物、地貌变形的方法及装置。

为解决上述问题，本发明的一种自动实时监测建筑物、地貌变形的方法，包括以下步骤：

1）设定监测区域并设定监测区域各顶点为监测点，存储各监测点的原始位置信息；

2）在监测区域内设定若干监测点，存储各监测点的原始位置信息，并根据步骤1）和步骤2）中设定的各监测点的原始位置信息建立三维坐标系；

3）对该监测区域进行监测扫描，对比监测扫描获得的各监测点的即时位置信息与三维坐标系中该监测点的原始位置信息，当偏移量在预设的安全范围之内时，重复步骤3）；当偏移量超出预设的安全范围时，进入步骤4）；

4）监测装置发送位移报警信号。

所述位置信息包括通过监测装置获得的水平角度坐标数据X、垂直角度坐标数据Y以及测距数据Z。

所述监测区域为矩形区域。

所述步骤2）中设定若干监测点包括以下步骤：

2.1）设定监测装置的水平监测分度和垂直监测分度；

2.2）通过监测装置对监测区域进行初始化扫描，每扫描过一个水平监测分度或垂直监测分度，将该当前扫描位置设定为一个监测点。

所述步骤2.2）中进行初始化扫描的路径为蛇形路径，具体操作包括以下步骤：

2.2.1）监测装置从监测区域左边界与下边界的交点开始扫描；

2.2.2）水平方向向右匀速扫描，直至监测装置水平方向扫描至监测区域右边界；

2.2.3）当监测装置水平方向扫描至监测区域右边界时，转向垂直向上匀速扫描一个垂直监测分度；

2.2.4）水平方向向左匀速扫描，直到监测装置水平方向扫描至监测区域左边界；

2.2.5）转向垂直向上匀速扫描一个垂直监测分度；

2.2.6）重复上述2.2.2）至2.2.5）过程，直至垂直方向扫描至监测区域上边界处。

所述步骤3）中重复步骤2）中的路径对监测区域进行监测扫描，对比在与三维坐标系中各监测点的水平角度坐标数据X、垂直角度坐标数据Y相同时通过测距模块获得的即时测距数据Z’，与三维坐标系中该监测点原始测距数据Z，计算偏移量ΔZ=|Z–Z’|。

一种自动实时监测建筑物、地貌变形的装置，其特征在于，包括：

水平角度定位模块，与主控芯片相连，用于获得监测区域内各监测点的水平角度坐标数据；

垂直角度定位模块，与主控芯片相连，用于获得监测区域内各监测点的垂直角度坐标数据；

测距模块，与主控芯片相连，用于测量该装置到监测区域内各监测点的距离；

存储模块，与主控芯片相连，用于存储监测区域内各监测点的位置信息；

主控芯片，用于接收水平角度定位模块、垂直角度定位模块、测距模块传递的信息，计算偏移量ΔZ，以及向与该监测装置相连的报警装置发送位移报警信号。

采用本发明的自动实时监测建筑物、地貌变形的方法及装置，通过对监测区域的初始化扫描建立三维坐标系，启动监测扫描后对监测区域进行自动连续的扫描监测。当监测到发生位移时，监测装置自动发出报警信号，实现对远距离位移自动实时监测的目的，大大提高了发现问题的及时性，节约了人力、物力和财力。

附图说明

图1为本发明自动实时监测建筑物、地貌变形的装置的结构框图；

图2为本发明自动实时监测建筑物、地貌变形的方法的蛇形扫描过程的示意图；

图3为本发明自动实时监测建筑物、地貌变形的方法的流程图；

图4为计算监测装置在监测区域扫描的水平距离和垂直距离的示意图；

图5为本发明自动实时监测建筑物、地貌变形的方法中的三维坐标系的示意图；

图6为本发明自动实时监测建筑物、地貌变形的方法的初始化扫描过程的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的一种自动实时监测建筑物、地貌变形的装置，包括：主控芯片（STM32F103VCT6）以及分别与主控芯片通过通讯接口相连的水平光栅编码器（ZKD-52-H20-900BM）、垂直光栅编码器（ZKT-58D-H35-900BM）、激光测距仪（INSIGHT-200）以及EEPROM存储芯片（24LC512）；

其中，主控芯片用于接收水平光栅编码器、垂直光栅编码器和激光测距仪传递的位置信息，并计算偏移量，以及发送位移报警信号；水平光栅编码器用于获得监测区域内各监测点的水平角度坐标数据X；垂直光栅编码器用于获得监测区域内各监测点的垂直角度坐标数据Y；激光测距仪用于测量该装置到监测区域内各监测点的距离Z；EEPROM存储芯片用于存储监测区域内各监测点的位置信息。

如图3所示，本发明还包括使用上述监测装置自动实时监测建筑物、地貌变形的方法，包括以下步骤：

1）在距建筑物或地貌适当的距离处稳定、牢固安装监测装置，上述距离不得大于所述监测装置中激光测距仪的有效测量距离。

设定以上边界CD、下边界AB、左边界AD和右边界BC所围成的矩形监测区域，设定上述矩形监测区域的四个顶点A、B、C、D为监测点，并存储上述各监测点的三维坐标数据，三维坐标数据包括监测点对应的水平角度坐标数据、垂直角度坐标数据和测距数据，A点为（X_a，Y_a，Z_a）、B点为（X_b，Y_b，Z_b）、C点为（X_c，Y_c，Z_c）、D点为（X_d，Y_d，Z_d）。

2）设定监测装置水平监测分度和垂直监测分度。所述监测分度为预先设定的一定距离，监测装置在监测区域内每扫描过该距离后，将该当前扫描位置设定为一个监测点。

监测装置对监测区域进行初始化扫描。如图6所示，首先，监测装置从监测区域左边界AD与下边界AB的交点A开始仅水平方向向右匀速扫描。当监测装置水平方向扫描至监测区域右边界BC时，转向垂直向上匀速扫描一个垂直监测分度，随后水平方向向左匀速扫描，直到监测装置水平方向扫描至监测区域左边界AD时，转向垂直向上匀速扫描一个垂直监测分度。重复以上过程，直至垂直方向扫描至监测区域上边界CD处，即对所设定的矩形监测区域进行扫描的路径为蛇形。

如图2所示，图中箭头线即为对监测区域进行扫描的扫描路径。在扫描过程中，监测装置主控芯片时刻获取当前的水平角度坐标数据、垂直角度坐标数据和测距数据。

如图4所示，每获得一个监测点的位置信息后，假定该点为M点，其位置信息为（X_m，Y_m，Z_m），监测装置继续向前扫描，假设扫描至当前位置为O点，该O点位置信息为（X_o，Y_o，Z_o），则M、O两点之间的水平距离L_x以及垂直距离L_y能够通过余弦定理计算。具体计算公式如下：

$L_x=\sqrt{{Z_m}^2+{Z_o}^2-2Z_m\×Z_o\×\cos |X_m-X_o|}$

$L_y=\sqrt{{Z_m}^2+{Z_o}^2-2Z_m\×Z_o\×\cos |Y_m-Y_o|}$

当计算的水平距离L_x等于设定的水平监测分度或计算的垂直距离L_y等于垂直监测分度时，则将当前位置设定为一个监测点，并将该监测点所对应的水平角度坐标数据、垂直角度坐标数据和测距数据作为一组初始三维坐标数据，存储在存储芯片中。

当完成整个初始化扫描过程后，如图5所示，监控装置主控芯片将上述初始化扫描过程中存储的所有组初始三维坐标数据按照扫描顺序和空间分布建立三维坐标系。

3）监测装置按照初始化扫描时所设定的蛇形路径对监测区域进行监测扫描。监测装置的主控芯片时刻获取扫描路径中各点的水平角度坐标数据、垂直角度坐标数据和测距数据，并将上述数据与所述三维坐标系中各监测点的初始三维坐标数据进行比较，如果当前扫描位置点的水平角度坐标数据、垂直角度坐标数据与三维坐标系中某个监测点的水平角度坐标数据、垂直角度坐标数据相同时，则计算当前测距数据与三维坐标系中该监测点初始测距数据的偏移量。

以三维坐标系中的N点为例，监测装置初始化扫描过程中，N点的原始位置信息，即初始三维坐标数据为（X_n，Y_n，Z_n）。启动监测扫描后，当水平角度坐标数据为X_n，垂直角度坐标数据为Y_n时，通过激光测距仪获得的即时测距数据Z_n’，将Z_n与Z_n’进行对比，则得出偏移量ΔZ_n=|Z_n–Z_n’|。

4）当偏移量ΔZ_n在预设的安全范围之内时，则对监测区域继续进行扫描；当偏移量ΔZ_n超出预设的安全范围时，则监测装置向与该监测装置相连的报警装置发送位移报警信号。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种自动实时监测建筑物、地貌变形的方法，包括以下步骤：

1）设定监测区域并设定监测区域各顶点为监测点，存储各监测点的原始位置信息；

2）在监测区域内设定若干监测点，存储各监测点的原始位置信息，并根据步骤1）和步骤2）中设定的各监测点的原始位置信息建立三维坐标系；

3）对该监测区域进行监测扫描，对比监测扫描获得的各监测点的即时位置信息与三维坐标系中该监测点的原始位置信息，当偏移量在预设的安全范围之内时，重复步骤3）；当偏移量超出预设的安全范围时，进入步骤4）；

4）监测装置发送位移报警信号。

2.如权利要求1所述自动实时监测建筑物、地貌变形的方法，其特征在于：所述位置信息包括通过监测装置获得的水平角度坐标数据X、垂直角度坐标数据Y以及测距数据Z。

3.如权利要求2所述自动实时监测建筑物、地貌变形的方法，其特征在于：所述监测区域为矩形区域。

4.如权利要求3所述自动实时监测建筑物、地貌变形的方法，其特征在于：所述步骤2）中设定若干监测点包括以下步骤：

2.1）设定监测装置的水平监测分度和垂直监测分度；

2.2）通过监测装置对监测区域进行初始化扫描，每扫描过一个水平监测分度或垂直监测分度，将该当前扫描位置设定为一个监测点。

5.如权利要求4所述自动实时监测建筑物、地貌变形的方法，其特征在于：所述步骤2.2）中进行初始化扫描的路径为蛇形路径，初始化扫描包括以下步骤：

2.2.1）监测装置从监测区域左边界与下边界的交点开始扫描；

2.2.2）水平方向向右匀速扫描，直至监测装置水平方向扫描至监测区域右边界；

2.2.3）当监测装置水平方向扫描至监测区域右边界时，转向垂直向上匀速扫描一个垂直监测分度；

2.2.4）水平方向向左匀速扫描，直到监测装置水平方向扫描至监测区域左边界；

2.2.5）转向垂直向上匀速扫描一个垂直监测分度；

2.2.6）重复上述2.2.2）至2.2.5）过程，直至垂直方向扫描至监测区域上边界处。

6.如权利要求5所述自动实时监测建筑物、地貌变形的方法，其特征在于：所述步骤3）中重复步骤2）中的路径对监测区域进行监测扫描，对比在与三维坐标系中各监测点的水平角度坐标数据X、垂直角度坐标数据Y相同时通过测距模块获得的即时测距数据Z’，与三维坐标系中该监测点原始测距数据Z，计算偏移量ΔZ=|Z–Z’|。

7.一种自动实时监测建筑物、地貌变形的装置，其特征在于，包括：

水平角度定位模块，与主控芯片相连，用于获得监测区域内各监测点的水平角度坐标数据；

垂直角度定位模块，与主控芯片相连，用于获得监测区域内各监测点的垂直角度坐标数据；

测距模块，与主控芯片相连，用于测量该装置到监测区域内各监测点的距离；

存储模块，与主控芯片相连，用于存储监测区域内各监测点的位置信息；

主控芯片，用于接收水平角度定位模块、垂直角度定位模块、测距模块传递的信息，计算偏移量ΔZ，以及向与该监测装置相连的报警装置发送位移报警信号。

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