CN104913726B - 基于led的斜坡模型面位移监测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LED的斜坡模型面位移监测系统及检测方法，监测系统包括人工降雨装置、图像采集装置、数据处理终端和多个不同亮度的LED组件，所述人工降雨装置设置于斜坡上方，所述LED组件作为特征点固定设置于斜坡面，所述图像采集装置将采集到的LED组件的图像数据发送至数据处理终端，数据处理终端处理图像数据后得到斜坡的数字化斜坡曲面；监测系统和监测方法能够针对间歇性降雨诱发斜坡模型面位移进行监测，斜坡模型面位移监测精度高、数据采集方便快速，结构简单，设备成本低，经济高效。

Description

基于LED的斜坡模型面位移监测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，具体涉及一种基于LED的斜坡模型面位移监测系统及检测方法。

背景技术

我国是滑坡灾害频发的国家，据资料统计显示，我国有新老滑坡30×10⁴处，其中具有灾害性的约1.5×10⁴处，每年损失高达100亿以上；降雨是堆积型滑坡失稳的主要诱发因素，“中国地质灾害数据库”记录了1949年至1995年期间发生在我国的滑坡灾害，其中68.5％的滑坡是由降雨引起的；《中国典型滑坡》一书中列举了90多个滑坡实例，其中有95％以上的滑坡都与降雨有着密切关系。

降雨诱发堆积型滑坡失稳破坏历来备受关注，人们也对降雨诱发堆积型滑坡失稳破坏过程进行了广泛而深入的研究，这些研究大多致力于研究单场次降雨或累计降雨量阀值与堆积型滑坡失稳破坏的关系。然而统计结果表明：滑坡的发生往往不是一次诱因，而是与之前的降雨存在密切的关系，研究间歇型降雨累积作用下堆积型滑坡的失稳破坏过程及其渐进规律，不但可以丰富和完善现有的降雨诱发滑坡理论体系，而且具有十分重要的现实意义，而间歇型降雨过程中，斜坡的面位移存在一定规律性变化；根据间歇型降雨的间隔时间和雨量大小数据预测斜坡的稳定性对保障堆积型斜坡的安全性非常重要，能更加清晰地评价长期自然条件下堆积型滑坡的稳定性变化，提高地质灾害的区域风险控制水平，为堆积型滑坡失稳防灾减灾提供科学理论依据；而现有技术中，一般采用设置斜坡模型来研究堆积型滑动失稳，变量可控，研究方便；然而，在监测斜坡面位移变化时，采用的监测装置结构复杂，数据采集装置多且数据不全面和不精确，造成研究成本较高、数据精度不高和效率低。

因此，为解决以上问题，需要一种基于LED的斜坡模型面位移监测系统及检测方法，能够针对间歇性降雨诱发斜坡模型面位移进行监测，斜坡模型面位移监测精度高、数据采集方便快速，结构简单，设备成本低，经济高效。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种基于LED的斜坡模型面位移监测系统及检测方法，能够针对间歇性降雨诱发斜坡模型面位移进行监测，斜坡模型面位移监测精度高、数据采集方便快速，结构简单，设备成本低，经济高效。

本发明的基于LED的斜坡模型面位移监测系统，包括人工降雨装置、图像采集装置、数据处理终端和多个不同亮度的LED组件，所述人工降雨装置设置于斜坡上方，所述LED组件作为特征点固定设置于斜坡面，所述图像采集装置将采集到的LED组件的图像数据发送至数据处理终端，数据处理终端处理图像数据后得到斜坡的数字化斜坡曲面。

进一步，所述图像采集装置包括垂直于斜坡面拍摄的第一摄像机、竖直向下拍摄的第二摄像机和水平向后拍摄的第三摄像机，第一摄像机、第二摄像机和第三摄像机均固定设置并将各自的采集图像数据发送至数据处理终端。

进一步，所述LED组件包括LED灯、防水固定套、调压电阻和电源，所述调压电阻和电源均密封设置于所述防水固定套内，所述防水固定套埋设于斜坡内，所述LED灯设置于斜坡表面并与调压电阻和电源串连。

进一步，还包括用于堆建斜坡的模型框架，所述模型框架的侧壁固定设置有透明板，所述第一摄像机转动设置于模型框架，所述第二摄像机和第三摄像机均固定设置模型框架。

进一步，所述第一摄像机、第二摄像机和第三摄像机的镜头前均设置有滤光片。

进一步，所述斜坡设置于一黑暗环境。

本发明一种监测斜坡模型面位移的检测方法，包括下列步骤：

a.设定一坐标系，搭建斜坡模型，在斜坡面固定设置多个不同亮度的LED作为特征点，通过图像采集装置采集图像数据，数据处理终端通过对图像数据处理得到不同特征点的实时坐标值；

依据各特征点的实时坐标值，得出斜坡面的数字化斜坡曲面。

b.对斜坡面进行间歇性降雨和/或不同雨量降雨，利用步骤a的程序按设定周期对同一坡面获取坡面结构的数字化斜坡曲面数据并储存于数据处理终端。

c.将步骤a测得的坡面结构的数字化斜坡曲面与步骤b测得的坡面结构的数字化斜坡曲面进行比较，同时，将步骤b中每次测得坡面结构的数字化斜坡曲面与前次测得坡面结构的数字化斜坡曲面进行比较，得到斜坡面不同区域的形变幅度和速度。

进一步，步骤a中关于数字化斜坡曲面的获取包括以下几个步骤：

a1：垂直于坡面方向获取第一二维图像，建立第一二维坐标系，将各特征点根据图像灰度分析、判断后标记在第一二维坐标系中；

a2：竖直向下方向获取第二二维图像，建立第二二维坐标系，将各特征点根据图像灰度分析、判断后标记在第二二维坐标系中；

a3：水平向后方向获取第三二维图像，建立第三二维坐标系，将各特征点根据图像灰度分析、判断后标记在第三二维坐标系中；

a4：根据a1和a2中得各特征点的坐标值计算各特征点沿垂直于第一二维坐标系的变化距离，获得水平的数字化空间曲面，根据斜坡倾斜角的大小，进行坐标变换，获得倾斜的数字化斜坡曲面。

进一步，在步骤a和步骤b中，在黑暗环境中获取斜坡图像数据。

本发明的有益效果是：本发明公开的基于LED的斜坡模型面位移监测系统及检测方法，监测系统采用不同亮度LED灯作为特征点并结合图像采集装置，依据实时采集的图像数据，通过分析计算能够得出真实的数字化斜坡曲面，同时，依据堆积型斜坡当受到间歇型降雨发生危及结构安全的结构性病害则必然导致斜坡面表观和斜坡面结构空间曲面发生变化这一规律，较结构复杂的传统监测系统，实现了经济、高效和准确的斜坡模型面位移监测。

本发明的设备用于检测和评价斜坡模型的面位移，采用三个摄像机从不同角度对斜坡面进行数据采集，使检测斜坡面位移的时间大大缩短，方法简单，可增加斜坡模型面位移检测的频次，实现斜坡模型的相对高频检测，以此达到精确监测的目的，提高面位移数据的全面能力，因而具有工作效率高、成本低，可实现高频大片区斜坡模型面位移的精确监测；检测数据的读取存储到后期的数据分析处理都是由设备和软件在自动化的情况下完成，不仅降低了传统检测方法要求检测人员素质比较高的缺点，还能最大化的避免人为的主观因素对斜坡模型面位移判断的影响；

本发明可检测不同坡度的斜坡模型面位移，因为检测过程不需人工观测，消除研究人员由人工观察而产生的个体观察误差，实现监测数据库管理，提高频繁监测的准确性，结构简单，设备成本低，经济高效。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为其中一个LED灯的空间位置变化示意图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，图2为其中一个LED灯的空间位置变化示意图，如图所示，本实施例中的基于LED的斜坡模型面位移监测系统及检测方法，包括人工降雨装置4、图像采集装置、数据处理终端和多个不同亮度的LED组件，所述人工降雨装置4设置于斜坡7上方，所述LED组件作为特征点固定设置于斜坡面，所述图像采集装置将采集到的LED组件的图像数据发送至数据处理终端，数据处理终端处理图像数据后得到斜坡的数字化斜坡曲面；人工降雨装置4包括喷淋装置和喷淋控制系统，所述喷淋控制系统可控制喷淋的间隙时间、喷淋时间和喷淋量等相关参数，图像采集装置为摄像机或照相机，获取由LED组件作为特征点标定的斜坡面图像，LED组件的密度大小可根据监测精度适当设置，数据处理系统根据不同亮度的LED所成像，建立数字化斜坡曲面，通过对不同时刻的数字化斜坡曲面进行检测，获得斜坡模型面位移参数。

本实施例中，所述图像采集装置包括垂直于斜坡面拍摄的第一摄像机3、竖直向下拍摄的第二摄像机5和水平向后拍摄的第三摄像机1，第一摄像机3、第二摄像机5和第三摄像机1均固定设置并将各自的采集图像发送至数据处理终端；拍摄方向表示沿镜头的光轴方向向外；水平向后拍摄表示在斜坡前朝向斜坡拍摄；通过三个摄像机的设置，可快速、准确的获得特征点沿三个方向(包括竖直方向、水平方向和垂直于斜坡面方向)二维图像，根据三张二维图像更易获得三维的数字化斜坡曲面；监测获得数字化斜坡曲面更为准确。

本实施例中，所述LED组件包括LED灯6、防水固定套、调压电阻和电源，所有LED灯选用同一颜色以便区分亮度；所述调压电阻和电源均密封设置于所述防水固定套内，所述防水固定套埋设于斜坡内，所述LED灯6设置于斜坡7表面并与调压电阻和电源串连；所述防水固定套为倒T形管状结构，倒T形结构更利于固定稳定，避免防水固定套倾斜造成LED灯6位置误差，所述LED灯6的两根引脚插入防水固定套并固定，当然外露于防水固定套外的LED灯6有防水处理，LED灯6防水处理的结构为现有技术，在此不再赘述。

本实施例中，还包括用于堆建斜坡7的模型框架2，所述模型框架2的侧壁固定设置有透明板，所述第一摄像机3转动设置于模型框架2，所述第二摄像机5和第三摄像机1均固定设置模型框架2；所述模型框架2为长方体，在长方体的四周侧壁固定设置高强度透明钢化玻璃，通过透明板的设置方便观察斜坡内部情况，而第一摄像机3转动设置于模型框架2的上横梁，方便第一摄像机3转动固定后拍摄方向与斜坡面垂直，而第二摄像机5与第三摄像机1分别固定于模型框架2的顶面和前面的中横梁，固定稳定，通过摄像机位置的固定设置，可根据数字化斜坡曲面的坐标变化计算出斜坡模型的实际面位移。

本实施例中，所述斜坡设置于一黑暗环境；可以通过将监测系统设置于一不透光的室内或通过遮光布对模型框架2进行处理，在黑暗环境下，摄像机在获取图像数据时不易受到外界光线的影响，能够有效提高图像数据的精确性。

本实施例中，所述第一摄像机3、第二摄像机5和第三摄像机1的镜头前均设置有滤光片；所述滤光片可以为宽通带滤光片，过滤杂散光，使得LED灯6在黑暗环境下整体变暗，便于提高LED灯6成像的清晰度。

本实施例中的基于LED的斜坡模型面位移检测方法，包括下列步骤：

a.设定一坐标系，搭建斜坡模型，在斜坡面固定设置多个不同亮度的LED作为特征点，通过图像采集装置采集图像数据，数据处理终端通过对图像数据处理得到不同特征点的实时坐标值；

步骤a中关于数字化斜坡曲面(即各特征点的空间坐标)的获取包括以下几个步骤：

a1：垂直于坡面方向获取第一二维图像，建立第一二维坐标系，图像数据处理前，将不同亮度的各特征点LED灯6成像后的明暗程度值储存于数据处理终端，图像数据处理时，根据图像数据中各特征点LED灯6成像后的明暗程度值进行分析、判断后标记在第一二维坐标系中；以其中一个特征点A点为例，如图所示,一次采集图像到下一次采集图像过程之间，A运动到A’，根据第一二维坐标系中A和A’的坐标关系，可知道A点投影在斜坡面(面BCDE与斜坡面平行)上的面位移为L1。

a2：竖直向下方向获取第二二维图像，建立第二二维坐标系，根据图像数据中各特征点LED灯6成像后的明暗程度值进行分析、判断后标记在第二二维坐标系中；根据第二二维坐标系中A和A’的坐标关系，可知道A’点到面ABC的距离为L3；

a3：水平向后方向获取第三二维图像，建立第三二维坐标系，根据图像数据中各特征点LED灯6成像后的明暗程度值进行分析、判断后标记在第三二维坐标系中；根据第二二维坐标系中A和A’的坐标关系，可知道A点投影在面ADE上的面位移为L2；

a4：根据a1和a2中得各特征点的坐标值计算各特征点沿垂直于第一二维坐标系的变化距离，已知L1、L2和L3，则根据勾股定理，可算出L4，进一步可算出A点在垂直于斜坡面方向的变化距离为H，则将H值代入第一二维坐标系组成空间三维坐标系；同理，求出各个特征点的坐标值，得到水平的数字化空间曲面，根据斜坡倾斜角的大小，进行坐标变换，获得倾斜的数字化斜坡曲面；第一二维图像、第二二维图像和第三二维图像为等距、等大的图像并通过图像畸变处理，以保证实验数据的精确性，根据明暗度的二维图像分析处理和图像畸变处理为现有技术，在此不再赘述。

依据各特征点的实时坐标值，得出斜坡面的数字化斜坡曲面；

b.对斜坡面进行间歇性降雨和/或不同雨量降雨，利用步骤a的程序按设定周期对同一坡面获取坡面结构的数字化斜坡曲面数据并储存于数据处理终端；

c.将步骤a测得的坡面结构的数字化斜坡曲面与步骤b测得的坡面结构的数字化斜坡曲面进行比较，同时，将步骤b中每次测得坡面结构的数字化斜坡曲面与前次测得坡面结构的数字化斜坡曲面进行比较，得到斜坡面不同区域的形变幅度和速度。

本实施例中，在步骤a和步骤b中，在黑暗环境中获取斜坡图像数据；排除其他光线的干扰，提高监测精度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于LED的斜坡模型面位移监测系统，其特征在于：包括人工降雨装置、图像采集装置、数据处理终端和多个不同亮度的LED组件，所述人工降雨装置设置于斜坡上方，所述LED组件作为特征点固定设置于斜坡面，所述图像采集装置将采集到的LED组件的图像数据发送至数据处理终端，数据处理终端处理图像数据后得到斜坡的数字化斜坡曲面；所述基于LED的斜坡模型面位移监测系统通过以下步骤工作：

(1)、图像采集装置采集固定设置于斜坡面用于作为特征点的多个不同亮度的LED的图像数据，并将该图像数据发送至数据处理终端，数据处理终端通过内设的坐标系并结合图像数据处理得到不同特征点的实时坐标值；

数据处理终端还依据各特征点的实时坐标值，得出斜坡面的数字化斜坡曲面；

(2)、所述人工降雨装置用于对斜坡面进行间歇性降雨和/或不同雨量降雨，数据处理终端利用步骤(1)的程序按设定周期对同一坡面获取坡面结构的数字化斜坡曲面数据并储存于数据处理终端；

(3)、数据处理终端用于将步骤(1)测得的坡面结构的数字化斜坡曲面与步骤(2)测得的坡面结构的数字化斜坡曲面进行比较，同时，将步骤(2)中每次测得坡面结构的数字化斜坡曲面与前次测得坡面结构的数字化斜坡曲面进行比较，得到斜坡面不同区域的形变幅度和速度。

2.根据权利要求1所述的基于LED的斜坡模型面位移监测系统，其特征在于：所述图像采集装置包括垂直于斜坡面拍摄的第一摄像机、竖直向下拍摄的第二摄像机和水平向后拍摄的第三摄像机，第一摄像机、第二摄像机和第三摄像机均固定设置并将各自的采集图像数据发送至数据处理终端。

3.根据权利要求1所述的基于LED的斜坡模型面位移监测系统，其特征在于：所述LED组件包括LED灯、防水固定套、调压电阻和电源，所述调压电阻和电源均密封设置于所述防水固定套内，所述防水固定套埋设于斜坡内，所述LED灯设置于斜坡表面并与调压电阻和电源串连。

4.根据权利要求2所述的基于LED的斜坡模型面位移监测系统，其特征在于：还包括用于堆建斜坡的模型框架，所述模型框架的侧壁固定设置有透明板，所述第一摄像机转动设置于模型框架，所述第二摄像机和第三摄像机均固定设置模型框架。

5.根据权利要求2所述的基于LED的斜坡模型面位移监测系统，其特征在于：所述第一摄像机、第二摄像机和第三摄像机的镜头前均设置有滤光片。

6.根据权利要求1所述的基于LED的斜坡模型面位移监测系统，其特征在于：所述斜坡设置于一黑暗环境。

7.一种利用权利要求1所述的基于LED的斜坡模型面位移监测系统检测斜坡模型面位移的检测方法，其特征在于：包括下列步骤：

a.设定一坐标系，搭建斜坡模型，在斜坡面固定设置多个不同亮度的LED作为特征点，通过图像采集装置采集图像数据，数据处理终端通过对图像数据处理得到不同特征点的实时坐标值；依据各特征点的实时坐标值，得出斜坡面的数字化斜坡曲面；

b.对斜坡面进行间歇性降雨和/或不同雨量降雨，利用步骤a的程序按设定周期对同一坡面获取坡面结构的数字化斜坡曲面数据并储存于数据处理终端；

c.将步骤a测得的坡面结构的数字化斜坡曲面与步骤b测得的坡面结构的数字化斜坡曲面进行比较，同时，将步骤b中每次测得坡面结构的数字化斜坡曲面与前次测得坡面结构的数字化斜坡曲面进行比较，得到斜坡面不同区域的形变幅度和速度。

8.根据权利要求7所述的基于LED的斜坡模型面位移监测系统检测斜坡模型面位移的检测方法，其特征在于：步骤a中关于数字化斜坡曲面的获取包括以下几个步骤：

a1：垂直于坡面方向获取第一二维图像，建立第一二维坐标系，将各特征点根据图像灰度分析、判断后标记在第一二维坐标系中；

a2：竖直向下方向获取第二二维图像，建立第二二维坐标系，将各特征点根据图像灰度分析、判断后标记在第二二维坐标系中；

a3：水平向后方向获取第三二维图像，建立第三二维坐标系，将各特征点根据图像灰度分析、判断后标记在第三二维坐标系中；

a4：根据a1和a2中得各特征点的坐标值计算各特征点沿垂直于第一二维坐标系的变化距离，获得水平的数字化空间曲面，根据斜坡倾斜角的大小，进行坐标变换，获得斜坡的数字化斜坡曲面。

9.根据权利要求7所述的基于LED的斜坡模型面位移监测系统检测斜坡模型面位移的检测方法，其特征在于：在步骤a和步骤b中，在黑暗环境中获取斜坡图像数据。