CN105387811A - 一种光电式滑坡体动态在线监测一体机及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电式滑坡体动态在线监测一体机，包括两套监测系统，两套监测系统之间呈90度交叉设置，分别监测滑坡体滑动位移变化情况，每套监测系统均包括有激光发射器，与激光发射器处于同一水平位置处依次设置有激光靶标和CCD摄像头，激光靶标底部还依次设置有Y方向移动机构和X方向移动机构，Y方向移动机构和X方向移动机构设置移动方向夹角呈90度，CCD摄像头与数据处理单元、无线发射模块和天线依次连接，数据处理单元包括与CCD摄像头连接的CPU处理器，本发明还公开了一种光电式滑坡体动态在线监测一体机的监测方法，本发明解决了现有技术中存在的滑坡体绝对位移监测中测量精度较低，测量周期长，设备较为昂贵的问题。

Description

一种光电式滑坡体动态在线监测一体机及监测方法

技术领域

本发明属于地质灾害滑坡位移在线监测技术领域，具体涉及一种光电式滑坡体动态在线监测一体机，本发明还涉及一种光电式滑坡体动态在线监测一体机的监测方法。

背景技术

大坝、桥梁等需要实时采集沉降、位移数据，以便监测其健康状态，目前国内检测地面沉降的方法为利用双金属管标仪、光电式水管沉降仪、静力水准仪进行监测、激光准直系统、垂线坐标仪、引张线仪等。其主要是监测造价高，安装需要有基岩标；量程为50mm，精度0.1mm。同时在对于位移、沉降速度快，位移、沉降深度大的地方，上述三种设备就存在了量程不足，精度过剩的情况，只能在比较小的范围内开展工作，无法有效的满足监测要求。并且以上设备的安装需要钻孔，对测量对象有严格的条件限制，均不适应在地质灾害滑坡体监测上的位移监测应用。发明一种大量程光电式滑坡体动态在线监测一体机，结构简单，量程大，有助于简单解决滑坡绝对位移监测的难题。本方法是通过在测点发射激光，在固定点测量激光光斑位置改变的数据，从而计算出被测点相对于固定点位置的变化情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种光电式滑坡体动态在线监测一体机，解决了现有技术中存在的滑坡体监测中测量精度较低，测量周期长，安装维护复杂、环境性适应差、设备较为昂贵的问题。

本发明的另一目的是提供一种光电式滑坡体动态在线监测一体机的监测方法。

本发明所采用的第一技术方案是，一种光电式滑坡体动态在线监测一体机，包括两套监测系统，两套监测系统之间呈90度交叉设置，分别监测东南西北4个方位的位移情况，每套监测系统均包括有激光发射器，与激光发射器处于同一水平位置处依次设置有激光靶标和CCD摄像头，激光靶标底部还依次设置有Y方向移动机构和X方向移动机构，CCD摄像头与数据处理单元、无线发射模块和天线依次连接。

本发明第一技术方案的特点还在于，

Y方向移动机构和X方向移动机构设置移动方向夹角呈90度。

数据处理单元包括与CCD摄像头连接的CPU处理器，CPU处理器又分别连接有X方向驱动模块、Y方向驱动模块，X方向驱动模块与X方向步进电机连接，Y方向驱动模块与Y方向步进电机连接，X方向步进电机和Y方向步进电机均连接至CCD摄像头。

本发明所采用的第二技术方案是，一种光电式滑坡体动态在线监测一体机的监测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、当CCD摄像头5接收到光斑信号，CPU处理器将图像首先进行中值滤波；

步骤2、将经过步骤1中值滤波后的信号进行二值化处理，实现将彩色图片处理为黑白二值数据；

步骤3、计算光斑中心位置；

步骤4、根据所述步骤3得到的光斑中心位置，X方向驱动模块、Y方向驱动模块发生位移；

步骤5、当所述步骤4X方向驱动模块、Y方向驱动模块发生位移后，CCD摄像头5位置改变，使光斑再次聚焦中心位置，同时计算得到滑坡位移。

本发明第二技术方案的特点还在于，

步骤1中中值滤波具体按照以下步骤实施：

步骤(1.1)、选取图像中5*5的区域，将25个像素点应用起泡法排序；

步骤(1.2)、将所述步骤(1.1)得到的中间值作为图像区域中心点的值。

步骤2中二值化处理具体为：

选取二值化阈值为128，当像素点灰度大于等于128时，其值定为0，当像素点灰度小于128时，其值定为255，从而将整个图像变为黑白色。

步骤3采用重心法计算光斑中心位置，具体为：

步骤(3.1)、首先将每个像素点的灰度值乘以该像素点的横坐标值，得到计算结果A(a1，a2，a3，…，aN)，其中N表示像素点的个数；

步骤(3.2)、将步骤(3.1)得到的A(a1，a2，a3，…，aN)求和，得到计算结果B；

步骤(3.3)、将步骤(3.1)得到的结果B除以N个像素点的灰度值之和，得到光斑中心位置的横坐标x；

步骤(3.4)、依据步骤(3.1)～(3.4)同理得到光斑中心位置的纵坐标y，至此得到光斑的中心位置坐标(x，y)。

步骤4具体为：

步骤(4.1)、当山体发生滑坡时，由于激光发射器1位置不变，则激光发射位置不变，靶标随山体移动，从而导致光斑在靶标位置相应移动，当光斑移动超出设定的阈值时，根据步骤3计算得到的光斑中心位置坐标(x，y)，根据以下公式计算光斑移动位置：

$x0=\frac{\mathrm{\Σ}I(x,y)*x}{\mathrm{\Σ}I(x,y)},y0=\frac{\mathrm{\Σ}I\left(x,y\right)*y}{\mathrm{\Σ}I\left(x,y\right)},$

其中，x₀是横向移动数据，y₀是纵向移动数据，I(x，y)为每个坐标点的灰度值；

步骤(4.2)、当步骤(4.1)计算出光斑中心位置的偏移距离后，数据处理单元把数据x₀通过串口发送给X方向驱动模块，同时将数据y₀通过串口发送给Y方向驱动模块；

步骤(4.3)、X方向驱动模块将数据x₀取反口，驱动步进电机走x0距离；Y方向驱动模块将数据y₀取反后，驱动步进电机走y₀距离，使得光斑处于靶标中心位置；

步骤(4.4)、由于相邻两个像素中心间距为0.1mm，所以得到x方向滑坡距离为0.1*x₀mm，y方向滑坡距离为0.1*y₀mm。

本发明的有益效果是，一种光电式滑坡体动态在线监测一体机，滑坡位移监测一体机是通过在被测点通过激光发射器发射激光，然后通过CCD摄像头采集固定点激光靶标上的激光光斑位置进而测量激光位置改变的数据，然后通过数据处理单元计算出被测点相当于固定点位置变化情况。

附图说明

图1是本发明一种光电式滑坡体动态在线监测一体机其中一套监测系统的结构示意图。

图中，1.激光发射器，2.X方向移动机构，3.Y方向移动机构，4.激光靶标，5.CCD摄像头，6.数据处理单元，7.无线发射模块，8.天线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种光电式滑坡体动态在线监测一体机，结构图如图1所示，包括两套监测系统，两套监测系统之间呈90度交叉设置，分别监测滑坡体测点三个方位的位移情况，每套监测系统均包括有激光发射器1，与激光发射器1处于同一水平位置处依次设置有激光靶标4和CCD摄像头5，激光靶标4底部还依次设置有Y方向移动机构3和X方向移动机构2，Y方向移动机构3和X方向移动机构2设置移动方向夹角呈90度，CCD摄像头5与数据处理单元6、无线发射模块7和天线8依次连接，数据处理单元6包括与CCD摄像头5连接的CPU处理器，CPU处理器又分别连接有X方向驱动模块、Y方向驱动模块，X方向驱动模块与X方向步进电机连接，Y方向驱动模块与Y方向步进电机连接，所述X方向步进电机和Y方向步进电机均连接至CCD摄像头5。

本发明一种光电式滑坡体动态在线监测一体机，工作原理如下：

每套监测系统分为两部分：分别为x方向和y方向，x方向和y方向的监测角度相差90度，由Y方向移动机构3和X方向移动机构2实现，每部分包括发射、接收两部分功能，激光发射端——激光发射器1固定在位置被测点——动点(滑坡点)，激光接收端——激光靶标4位于固定点，又称为基准点。

初始时，激光发射器1射出的激光光斑位于CCD摄像头中心位置，如当被测点下降时，相应的激光发射器1的位置也随之下降，光斑在CCD摄像头上的位置上升，此时，CCD摄像头5上激光斑位置改变的信息会传递给数据处理单元6的CPU处理器，CPU处理器根据接收到的激光斑位置改变数据，即可计算出被测点下降的距离，同理可测出上升距离，通过两套系统布置也可测出水平二维位移距离，同时利用两套系统解算处理后可得自校准误差提高测量精度。

当被测点发生移动，光斑偏移过大时，有可能超出监测范围，此时需要将CCD摄像头5相应移动，而移动的动力则依靠Y方向移动机构3和X方向移动机构2，以此使激光发射器1发射出的激光光斑恢复在CCD摄像头5中心位置，同时将初始值重新设置。

本发明一种光电式滑坡体动态在线监测一体机，具体工作过程如下：

整个系统滑坡位移采集处理的流程为：上电后系统先初始化，即设定通信速率，时钟频率等参数，接下来进行系统自检，即首先让激光发射器1发出激光，激光打在激光靶标4上，此时CCD摄像头5接收到激光束，说明系统发射接收部分均无故障，在此不进行机械系统的自检。系统自检完成，重新打开激光发射器1，CCD摄像头5检测激光靶标4上的光斑位置，如果光斑位置在CCD摄像头5上中心位置处偏离过大，则需要重新调整CCD摄像头5，并将调整数据经数据处理单元6上传，如果位置偏差不大，则直接通过数据处理单元6上传光斑准确位置，到此，一个方向数据采集结束，另外一个方向采集过程同样顺序完成就可以。其中监测光斑位置是最重要的一个环节，CCD摄像头5采集图像，CPU处理器将图像先进行中值滤波，消除外界的光干扰，接下来进行二值化处理，彩色图片处理成黑白二值数据，计算出光斑中心位置。因为被测目标变化速度相对较慢，所以对系统实时性要求不是非常高，CCD摄像头5位置调整时，当沉降幅度过大，光斑超出CCD摄像头5中心过大时，就要进行位置调整，以免光斑超出CCD摄像头5。

本发明一种光电式滑坡体动态在线监测一体机的监测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、当CCD摄像头5接收到光斑信号，CPU处理器将图像首先进行中值滤波；

步骤2、将经过步骤1中值滤波后的信号进行二值化处理，实现将彩色图片处理为黑白二值数据；

步骤3、计算光斑中心位置；

步骤4、根据所述步骤3得到的光斑中心位置，X方向驱动模块、Y方向驱动模块发生位移；

步骤5、当所述步骤4X方向驱动模块、Y方向驱动模块发生位移后，CCD摄像头5位置改变，使光斑再次聚焦中心位置，同时计算得到滑坡位移。

其中，步骤1中中值滤波具体按照以下步骤实施：

步骤(1.1)、选取图像中5*5的区域，将25个像素点应用起泡法排序；

步骤(1.2)、将所述步骤(1.1)得到的中间值作为图像区域中心点的值。

步骤2中二值化处理具体为：

选取二值化阈值为128，当像素点灰度大于等于128时，其值定为0，当像素点灰度小于128时，其值定为255，从而将整个图像变为黑白色。

步骤3采用重心法计算光斑中心位置，具体为：

步骤(3.1)、首先将每个像素点的灰度值乘以该像素点的横坐标值，得到计算结果A(a1，a2，a3，…，aN)，其中N表示像素点的个数；

步骤(3.2)、将步骤(3.1)得到的A(a1，a2，a3，…，aN)求和，得到计算结果B；

步骤(3.3)、将步骤(3.1)得到的结果B除以N个像素点的灰度值之和，得到光斑中心位置的横坐标x；

步骤(3.4)、依据步骤(3.1)～(3.4)同理得到光斑中心位置的纵坐标y，至此得到光斑的中心位置坐标(x，y)。

步骤4具体为：

步骤(4.1)、当山体发生滑坡时，由于激光发射器1位置不变，则激光发射位置不变，靶标随山体移动，从而导致光斑在靶标位置相应移动，当光斑移动超出设定的阈值时，根据步骤3计算得到的光斑中心位置坐标(x，y)，根据以下公式计算光斑移动位置：

$x0=\frac{\mathrm{\Σ}I(x,y)*x}{\mathrm{\Σ}I(x,y)},y0=\frac{\mathrm{\Σ}I\left(x,y\right)*y}{\mathrm{\Σ}I\left(x,y\right)},$

其中，x₀是横向移动数据，y₀是纵向移动数据，I(x，y)为每个坐标点的灰度值；

步骤(4.2)、当步骤(4.1)计算出光斑中心位置的偏移距离后，数据处理单元把数据x₀通过串口发送给X方向驱动模块，同时将数据y₀通过串口发送给Y方向驱动模块；

步骤(4.3)、X方向驱动模块将数据x₀取反口，驱动步进电机走x0距离；Y方向驱动模块将数据y₀取反后，驱动步进电机走y₀距离，使得光斑处于靶标中心位置；

步骤(4.4)、由于相邻两个像素中心间距为0.1mm，所以得到x方向滑坡距离为0.1*x₀mm，y方向滑坡距离为0.1*y₀mm。

Claims (8)

1.一种光电式滑坡体动态在线监测一体机，其特征在于，包括两套监测系统，两套监测系统之间呈90度交叉设置，分别监测滑坡体测点的三维位移变化情况，每套监测系统均包括有激光发射器(1)，与激光发射器(1)处于同一水平位置处依次设置有激光靶标(4)和CCD摄像头(5)，所述激光靶标(4)底部还依次设置有Y方向移动机构(3)和X方向移动机构(2)，所述CCD摄像头(5)与数据处理单元(6)、无线发射模块(7)和天线(8)依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种光电式滑坡体动态在线监测一体机，其特征在于，所述Y方向移动机构(3)和X方向移动机构(2)设置移动方向夹角呈90度。

3.根据权利要求1所述的一种光电式滑坡体动态在线监测一体机，其特征在于，所述数据处理单元(6)包括与CCD摄像头(5)连接的CPU处理器，所述CPU处理器又分别连接有X方向驱动模块、Y方向驱动模块，所述X方向驱动模块与X方向步进电机连接，所述Y方向驱动模块与Y方向步进电机连接，所述X方向步进电机和Y方向步进电机均连接至CCD摄像头(5)。

4.一种光电式滑坡体动态在线监测一体机的监测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、当CCD摄像头5接收到光斑信号，CPU处理器将图像首先进行中值滤波；

步骤2、将经过步骤1中值滤波后的信号进行二值化处理，实现将彩色图片处理为黑白二值数据；

步骤3、计算光斑中心位置；

步骤4、根据所述步骤3得到的光斑中心位置，X方向驱动模块、Y方向驱动模块发生位移；

步骤5、当所述步骤4X方向驱动模块、Y方向驱动模块发生位移后，CCD摄像头5位置改变，使光斑再次聚焦中心位置，同时计算得到滑坡位移。

5.根据权利要求4所述的一种光电式滑坡体动态在线监测一体机的监测方法，其特征在于，所述步骤1中中值滤波具体按照以下步骤实施：

步骤(1.1)、选取图像中5*5的区域，将25个像素点应用起泡法排序；

步骤(1.2)、将所述步骤(1.1)得到的中间值作为图像区域中心点的值。

6.根据权利要求4所述的一种光电式滑坡体动态在线监测一体机的监测方法，其特征在于，所述步骤2中二值化处理具体为：

选取二值化阈值为128，当像素点灰度大于等于128时，其值定为0，当像素点灰度小于128时，其值定为255，从而将整个图像变为黑白色。

7.根据权利要求4所述的一种光电式滑坡体动态在线监测一体机的监测方法，其特征在于，所述步骤3采用重心法计算光斑中心位置，具体为：

步骤(3.1)、首先将每个像素点的灰度值乘以该像素点的横坐标值，得到计算结果A(a1，a2，a3，…，aN)，其中N表示像素点的个数；

步骤(3.2)、将所述步骤(3.1)得到的A(a1，a2，a3，…，aN)求和，得到计算结果B；

步骤(3.3)、将所述步骤(3.1)得到的结果B除以N个像素点的灰度值之和，得到光斑中心位置的横坐标x；

步骤(3.4)、依据步骤(3.1)～(3.4)同理得到光斑中心位置的纵坐标y，至此得到光斑的中心位置坐标(x，y)。

8.根据权利要求4所述的一种光电式滑坡体动态在线监测一体机的监测方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

步骤(4.1)、当山体发生滑坡时，由于激光发射器1位置不变，则激光发射位置不变，靶标随山体移动，从而导致光斑在靶标位置相应移动，当光斑移动超出设定的阈值时，根据步骤3计算得到的光斑中心位置坐标(x，y)，根据以下公式计算光斑移动位置：

$x0=\frac{\mathrm{\Σ}I(x,y)*x}{\mathrm{\Σ}I(x,y)},y0=\frac{\mathrm{\Σ}I(x,y)*y}{\mathrm{\Σ}I(x,y)},$

其中，x₀是横向移动数据，y₀是纵向移动数据，I(x，y)为每个坐标点的灰度值；

步骤(4.2)、当所述步骤(4.1)计算出光斑中心位置的偏移距离后，数据处理单元把数据x₀通过串口发送给X方向驱动模块，同时将数据y₀通过串口发送给Y方向驱动模块；

步骤(4.3)、X方向驱动模块将数据x₀取反口，驱动步进电机走x0距离；Y方向驱动模块将数据y₀取反后，驱动步进电机走y₀距离，使得光斑处于靶标中心位置；

步骤(4.4)、由于相邻两个像素中心间距为0.1mm，所以得到x方向滑坡距离为0.1*x₀mm，y方向滑坡距离为0.1*y₀mm。