CN105783752A - 一种高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法，首先在闸门待测处设置摄影三坐标测量系统；获取闸门待测处的闸门监测图像；其次通过三角测量原理计算闸门监测图像特征标志点的位置坐标；然后计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差和变形位移量；最后判断变形位移量是否超过规定要求。本发明采用三维摄影测量系统来检测水电站闸门变形状况，避免了水工金属结构闸门原型观测的变形测量受现场条件的限制和测量精度的制约，三维摄影测量系统是基于三维可视成像技术来检测水电站闸门变形检测；该方法适用于水电站泄洪洞弧形工作闸门变形测量，具有使用操作简单、数据采集便捷、测量成果显示直观等优点。

Description

一种高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法及系统

技术领域

本发明涉及水电站监测领域，尤其涉及一种高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法，该方法是通过三维可视成像系统来检测水电站闸门变形。

背景技术

水电站中设置有泄洪建筑物场，但是由于泄洪建筑物场地狭窄，水头高、泄洪落差大，泄洪流量大，且调度运行复杂多样，电站泄水建筑物由坝身多个开敞式泄洪表孔、多个泄洪中孔、多个放空底孔、左岸多条泄洪洞、坝后水垫塘及二道坝等部分共同组成联合泄洪消能系统；因此，高速水力学、高水头大流量泄洪消能、泄洪雾化、泄洪闸门振动及应力变化等问题是小湾水电站安全运行的关键技术问题之一。

发明内容

(一)要解决的技术问题是提供一种金属结构闸门原型观测的变形测量，解决了传统测量中受现场条件的限制和测量精度的制约现场测量很困难的现象发生。

本发明的目的之一是提出一种高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法；本发明的目的之二是提出一种高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法系统。

(二)技术方案

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的一种高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法，包括以下步骤：

S1：在闸门待测处设置摄影三坐标测量系统；

S2：通过摄影三坐标测量系统获取闸门待测处的闸门监测图像；

S3：通过三角测量原理计算闸门监测图像特征标志点的位置坐标；

S4：计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差；

S5：计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量。

S6：判断变形位移量是否大于预设阈值，如果是，则发出预警信号；如果否，则返回步骤S2重复循环监测。

进一步，所述步骤S1中闸门待测处设置摄影三坐标测量系统，通过预先对弧形闸门进行有限元CFD应力分析结合相关标准和工程实践经验，找出结构的危险断面及危险位置作为待测处；在待测处设置目标测点、驱动及定向测点和编码标志点。

进一步，所述步骤S2中通过摄影三坐标测量系统获取闸门待测处的闸门监测图像，通过单台三维可视成像相机从多个位置拍摄同一工件的定位工棒、目标测点、驱动及定向测点和编码标志点，以获取在不同视角下不同工况下闸门的监测的图像。

进一步，所述步骤S3中通过三角测量原理计算闸门监测图像特征标志点的位置坐标，确定定位工棒坐标系，并通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差来获取被测点的三维坐标。

进一步，所述步骤S4中计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差，是通过以下步骤来获取的：将定位工棒坐标系作为辅助控制坐标系，定位工棒上的标志点作为辅助控制点，列出共线方程，从而解算出图像片在定位工棒坐标系中的特征标志点对应的坐标位置(X_s，Y_s，Z_s，φ，ω，κ)；定位工棒上三个标志点共可列出共线方程：

上式中：

i＝1，2，3；

S表示测量坐标系原点；

φ表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

ω表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

κ表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

X′_i、Y′_i、Z′_i(i＝1，2，3)表示图像片中测点在定位工棒坐标系中的坐标值；

X_S为图像片的外方位元素的平移量的x轴元素；

Y_S为图像片的外方位元素的平移量的y轴元素；

Z_S为图像片的外方位元素的平移量的z轴元素；

ai，bi，ci，(i＝1，2，3)是方向余弦，即两坐标轴间夹角的余弦值；

x₀为图像片的内方位预先标定元素；

z₀为图像片的内方位预先标定元素；

f为图像片的内方位预先标定元素；

根据控制点坐标和内方位元素值为已知的情况，将公式(1)中的误差方程转化为以下形式：

V＝CΔ+L(2)

其中：

V＝[v_xiv_zi]^T(3)

Δ＝[ΔX_SΔY_SΔZ_SΔφΔωΔκ]^T(5)

L＝[x⁰ _i-x_iz⁰ _i-z_i]^T(6)

其中，x⁰ _i，z⁰ _i是x_i，z_i的近似值；

x_i表示图像片的原始观测值；

z_i表示图像片的原始观测值；

x⁰ _i表示是x_i的近似值，取值与像片摄影比例尺相关；

z⁰ _i表示是x_i的近似值，取值与像片摄影比例尺相关；

ΔX_S表示为图像片的外方位元素的平移量的x轴元素的改正数；

ΔY_S表示为图像片的外方位元素的平移量的y轴元素的改正数；

ΔZ_S表示为图像片的外方位元素的平移量的z轴元素的改正数；

表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度的改正数；

Δω表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中Y′轴旋转角度的改正数；

Δκ表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中Z′轴旋转角度的改正数。

进一步，所述步骤S5计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量，是通过以下步骤来获取的：

确定定位工棒坐标(Xs，Ys，Zs，φ，ω，κ)；

确定定位工棒坐标系与测量坐标系的关系；

其中，定位工棒测头点P在定位工棒坐标系中的坐标为(X′，Y′，Z′)，设其在测量坐标系中的坐标为(X，Y，Z)，则有：

根据定位工棒坐标系与测量坐标系的关系解算得到待测点坐标。

进一步，判断变形位移量是否大于预设阈值，如果是，则发出预警信号；如果否，则返回步骤S2重复循环监测；所述阈值是通过对各个监测的目标测点变形位移量设置。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的高坝大库水电站泄洪闸门动态监测系统，包括三维可视成像相机、处理器、一套基准尺、一根定位工棒和一组回光标志；

所述三维可视成像相机设置于闸门待测处，并设置摄影三坐标测量系统；通过摄影三坐标测量系统获取闸门待测处的闸门监测图像；

所述三维可视成像相机将采集到的闸门监测图像输入到处理器中；

所述处理器包括标志点的位置坐标计算模块、位置偏差计算模块和变形位移量计算模块；

所述一套基准尺是用于将尺度信息给予摄影测量系统；

所述一根定位工棒是用于建立摄影测量系统辅助坐标系；

所述一组回光标志是用于粘贴在被测物体表面上，在三维可视成像相机的照射下反射出亮度较白色漫射标志高出数百倍亮度的一种人工标志；

所述标志点的位置坐标计算模块，用于通过三角测量原理计算闸门监测图像特征标志点的位置坐标；

所述位置偏差计算模块，用于计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差；

所述变形位移量计算模块，用于计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量。

进一步，所述位置偏差计算模块是通过以下步骤来计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差；

将定位工棒坐标系作为辅助控制坐标系，定位工棒上的标志点作为辅助控制点，列出共线方程，从而解算出图像片在定位工棒坐标系中的特征标志点对应的坐标位置(X_s，Y_s，Z_s，φ，ω，κ)；定位工棒上三个标志点共可列出共线方程：

上式中：

i＝1，2，3；

S表示测量坐标系原点；

φ表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

ω表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

κ表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

X′_i、Y′_i、Z′_i(i＝1，2，3)表示图像片中测点在定位工棒坐标系中的坐标值；

X_S为图像片的外方位元素的平移量的x轴元素；

Y_S为图像片的外方位元素的平移量的y轴元素；

Z_S为图像片的外方位元素的平移量的z轴元素；

ai，bi，ci，(i＝1，2，3)是方向余弦，即两坐标轴间夹角的余弦值；

x₀为图像片的内方位预先标定元素；

z₀为图像片的内方位预先标定元素；

f为图像片的内方位预先标定元素；

根据控制点坐标和内方位元素值为已知的情况，将公式(1)中的误差方程转化为以下形式：

V＝CΔ+L(2)

其中：

V＝[v_xiv_zi]^T(3)

Δ＝[ΔX_SΔY_SΔZ_SΔφΔωΔκ]^T(5)

L＝[x⁰ _i-x_iz⁰ _i-z_i]^T(6)

其中，x⁰ _i，z⁰ _i是x_i，z_i的近似值；

x_i表示图像片的原始观测值；

z_i表示图像片的原始观测值；

x⁰ _i表示是x_i的近似值，取值与像片摄影比例尺相关；

z⁰ _i表示是x_i的近似值，取值与像片摄影比例尺相关；

ΔX_S表示为图像片的外方位元素的平移量的x轴元素的改正数；

ΔY_S表示为图像片的外方位元素的平移量的y轴元素的改正数；

ΔZ_S表示为图像片的外方位元素的平移量的z轴元素的改正数；

表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度的改正数；

Δω表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中Y′轴旋转角度的改正数；

Δκ表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中Z′轴旋转角度的改正数。

进一步，所述变形位移量计算模块是通过以下步骤来计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量：

确定定位工棒坐标(Xs，Ys，Zs，φ，ω，κ)；

确定定位工棒坐标系与测量坐标系的关系；

其中，定位工棒测头点P在定位工棒坐标系中的坐标为(X′，Y′，Z′)，设其在测量坐标系中的坐标为(X，Y，Z)，则有：

根据定位工棒坐标系与测量坐标系的关系解算得到待测点坐标。

(三)有益效果

与现有技术和产品相比，本发明有如下优点：

本发明采用三维摄影测量系统来检测水电站闸门变形状况，避免了水工金属结构闸门原型观测的变形测量受现场条件的限制和测量精度的制约，且传统测量方法例如钢卷尺、经纬仪、全站仪不易操作和定位。三维摄影测量系统是基于三维可视成像技术来检测水电站闸门变形检测；该方法适用于水电站泄洪洞弧形工作闸门变形测量，具有使用操作简单、数据采集便捷、测量成果显示直观等优点。

附图说明

图1是本发明提供的基于三维可视成像的水电站闸门变形检测方法流程图。

图2是本发明提供的泄洪洞弧形工作闸门面板、主横梁及纵梁变形测量测点布置图。

图3是本发明提供的泄洪洞弧形工作闸门上、下支臂变形测量测点布置图。

图4是本发明提供的测量坐标系。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的一种高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法，包括以下步骤：

S1：在闸门待测处设置摄影三坐标测量系统；

S2：通过摄影三坐标测量系统获取闸门待测处的闸门监测图像；

S3：通过三角测量原理计算闸门监测图像特征标志点的位置坐标；

S4：计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差；

S5：计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量。

S6：判断变形位移量是否大于预设阈值，如果是，则发出预警信号；如果否，则返回步骤S2重复循环监测。

所述步骤S1中闸门待测处设置摄影三坐标测量系统，通过预先对弧形闸门进行有限元CFD应力分析结合相关标准和工程实践经验，找出结构的危险断面及危险位置作为待测处；在待测处设置目标测点、驱动及定向测点和编码标志点。

所述步骤S2中通过摄影三坐标测量系统获取闸门待测处的闸门监测图像，通过单台三维可视成像相机从多个位置拍摄同一工件的定位工棒、目标测点、驱动及定向测点和编码标志点，以获取在不同视角下不同工况下闸门的监测的图像。

所述步骤S3中通过三角测量原理计算闸门监测图像特征标志点的位置坐标，确定定位工棒坐标系，并通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差来获取被测点的三维坐标。

所述步骤S4中计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差，是通过以下步骤来获取的：将定位工棒坐标系作为辅助控制坐标系，定位工棒上的标志点作为辅助控制点，列出共线方程，从而解算出图像片在定位工棒坐标系中的特征标志点对应的坐标位置(X_s，Y_s，Z_s，φ，ω，κ)；定位工棒上三个标志点共可列出共线方程：

上式中：

i＝1，2，3；

S表示测量坐标系原点；

φ表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

ω表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

κ表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

X′_i、Y′_i、Z′_i(i＝1，2，3)表示图像片中测点在定位工棒坐标系中的坐标值；

X_S为图像片的外方位元素的平移量的x轴元素；

Y_S为图像片的外方位元素的平移量的y轴元素；

Z_S为图像片的外方位元素的平移量的z轴元素；

ai，bi，ci，(i＝1，2，3)是方向余弦，即两坐标轴间夹角的余弦值；

x₀为图像片的内方位预先标定元素；

z₀为图像片的内方位预先标定元素；

f为图像片的内方位预先标定元素；

根据控制点坐标和内方位元素值为已知的情况，将公式(1)中的误差方程转化为以下形式：

V＝CΔ+L(2)

其中：

V＝[v_xiv_zi]^T(3)

Δ＝[ΔX_SΔY_SΔZ_SΔφΔωΔκ]^T(5)

L＝[x⁰ _i-x_iz⁰ _i-z_i]^T(6)

其中，x⁰ _i，z⁰ _i是x_i，z_i的近似值；

x_i表示图像片的原始观测值；

z_i表示图像片的原始观测值；

x⁰ _i表示是x_i的近似值，取值与像片摄影比例尺相关；

z⁰ _i表示是x_i的近似值，取值与像片摄影比例尺相关；

ΔX_S表示为图像片的外方位元素的平移量的x轴元素的改正数；

ΔY_S表示为图像片的外方位元素的平移量的y轴元素的改正数；

ΔZ_S表示为图像片的外方位元素的平移量的z轴元素的改正数；

表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度的改正数；

Δω表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中Y′轴旋转角度的改正数；

Δκ表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中Z′轴旋转角度的改正数。

所述步骤S5计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量，是通过以下步骤来获取的：

确定定位工棒坐标(Xs，Ys，Zs，φ，ω，κ)；

确定定位工棒坐标系与测量坐标系的关系；

其中，定位工棒测头点P在定位工棒坐标系中的坐标为(X′，Y′，Z′)，设其在测量坐标系中的坐标为(X，Y，Z)，则有：

根据定位工棒坐标系与测量坐标系的关系解算得到待测点坐标。

判断变形位移量是否大于预设阈值，如果是，则发出预警信号；如果否，则返回步骤S2重复循环监测；所述阈值是通过对各个监测的目标测点变形位移量设置。

本实施例提供的一种高坝大库水电站泄洪闸门动态监测系统，包括三维可视成像相机、处理器、一套基准尺、一根定位工棒和一组回光标志；

所述三维可视成像相机设置于闸门待测处，并设置摄影三坐标测量系统；通过摄影三坐标测量系统获取闸门待测处的闸门监测图像；

所述三维可视成像相机将采集到的闸门监测图像输入到处理器中；

所述处理器包括标志点的位置坐标计算模块、位置偏差计算模块和变形位移量计算模块；

所述一套基准尺是用于将尺度信息给予摄影测量系统；

所述一根定位工棒是用于建立摄影测量系统辅助坐标系；

所述一组回光标志是用于粘贴在被测物体表面上，在三维可视成像相机的照射下反射出亮度较白色漫射标志高出数百倍亮度的一种人工标志；

所述标志点的位置坐标计算模块，用于通过三角测量原理计算闸门监测图像特征标志点的位置坐标；

所述位置偏差计算模块，用于计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差；

所述变形位移量计算模块，用于计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量。

所述位置偏差计算模块是通过以下步骤来计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差；

将定位工棒坐标系作为辅助控制坐标系，定位工棒上的标志点作为辅助控制点，列出共线方程，从而解算出图像片在定位工棒坐标系中的特征标志点对应的坐标位置(X_s，Y_s，Z_s，φ，ω，κ)；定位工棒上三个标志点共可列出共线方程：

上式中：

i＝1，2，3；

S表示测量坐标系原点；

φ表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

ω表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

κ表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

X′_i、Y′_i、Z′_i(i＝1，2，3)表示图像片中测点在定位工棒坐标系中的坐标值；

X_S为图像片的外方位元素的平移量的x轴元素；

Y_S为图像片的外方位元素的平移量的y轴元素；

Z_S为图像片的外方位元素的平移量的z轴元素；

ai，bi，ci，(i＝1，2，3)是方向余弦，即两坐标轴间夹角的余弦值；

x₀为图像片的内方位预先标定元素；

z₀为图像片的内方位预先标定元素；

f为图像片的内方位预先标定元素；

根据控制点坐标和内方位元素值为已知的情况，将公式(1)中的误差方程转化为以下形式：

V＝CΔ+L(2)

其中：

V＝[v_xiv_zi]^T(3)

Δ＝[ΔX_SΔY_SΔZ_SΔφΔωΔκ]^T(5)

L＝[x⁰ _i-x_iz⁰ _i-z_i]^T(6)

其中，x⁰ _i，z⁰ _i是x_i，z_i的近似值；

x_i表示图像片的原始观测值；

z_i表示图像片的原始观测值；

x⁰ _i表示是x_i的近似值，取值与像片摄影比例尺相关；

z⁰ _i表示是x_i的近似值，取值与像片摄影比例尺相关；

ΔX_S表示为图像片的外方位元素的平移量的x轴元素的改正数；

ΔY_S表示为图像片的外方位元素的平移量的y轴元素的改正数；

ΔZ_S表示为图像片的外方位元素的平移量的z轴元素的改正数；

表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度的改正数；

Δω表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中Y′轴旋转角度的改正数；

Δκ表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中Z′轴旋转角度的改正数。

所述变形位移量计算模块是通过以下步骤来计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量：

确定定位工棒坐标(Xs，Ys，Zs，φ，ω，κ)；

确定定位工棒坐标系与测量坐标系的关系；

其中，定位工棒测头点P在定位工棒坐标系中的坐标为(X′，Y′，Z′)，设其在测量坐标系中的坐标为(X，Y，Z)，则有：

根据定位工棒坐标系与测量坐标系的关系解算得到待测点坐标。

实施例2

本实施例提供的一种高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法，包括以下步骤：

S1：在闸门待测处设置摄影三坐标测量系统；

S2：通过摄影三坐标测量系统获取闸门待测处的闸门监测图像；

S3：通过三角测量原理计算闸门监测图像特征标志点的位置坐标；

S4：计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差；

S5：计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量。

S6：判断变形位移量是否大于预设阈值，如果是，则发出预警信号；如果否，则返回步骤S2重复循环监测。

所述步骤S1中闸门待测处设置摄影三坐标测量系统，通过预先对弧形闸门进行有限元CFD应力分析结合相关标准和工程实践经验，找出结构的危险断面及危险位置作为待测处；在待测处设置目标测点、驱动及定向测点和编码标志点。

所述步骤S2中通过摄影三坐标测量系统获取闸门待测处的闸门监测图像，通过单台三维可视成像相机从多个位置拍摄同一工件的定位工棒、目标测点、驱动及定向测点和编码标志点，以获取在不同视角下不同工况下闸门的监测的图像。

所述步骤S3中通过三角测量原理计算闸门监测图像特征标志点的位置坐标，确定定位工棒坐标系，并通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差来获取被测点的三维坐标。

所述步骤S4中计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差，是通过以下步骤来获取的：将定位工棒坐标系作为辅助控制坐标系，定位工棒上的标志点作为辅助控制点，列出共线方程，从而解算出图像片在定位工棒坐标系中的特征标志点对应的坐标位置(X_s，Y_s，Z_s，φ，ω，κ)；定位工棒上三个标志点共可列出共线方程：

上式中：

i＝1，2，3；

S表示测量坐标系原点；

φ表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

ω表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

κ表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

X′_i、Y′_i、Z′_i(i＝1，2，3)表示图像片中测点在定位工棒坐标系中的坐标值；

X_S为图像片的外方位元素的平移量的x轴元素；

Y_S为图像片的外方位元素的平移量的y轴元素；

Z_S为图像片的外方位元素的平移量的z轴元素；

ai，bi，ci，(i＝1，2，3)是方向余弦，即两坐标轴间夹角的余弦值。

x₀为图像片的内方位预先标定元素，为已知值；

z₀为图像片的内方位预先标定元素，为已知值；

f为图像片的内方位预先标定元素，为已知值；

根据控制点坐标和内方位元素值为已知的情况，将公式(1)中的误差方程转化为以下形式：

V＝CΔ+L(2)

其中：

V＝[v_xiv_zi]^T(3)

Δ＝[ΔX_SΔY_SΔZ_SΔφΔωΔκ]^T(5)

L＝[x⁰ _i-x_iz⁰ _i-z_i]^T(6)

其中，x⁰ _i，z⁰ _i是x_i，z_i的近似值；

x_i表示图像片的原始观测值；

z_i表示图像片的原始观测值；

x⁰ _i表示是x_i的近似值，取值与像片摄影比例尺相关；

z⁰ _i表示是x_i的近似值，取值与像片摄影比例尺相关；

ΔX_S表示为图像片的外方位元素的平移量的x轴元素的改正数；

ΔY_S表示为图像片的外方位元素的平移量的y轴元素的改正数；

ΔZ_S表示为图像片的外方位元素的平移量的z轴元素的改正数；

表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度的改正数；

Δω表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中Y′轴旋转角度的改正数；

Δκ表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中Z′轴旋转角度的改正数。

所述步骤S5计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量，是通过以下步骤来获取的：

确定定位工棒坐标(Xs，Ys，Zs，φ，ω，κ)；

确定定位工棒坐标系与测量坐标系的关系；

其中，定位工棒测头点P在定位工棒坐标系中的坐标为(X′，Y′，Z′)，设其在测量坐标系中的坐标为(X，Y，Z)，则有：

根据定位工棒坐标系与测量坐标系的关系解算得到待测点坐标。

判断变形位移量是否大于预设阈值，如果是，则发出预警信号；如果否，则返回步骤S2重复循环监测。通过对各个监测的目标测点变形位移量设置阈值，使得目标测点在不同水位、不同工况的的变形位移受阈值限制，确保闸门的安全运行。

本实施例还提供电路一种一种高坝大库水电站泄洪闸门动态监测系统，该系统包括三维可视成像相机、处理器、一套基准尺、一根定位工棒和一组回光标志；

所述三维可视成像相机设置于闸门待测处，并设置摄影三坐标测量系统；通过摄影三坐标测量系统获取闸门待测处的闸门监测图像；

所述三维可视成像相机将采集到的闸门监测图像输入到处理器中；

所述处理器包括标志点的位置坐标计算模块、位置偏差计算模块和变形位移量计算模块；

所述一套基准尺是用于将尺度信息给予摄影测量系统；

所述一根定位工棒是用于建立摄影测量系统辅助坐标系；

所述一组回光标志是用于粘贴在被测物体表面上，在三维可视成像相机的照射下反射出亮度较白色漫射标志高出数百倍亮度的一种人工标志；

所述标志点的位置坐标计算模块，用于通过三角测量原理计算闸门监测图像特征标志点的位置坐标；

所述位置偏差计算模块，用于计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差；

所述变形位移量计算模块，用于计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量。

实施例3

如图1所示，本实施例提供的高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法，包括以下步骤：

S1：在闸门待测处设置摄影三坐标测量系统；

S2：通过摄影三坐标测量系统获取闸门待测处的闸门监测图像；

S3：通过三角测量原理计算闸门监测图像特征标志点的位置坐标；

S4：计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差；

S5：计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量；

S6：判断变形位移量是否大于预设阈值，如果是，则发出预警信号；如果否，则返回步骤S2重复循环监测。

图2是本发明提供的泄洪洞弧形工作闸门面板、主横梁及纵梁变形测量测点布置图；图3是本发明提供的泄洪洞弧形工作闸门上、下支臂变形测量测点布置图；其中目标测点70个(面板上布置16个，上主横梁上布置8个，下主横梁上布置8个，中纵梁上布置8个，上支臂布置18个，下支臂12个)。

编号SM1-SMn为上主横梁上部面板部位测点，沿孔口宽度方向均匀布置在同一高度(约)位置；

编号XM1-XMn为上主横梁与下主横梁之间面板部位测点，沿孔口宽度方向均匀布置在同一高度(约)位置；

编号Z1-Zn为中主纵梁部位测点，从上主横梁以上部位向下均匀布置；

编号SH1-SHn为上主横梁部位测点，从左至右均匀布置；

编号XH1-XHn为下主横梁部位测点，从左至右均匀布置；

编号SZB1-SZBn为上支臂测点；编号XZB1-XZBn为下支臂测点；

所述步骤S1闸门待测处设置摄影三坐标测量系统，通过预先对弧形闸门进行有限元(CFD)应力分析结合相关标准和工程实践经验，找出结构的危险断面及危险位置作为待测处；在待测处设置目标测点、驱动及定向测点、编码标志点(每个编码标志点由7个测点按一定规则排列组成，并配设单一编码，用于公共点转换)。

所述步骤S2通过摄影三坐标测量系统获取闸门待测处的闸门监测图像，通过单台三维可视成像相机从两个(或多个)位置拍摄同一工件的定位工棒、目标测点、驱动及定向测点、编码标志点，以获取在不同视角下不同工况下闸门的监测的图图像。

所述步骤S3通过三角测量原理计算闸门监测图像特征标志点的位置坐标，通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差(即视差)来获取被测点的三维坐标。定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′可以根据需要任意定义。

如在图4所示，将定位工棒测头点P作为原点；P、P1和P2所在平面为X′O′Y′平面；PP1方向为X′轴；X′O′Y′平面法线方向为Z′轴。需要指出的是，定位工棒坐标系是过渡性坐标系，定位工棒在不同的位置时，它相对于固定的测量坐标系的关系是变化的，但定位工棒标志点在定位工棒坐标系中的坐标始终不变。

所述步骤S4：计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差，是通过以下步骤来获取的：将定位工棒坐标系作为辅助控制坐标系，定位工棒上的标志点作为辅助控制点，列出共线方程，从而解算出像片在定位工棒坐标系中的特征标志点对应的坐标位置(Xs，Ys，Zs，φ，ω，κ)。定位工棒上三个标志点共可列出共线方程：

上式中：

i＝1，2，3；

X_S、Y_S和Z_S，a_i、b_i和c_i(i＝1，2，3)为像片的外方位元素的平移量及旋转矩阵的元素；

x₀、z₀和f为像片的内方位元素，预先已标定好，为已知值。

考虑到控制点坐标和内方位元素值已知的情况，(1)式误差方程形式为：

V＝CΔ+L(2)

其中：

V＝[v_xiv_zi]^T(3)

Δ＝[ΔX_SΔY_SΔZ_SΔφΔωΔκ]^T(5)

L＝[x⁰ _i-x_iz⁰ _i-z_i]^T(6)

其中x0i，z0i是xi，zi的近似值。

所述步骤S5计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量，是通过以下步骤来获取的：在步骤S3、S4已知定位工棒坐标(Xs，Ys，Zs，φ，ω，κ)及定位工棒坐标系与测量坐标系(像空间坐标系)的关系。

定位工棒测头点P在定位工棒坐标系中的坐标为(X′，Y′，Z′)，设其在测量坐标系中的坐标为(X，Y，Z)，则有：

位工棒坐标系与测量坐标系的关系解算得到待测点坐标。由空间后方交会的过程知，定位工棒标志点起到了控制点的作用。

所述步骤S6判断变形位移量是否大于预设阈值，如果是，则发出预警信号；如果否，则返回步骤S2重复循环监测。通过对各个监测的目标测点变形位移量设置阈值，使得目标测点在不同水位、不同工况的的变形位移受阈值限制，确保闸门的安全运行。

本实施例还提供了一种高坝大库水电站泄洪闸门动态监测系统，所述高坝大库水电站泄洪闸门动态监测系统包括以下组成部分，一台智能三维可视成像相机、一台笔记本电脑、一套系统软件、一套基准尺、一根定位工棒和一组回光标志。

实施例3

本实施例提供一种基于三维可视成像的水电站闸门变形检测方法，基本原理如下所述：

摄影测量的基本原理是从两个(或多个)位置拍摄同一工件，以获取在不同视角下的图像，通过三角测量原理计算各图像素间的位置偏差(即视差)来获取被测点的三维坐标。根据同一相机在两个位置拍摄同一物体的图像，以及物方空间与像方空间的一一对应关系；将目标点、相机中心和相点三点构成共线方程，然后根据共线方程结算出目标点的三维坐标，建立数学模型。通过对变形前后的三维坐标的计算分析，得到各测点的变形量。

小湾水电站闸门原型观测试验变形测量选用V-STARS摄影三坐标测量系统。V-STARS系统是由美国GSI公司研制的工业数字近景摄影三坐标测量系统。该系统主要具有三维测量精度高(相对精度可达1/20万)、测量速度快和自动化程度高和能在恶劣环境中工作等优点。该系统主要用于对静态物体的高精度三维坐标测量，测量时只需要手持相机距离被测物体一定距离从多个位置和角度拍摄一定数量的数字像片，然后由计算机软件自动处理得到特征标志点的X、Y、Z坐标。

本实施结合V-STARS摄影三坐标测量系统的精度高、测量速度快等优点并结合水工金属结构闸门原型观测的变形测量受现场条件的限制和测量精度的制约，提供一种基于三维可视成像的水电站闸门变形检测方法，具有操作简单、抗干扰能力强、测量数据准确、测量成果显示直观等优点。

以上实施例仅为本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。其具体结构和尺寸可根据实际需要进行相应的调整。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在闸门待测处设置摄影三坐标测量系统；

S2：通过摄影三坐标测量系统获取闸门待测处的闸门监测图像；

S3：通过三角测量原理计算闸门监测图像特征标志点的位置坐标；

S4：计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差；

S5：计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量。

S6：判断变形位移量是否大于预设阈值，如果是，则发出预警信号；如果否，则返回步骤S2重复循环监测。

2.根据权利要求1所述的高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法，其特征在于，所述步骤S1中闸门待测处设置摄影三坐标测量系统，通过预先对弧形闸门进行有限元CFD应力分析结合相关标准和工程实践经验，找出结构的危险断面及危险位置作为待测处；在待测处设置目标测点、驱动及定向测点和编码标志点。

3.根据权利要求1所述的高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法，其特征在于，所述步骤S2中通过摄影三坐标测量系统获取闸门待测处的闸门监测图像，通过单台三维可视成像相机从多个位置拍摄同一工件的定位工棒、目标测点、驱动及定向测点和编码标志点，以获取在不同视角下不同工况下闸门的监测的图像。

4.根据权利要求1所述的高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法，其特征在于，所述步骤S3中通过三角测量原理计算闸门监测图像特征标志点的位置坐标，确定定位工棒坐标系，并通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差来获取被测点的三维坐标。

5.根据权利要求4所述的高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法，其特征在于，所述步骤S4中计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差，是通过以下步骤来获取的：将定位工棒坐标系作为辅助控制坐标系，定位工棒上的标志点作为辅助控制点，列出共线方程，从而解算出图像片在定位工棒坐标系中的特征标志点对应的坐标位置(X_s，Y_s，Z_s，φ，ω，κ)；定位工棒上三个标志点共可列出共线方程：

$\left.\begin{array}{c}{x}_i-x_0=f\frac{a_1\left({X^{\′}}_i-X_S\right)+b_1\left({Y^{\′}}_i-Y_S\right)+c_1\left({Z^{\′}}_i-Z_S\right)}{a_2\left({X^{\′}}_i-X_S\right)+b_2\left({Y^{\′}}_i-Y_S\right)+c_2\left({Z^{\′}}_i-Z_S\right)}\\ z_i-z_0=f\frac{a_3\left({X^{\′}}_i-X_S\right)+b_3\left({Y^{\′}}_i-Y_S\right)+c_3\left({Z^{\′}}_i-Z_S\right)}{a_2\left({X^{\′}}_i-X_S\right)+b_2\left({Y^{\′}}_i-Y_S\right)+c_2\left({Z^{\′}}_i-Z_S\right)}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

上式中：

i＝1，2，3；

S表示测量坐标系原点；

φ表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

ω表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

κ表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

X'_i、Y'_i、Z′_i(i＝1，2，3)表示图像片中测点在定位工棒坐标系中的坐标值；

X_S为图像片的外方位元素的平移量的x轴元素；

Y_S为图像片的外方位元素的平移量的y轴元素；

Z_S为图像片的外方位元素的平移量的z轴元素；

ai，bi，ci，(i＝1，2，3)是方向余弦，即两坐标轴间夹角的余弦值；

x₀为图像片的内方位预先标定元素；

z₀为图像片的内方位预先标定元素；

f为图像片的内方位预先标定元素；

根据控制点坐标和内方位元素值为已知的情况，将公式(1)中的误差方程转化为以下形式：

V＝CΔ+L(2)

其中：

V＝[v_xiv_zi]^T(3)

$C=\left[\begin{array}{cccccc}\frac{\∂x_i}{\∂X_S}& \frac{\∂x_i}{\∂Y_S}& \frac{\∂x_i}{\∂Z_S}& \frac{\∂x_i}{\∂\mathrm{\φ}}& \frac{\∂x_i}{\∂\mathrm{\ω}}& \frac{\∂x_i}{\∂\mathrm{\κ}}\\ \frac{\∂z_i}{\∂X_S}& \frac{\∂z_i}{\∂Y_S}& \frac{\∂z_i}{\∂Z_S}& \frac{\∂z_i}{\∂\mathrm{\φ}}& \frac{\∂z_i}{\∂\mathrm{\ω}}& \frac{\∂z_i}{\∂\mathrm{\κ}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

Δ＝[ΔX_SΔY_SΔZ_SΔφΔωΔκ]^T(5)

L＝[x⁰ _i-x_iz⁰ _i-z_i]^T(6)

其中，x⁰ _i，z⁰ _i是x_i，z_i的近似值；

x_i表示图像片的原始观测值；

z_i表示图像片的原始观测值；

x⁰ _i表示是x_i的近似值，取值与像片摄影比例尺相关；

z⁰ _i表示是x_i的近似值，取值与像片摄影比例尺相关；

ΔX_S表示为图像片的外方位元素的平移量的x轴元素的改正数；

ΔY_S表示为图像片的外方位元素的平移量的y轴元素的改正数；

ΔZ_S表示为图像片的外方位元素的平移量的z轴元素的改正数；

表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度的改正数；

Δω表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中Y′轴旋转角度的改正数；

Δκ表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中Z′轴旋转角度的改正数。

6.根据权利要求1所述的高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法，其特征在于，所述步骤S5计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量，是通过以下步骤来获取的：

确定定位工棒坐标(Xs，Ys，Zs，φ，ω，κ)；

确定定位工棒坐标系与测量坐标系的关系；

其中，定位工棒测头点P在定位工棒坐标系中的坐标为(X′，Y′，Z′)，设其在测量坐标系中的坐标为(X，Y，Z)，则有：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_1& b_1& c_1\\ a_2& b_2& c_2\\ a_3& b_3& c_3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}-X_S\\ Y^{\′}-Y_S\\ Z^{\′}-Z_S\end{array}\right]---\left(7\right)$

根据定位工棒坐标系与测量坐标系的关系解算得到待测点坐标。

7.根据权利要求1所述的高坝大库水电站泄洪闸门动态监测方法，其特征在于，所述步骤S6中的阈值是通过对各个监测的目标测点变形位移量设置。

8.一种高坝大库水电站泄洪闸门动态监测系统，其特征在于，包括三维可视成像相机、处理器、一套基准尺、一根定位工棒和一组回光标志；

所述三维可视成像相机设置于闸门待测处，并设置摄影三坐标测量系统；通过摄影三坐标测量系统获取闸门待测处的闸门监测图像；

所述三维可视成像相机将采集到的闸门监测图像输入到处理器中；

所述处理器包括标志点的位置坐标计算模块、位置偏差计算模块和变形位移量计算模块；

所述一套基准尺是用于将尺度信息给予摄影测量系统；

所述一根定位工棒是用于建立摄影测量系统辅助坐标系；

所述一组回光标志是用于粘贴在被测物体表面上，在三维可视成像相机的照射下反射出亮度较白色漫射标志高出数百倍亮度的一种人工标志；

所述标志点的位置坐标计算模块，用于通过三角测量原理计算闸门监测图像特征标志点的位置坐标；

所述位置偏差计算模块，用于计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差；

所述变形位移量计算模块，用于计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量。

9.根据权利要求8所述的高坝大库水电站泄洪闸门动态监测系统，其特征在于，所述位置偏差计算模块是通过以下步骤来计算各监测图像特征标志点对应坐标的位置偏差；

将定位工棒坐标系作为辅助控制坐标系，定位工棒上的标志点作为辅助控制点，列出共线方程，从而解算出图像片在定位工棒坐标系中的特征标志点对应的坐标位置(X_s，Y_s，Z_s，φ，ω，κ)；定位工棒上三个标志点共可列出共线方程：

$\left.\begin{array}{c}{x}_i-x_0=f\frac{a_1\left({X^{\′}}_i-X_S\right)+b_1\left({Y^{\′}}_i-Y_S\right)+c_1\left({Z^{\′}}_i-Z_S\right)}{a_2\left({X^{\′}}_i-X_S\right)+b_2\left({Y^{\′}}_i-Y_S\right)+c_2\left({Z^{\′}}_i-Z_S\right)}\\ z_i-z_0=f\frac{a_3\left({X^{\′}}_i-X_S\right)+b_3\left({Y^{\′}}_i-Y_S\right)+c_3\left({Z^{\′}}_i-Z_S\right)}{a_2\left({X^{\′}}_i-X_S\right)+b_2\left({Y^{\′}}_i-Y_S\right)+c_2\left({Z^{\′}}_i-Z_S\right)}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

上式中：

i＝1，2，3；

S表示测量坐标系原点；

φ表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

ω表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

κ表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度；

X'_i、Y'_i、Z′_i(i＝1，2，3)表示图像片中测点在定位工棒坐标系中的坐标值；

X_S为图像片的外方位元素的平移量的x轴元素；

Y_S为图像片的外方位元素的平移量的y轴元素；

Z_S为图像片的外方位元素的平移量的z轴元素；

ai，bi，ci，(i＝1，2，3)是方向余弦，即两坐标轴间夹角的余弦值；

x₀为图像片的内方位预先标定元素；

z₀为图像片的内方位预先标定元素；

f为图像片的内方位预先标定元素；

根据控制点坐标和内方位元素值为已知的情况，将公式(1)中的误差方程转化为以下形式：

V＝CΔ+L(2)

其中：

V＝[v_xiv_zi]^T(3)

$C=\left[\begin{array}{cccccc}\frac{\∂x_i}{\∂X_S}& \frac{\∂x_i}{\∂Y_S}& \frac{\∂x_i}{\∂Z_S}& \frac{\∂x_i}{\∂\mathrm{\φ}}& \frac{\∂x_i}{\∂\mathrm{\ω}}& \frac{\∂x_i}{\∂\mathrm{\κ}}\\ \frac{\∂z_i}{\∂X_S}& \frac{\∂z_i}{\∂Y_S}& \frac{\∂z_i}{\∂Z_S}& \frac{\∂z_i}{\∂\mathrm{\φ}}& \frac{\∂z_i}{\∂\mathrm{\ω}}& \frac{\∂z_i}{\∂\mathrm{\κ}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

Δ＝[ΔX_SΔY_SΔZ_SΔφΔωΔκ]^T(5)

L＝[x⁰ _i-x_iz⁰ _i-z_i]^T(6)

其中，x⁰ _i，z⁰ _i是x_i，z_i的近似值；

x_i表示图像片的原始观测值；

z_i表示图像片的原始观测值；

x⁰ _i表示是x_i的近似值，取值与像片摄影比例尺相关；

z⁰ _i表示是x_i的近似值，取值与像片摄影比例尺相关；

ΔX_S表示为图像片的外方位元素的平移量的x轴元素的改正数；

ΔY_S表示为图像片的外方位元素的平移量的y轴元素的改正数；

ΔZ_S表示为图像片的外方位元素的平移量的z轴元素的改正数；

表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中X′轴旋转角度的改正数；

Δω表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中Y′轴旋转角度的改正数；

Δκ表示表示图像片绕定位工棒坐标系O′-X′Y′Z′中Z′轴旋转角度的改正数。

10.根据权利要求8所述的高坝大库水电站泄洪闸门动态监测系统，其特征在于，所述变形位移量计算模块是通过以下步骤来计算闸门图像中特征标志点对应坐标的变形位移量：

确定定位工棒坐标(Xs，Ys，Zs，φ，ω，κ)；

确定定位工棒坐标系与测量坐标系的关系；

其中，定位工棒测头点P在定位工棒坐标系中的坐标为(X′，Y′，Z′)，设其在测量坐标系中的坐标为(X，Y，Z)，则有：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{a}_1& b_1& c_1\\ a_2& b_2& c_2\\ a_3& b_3& c_3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}-X_S\\ Y^{\′}-Y_S\\ Z^{\′}-Z_S\end{array}\right]---\left(7\right)$

根据定位工棒坐标系与测量坐标系的关系解算得到待测点坐标。