CN107860369B - 基于激光定位的基坑坑底监测系统及监测方法 - Google Patents

基于激光定位的基坑坑底监测系统及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种基于激光定位的基坑坑底监测系统及监测方法。本发明系统包括中央处理系统、分别与所述中央处理系统远程通讯的激光定位装置和图像获取装置;其中所述中央处理系统包括主控单元、通讯模块、图像处理模块、数据库存储单元、监测数据处理单元;所述监测数据处理单元中设有测点数据统计模块、与测点数据统计模块相连的图形显示模块;所述主控单元分别与所述通讯模块、图像处理模块、测点数据统计模块、图形显示模块相连;所述通讯模块还与所述激光定位装置、图像获取装置无线通讯相连;所述数据库存储单元分别与所述图像处理模块和测点数据统计模块相连。

Description

基于激光定位的基坑坑底监测系统及监测方法
技术领域
本发明涉及基坑开挖监测领域,具体是公开一种基于激光定位的基坑坑底监测系统及监测方法。
背景技术
中国是目前世界上地下空间开发利用大国,许多世界瞩目的重大地下工程与基础设施正在规划建设中。由于基坑工程修建在天然岩土体中,施工期涉及到岩土体开挖,其不可预见风险因素众多。现场监测是基坑工程中的重要环节,据此可以更直接、准确地获取基坑工程和周围环境性状的变化信息,对预防突发事故,指导后续施工有重要意义。
目前,对于开挖过程中基坑坑底情况的测量,主要以埋设监测点的方式为主,但监测点的埋设以及施工过程中的保护均比较困难,且无法全方位的监测基坑坑底变形情况,测量效果较差。若使用三维激光地形仪进行坑底全方位测量,则相关费用过于昂贵,难于满足一般基坑工程的需要。因此,亟待开发一种成本低廉,操作简便且测量准确的监测仪器和监测方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷,提供一种造价低廉、使用方便且测量准确,可以全面检测基坑坑底、计算开挖土方量的基于激光定位的基坑坑底监测系统及监测方法。
本发明是这样实现的:一种基于激光定位的基坑坑底监测系统,其特征在于:包括中央处理系统、分别与所述中央处理系统远程通讯的激光定位装置和图像获取装置;其中所述中央处理系统包括主控单元、通讯模块、图像处理模块、数据库存储单元、监测数据处理单元;所述监测数据处理单元中设有测点数据统计模块、与测点数据统计模块相连的图形显示模块;
所述主控单元分别与所述通讯模块、图像处理模块、测点数据统计模块、图形显示模块相连;所述通讯模块还与所述激光定位装置、图像获取装置无线通讯相连;所述数据库存储单元分别与所述图像处理模块和测点数据统计模块相连;
所述图像获取装置,用于获取基坑底部的RGB图像,将RGB图像数据远程传输至中央处理系统的主控单元;
所述激光定位装置,用于在基坑底部的待测点位置发射激光,并将发射激光信号远程传输至中央处理系统的主控单元,所述主控单元控制所述图像获取装置记录激光发射点在RGB图像中的位置信息;
所述图像处理单模块,通过图像获取装置获得的RGB图像,确定待测点的三维坐标并将待测点的三维坐标保存至数据库存储单元;
所述测点数据统计模块,用于统计数据库存储单元中全部待测点的坐标信息,筛选无效点,通过待测点坐标信息拟合基坑底部开挖情况数据,并通过图形显示模块进行图像输出显示。
所述监测数据处理单元中还设有土方量计算模块,所述土方量计算模块分别与所述主控单元、测点数据统计模块、图形显示模块相连;所述土方量计算模块通过测点数据统计模块的基坑底部开挖情况数据计算已开挖的土方量数据,并通过所述图形显示模块将数据进行图像输出显示。
所述图像获取装置由若干个摄像头组成,每一个基坑底部待测点附近设置2~3个摄像头。
所述摄像头为带有无线通讯模块的监控摄像头、或带有无线通讯模块的球形摄像头。。
所述激光定位装置为带有无线通讯模块或信号发射模块的手持式激光发射器。
一种如上所述的基于激光定位的基坑坑底监测系统的监测方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤1:对图像获取装置进行标定,得到图像获取装置的内外部参数;
步骤2:在基坑底部布置图像获取装置:以每个基坑底部待测点附近设置2~3个图像获取点布置图像获取装置;
步骤3:确定和获取待测点坐标:
3.1)通过激光定位装置对待测点进行定位:在基坑底部的待测点位置,通过激光定位装置开启激光,并通过远程传输向中央处理系统发送激光开启信号,中央处理系统的主控单元通过通讯模块接收到激光开启信号后,通过通讯模块向图像获取装置发送图像拍摄指令,图像获取装置在接收到图像拍摄指令后,进行第一次拍摄,在每一个图像获取点,获得一个的含有激光发射点信息的一次RGB图像,并将一次RGB图像数据远程传输至主控单元,主控单元将一次RGB图像数据存入数据库存储模块;
3.2)主控单元通过通讯模块,向激光定位装置发送关闭激光指令,激光定位装置在关闭激光后将关闭信号反馈至主控单元,主控单元控制图像获取装置进行第二次拍摄,在每一个图像获取点,获得一个二次RGB图像,图像获取装置将二次RGB图像数据远程传输至主控制单元,主控制单元将二次RGB图像数据存入数据库存储模块;
3.3)主控单元控制图像处理模块分别提取每一个图像获取点的一次RGB图像数据和二次RGB图像数据,并将这两份RGB图像作灰度化处理,通过图像相减法,获得激光发射点在相减图像中所在的位置信息,所述激光发射点的在相减图像中的位置信息即为待测点在相减图像中的位置信息;
3.4)图像处理模块通过一个待测点附近的任意两个图像获取点的待测点在相减图像中的位置信息,即可确定和获得这个待测点的空间坐标;然后将确定和获得的这个待测点的空间坐标存入数据库存储单元;
步骤4:根据待测点的数量重复步骤3,即可获得基坑底部所有待测点的空间坐标信息;
步骤5:监测数据处理单元通过测点数据统计模块,提取数据库存储单元的待测点的空间坐标信息,筛选无效点,通过待测点空间的坐标信息拟合基坑底部开挖情况数据,并通过图形显示模块进行图像输出显示。
在步骤3.4)中,通过一个待测点的第三个图像获取点的待测点在相减图像中的位置信息,进行检验,以确保待测点空间坐标正确无误。
还包括步骤6,土方计算模块通过测点数据统计模块的基坑底部开挖情况数据计算已开挖的土方量数据,并通过所述图形显示模块将数据进行图像输出显示。
所述图像获取装置由若干个设置在基坑底部待测点附近的摄像头组成,每一个摄像头为一个所述图像获取点。
所述激光定位装置通过手动开启激光或由所述主控单元远程控制开启激光。
本发明的有益效果是:1、本发明能全面监测基坑坑底开挖情况,与传统的监测方式相比,不再需要监测点的布设和在施工过程中对监测点的保护;
2、本发明可通过对基坑坑底的监测实现开挖土方量的统计;
3、本发明可作为辅助监测手段对传统的传感器测量方式进行校对;
3、本发明使用方式简单,学习方便,无需专业技术人员进行测量,普通工人利用激光定位装置依次开启激光照射待测点即可完成监测工作;
4、本发明造价低廉,激光定位装置与图像获取装置成本较低,可采用激光手电、普通摄像头等作为激光发射和图像获取的装置,工业化生产后成本会进一步降低,具有广泛的可推广性。
附图说明
图1是本发明方框结构示意图。
具体实施方式
根据图1,本发明一种基于激光定位的基坑坑底监测系统,包括中央处理系统、分别与所述中央处理系统远程通讯的激光定位装置和图像获取装置;其中所述中央处理系统包括主控单元、通讯模块、图像处理模块、数据库存储单元、监测数据处理单元;所述监测数据处理单元中设有测点数据统计模块、与测点数据统计模块相连的图形显示模块;
所述主控单元分别与所述通讯模块、图像处理模块、测点数据统计模块、图形显示模块相连;所述通讯模块还与所述激光定位装置、图像获取装置无线通讯相连;所述数据库存储单元分别与所述图像处理模块和测点数据统计模块相连;
所述图像获取装置,用于获取基坑底部的RGB图像,将RGB图像数据远程传输至中央处理系统的主控单元;
所述激光定位装置,用于在基坑底部的待测点位置发射激光,并将发射激光信号远程传输至中央处理系统的主控单元,所述主控单元控制所述图像获取装置记录激光发射点在RGB图像中的位置信息;
所述图像处理单模块,通过图像获取装置获得的RGB图像,确定待测点的三维坐标并将待测点的三维坐标保存至数据库存储单元;
所述测点数据统计模块,用于统计数据库存储单元中全部待测点的坐标信息,筛选无效点,通过待测点坐标信息拟合基坑底部开挖情况数据,并通过图形显示模块进行图像输出显示。
所述监测数据处理单元中还设有土方量计算模块,所述土方量计算模块分别与所述主控单元、测点数据统计模块、图形显示模块相连;所述土方量计算模块通过测点数据统计模块的基坑底部开挖情况数据计算已开挖的土方量数据,并通过所述图形显示模块将数据进行图像输出显示。
所述图像获取装置由若干个摄像头组成,每一个基坑底部待测点附近设置2~3个摄像头。
所述摄像头为带有无线通讯模块的监控摄像头、或带有无线通讯模块的球形摄像头。所述激光定位装置为带有无线通讯模块或信号发射模块的手持式激光发射器。
本发明基于激光定位的基坑坑底监测系统的监测方法,包括如下步骤:
步骤1:对图像获取装置进行标定,得到图像获取装置的内外部参数。
步骤2:在基坑底部布置图像获取装置:以每个基坑底部待测点附近设置2~3个图像获取点布置图像获取装置。
所述图像获取装置由若干个设置在基坑底部待测点附近的摄像头组成,每一个摄像头为一个所述图像获取点。其中,每个基坑底部待测点附近中的“附近”是指,待测点在图像获取点的置图像获取装置的拍摄范围之内。
步骤3:确定和获取待测点坐标:
3.1)通过激光定位装置对待测点进行定位:在基坑底部的待测点位置,通过激光定位装置开启激光,并通过远程传输向中央处理系统发送激光开启信号,中央处理系统的主控单元通过通讯模块接收到激光开启信号后,通过通讯模块向图像获取装置发送图像拍摄指令,图像获取装置在接收到图像拍摄指令后,进行第一次拍摄,在每一个图像获取点,获得一个的含有激光发射点信息的一次RGB图像,并将一次RGB图像数据远程传输至主控单元,主控单元将一次RGB图像数据存入数据库存储模块;
3.2)主控单元通过通讯模块,向激光定位装置发送关闭激光指令,激光定位装置在关闭激光后将关闭信号反馈至主控单元,主控单元控制图像获取装置进行第二次拍摄,在每一个图像获取点,获得一个二次RGB图像,图像获取装置将二次RGB图像数据远程传输至主控制单元,主控制单元将二次RGB图像数据存入数据库存储模块;
3.3)主控单元控制图像处理模块分别提取每一个图像获取点的一次RGB图像数据和二次RGB图像数据,并将这两份RGB图像作灰度化处理,通过图像相减法,获得激光发射点在相减图像中所在的位置信息,所述激光发射点的在相减图像中的位置信息即为待测点在相减图像中的位置信息;
3.4)图像处理模块通过一个待测点附近的任意两个图像获取点的待测点在相减图像中的位置信息,即可确定和获得这个待测点的空间坐标;然后将确定和获得的这个待测点的空间坐标存入数据库存储单元;
其中,通过2个图像获取点的位置信息获得待测点的空间坐标,可以采用双目摄像头的测距原理进行获得。
优选的,为了进一步保证待测点空间坐标的准确性,在步骤3.4)中,通过一个待测点的第三个图像获取点的待测点在相减图像中的位置信息,进行检验,以确保待测点空间坐标正确无误。
其中,所述激光定位装置通过手动开启激光或由所述主控单元远程控制开启激光。
步骤4:根据待测点的数量重复步骤3,即可获得基坑底部所有待测点的空间坐标信息。
步骤5:监测数据处理单元通过测点数据统计模块,提取数据库存储单元的待测点的空间坐标信息,筛选无效点,通过待测点空间的坐标信息拟合基坑底部开挖情况数据,并通过图形显示模块进行图像输出显示。
优选的,还包括步骤6,土方计算模块通过测点数据统计模块的基坑底部开挖情况数据计算已开挖的土方量数据,并通过所述图形显示模块将数据进行图像输出显示。
本发明通过图像获取装置、激光定位装置和中央处理系统,实现非接触式测量方法,通过中央处理系统远程控制和采集图像获取装置与激光定位装置的信息数据,实现自动信息采集处理,相比较现有技术,主要优势在于:1、本发明可根据需要全方位、全施工阶段检测坑底情况;而现有技术中,传统水准仪测量需要现场布点,只能单点测量;2、本发明系统造价低廉,测量准确;现有技术中,三维激光地形测量仪售价约为本发明成本十倍至百倍;3、本发明系统使用方便,无需专业训练,即插即用,推广性强。

Claims (8)

1.一种基于激光定位的基坑坑底监测系统,其特征在于:包括中央处理系统、分别与所述中央处理系统远程通讯的激光定位装置和图像获取装置;其中所述中央处理系统包括主控单元、通讯模块、图像处理模块、数据库存储单元、监测数据处理单元;所述监测数据处理单元中设有测点数据统计模块、与测点数据统计模块相连的图形显示模块;
所述主控单元分别与所述通讯模块、图像处理模块、测点数据统计模块、图形显示模块相连;所述通讯模块还与所述激光定位装置、图像获取装置无线通讯相连;所述数据库存储单元分别与所述图像处理模块和测点数据统计模块相连;
所述图像获取装置,用于获取基坑底部的RGB图像,将RGB图像数据远程传输至中央处理系统的主控单元;
所述激光定位装置,用于在基坑底部的待测点位置发射激光,并将发射激光信号远程传输至中央处理系统的主控单元,所述主控单元控制所述图像获取装置记录激光发射点在RGB图像中的位置信息;
所述图像处理单模块,通过图像获取装置获得的RGB图像,确定待测点的三维坐标并将待测点的三维坐标保存至数据库存储单元;
所述测点数据统计模块,用于统计数据库存储单元中全部待测点的坐标信息,筛选无效点,通过待测点坐标信息拟合基坑底部开挖情况数据,并通过图形显示模块进行图像输出显示;
所述监测数据处理单元中还设有土方量计算模块,所述土方量计算模块分别与所述主控单元、测点数据统计模块、图形显示模块相连;所述土方量计算模块通过测点数据统计模块的基坑底部开挖情况数据计算已开挖的土方量数据,并通过所述图形显示模块将数据进行图像输出显示。
2.根据权利要求 1 所述的基于激光定位的基坑坑底监测系统,其特征在于:所述图像获取装置由若干个摄像头组成,每一个基坑底部待测点附近设置2~3个摄像头。
3.根据权利要求2所述的基于激光定位的基坑坑底监测系统,其特征在于:所述摄像头为带有无线通讯模块的监控摄像头、或带有无线通讯模块的球形摄像头。
4.根据权利要求 1 所述的基于激光定位的基坑坑底监测系统,其特征在于:所述激光定位装置为带有无线通讯模块或信号发射模块的手持式激光发射器。
5.一种如权利要求 1~4中任意一项所述的基于激光定位的基坑坑底监测系统的监测方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤1:对图像获取装置进行标定,得到图像获取装置的内外部参数;
步骤2:在基坑底部布置图像获取装置:以每个基坑底部待测点附近设置2~3个图像获取点布置图像获取装置;
步骤3:确定和获取待测点坐标:
3.1)通过激光定位装置对待测点进行定位:在基坑底部的待测点位置,通过激光定位装置开启激光,并通过远程传输向中央处理系统发送激光开启信号,中央处理系统的主控单元通过通讯模块接收到激光开启信号后,通过通讯模块向图像获取装置发送图像拍摄指令,图像获取装置在接收到图像拍摄指令后,进行第一次拍摄,在每一个图像获取点,获得一个的含有激光发射点信息的一次RGB图像,并将一次RGB图像数据远程传输至主控单元,主控单元将一次RGB图像数据存入数据库存储模块;
3.2)主控单元通过通讯模块,向激光定位装置发送关闭激光指令,激光定位装置在关闭激光后将关闭信号反馈至主控单元,主控单元控制图像获取装置进行第二次拍摄,在每一个图像获取点,获得一个二次RGB图像,图像获取装置将二次RGB图像数据远程传输至主控制单元,主控制单元将二次RGB图像数据存入数据库存储模块;
3.3)主控单元控制图像处理模块分别提取每一个图像获取点的一次RGB图像数据和二次RGB图像数据,并将这两份RGB图像作灰度化处理,通过图像相减法,获得激光发射点在相减图像中所在的位置信息,所述激光发射点的在相减图像中的位置信息即为待测点在相减图像中的位置信息;
3.4)图像处理模块通过一个待测点附近的任意两个图像获取点的待测点在相减图像中的位置信息,即可确定和获得这个待测点的空间坐标;然后将确定和获得的这个待测点的空间坐标存入数据库存储单元;
步骤4:根据待测点的数量重复步骤3,即可获得基坑底部所有待测点的空间坐标信息;
步骤5:监测数据处理单元通过测点数据统计模块,提取数据库存储单元的待测点的空间坐标信息,筛选无效点,通过待测点空间的坐标信息拟合基坑底部开挖情况数据,并通过图形显示模块进行图像输出显示;
步骤6:土方计算模块通过测点数据统计模块的基坑底部开挖情况数据计算已开挖的土方量数据,并通过所述图形显示模块将数据进行图像输出显示。
6.根据权利要求5所述的基于激光定位的基坑坑底监测系统的监测方法,其特征在于:在步骤3.4)中,通过一个待测点的第三个图像获取点的待测点在相减图像中的位置信息,进行检验,以确保待测点空间坐标正确无误。
7.根据权利要求5所述的基于激光定位的基坑坑底监测系统的监测方法,其特征在于:所述图像获取装置由若干个设置在基坑底部待测点附近的摄像头组成,每一个摄像头为一个所述图像获取点。
8.根据权利要求5所述的基于激光定位的基坑坑底监测系统的监测方法,其特征在于:所述激光定位装置通过手动开启激光或由所述主控单元远程控制开启激光。
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