CN108253890A

CN108253890A - 一种地裂缝的空间状态监测方法及装置

Info

Publication number: CN108253890A
Application number: CN201711450698.7A
Authority: CN
Inventors: 唐辉明; 张俊荣; 宁奕冰; 李顺合; 王艳昆; 苏雪雪; 李昺; 叶海伦
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2018-07-06

Abstract

本发明公开了一种地裂缝的空间状态监测方法，包括以下步骤：在地裂缝的两侧，且靠近地裂缝边缘的位置处分别设置监测墩；固定地裂缝三维位移探测仪和靶盘，所述地裂缝三维位移探测仪和靶盘垂直设置，且所述地裂缝三维位移探测仪和靶盘的中心线与地裂缝的走向平行；测得地裂缝的竖直位移、错动位移和张裂位移；结合地裂缝的竖直位移、错动位移和张裂位移，即得到地裂缝所产生的三维空间变化。本发明还公开了一种地裂缝的空间状态监测监测装置。本发明结合利用激光测距与图像识别技术的方式获得裂缝两侧相对空间状态变化数据，既包含了常规的张裂位移，又包括了错动、竖直位移，能够准确反映裂缝的空间变化动态，得到裂缝的三维变化状态。

Description

一种地裂缝的空间状态监测方法及装置

技术领域

本发明涉及地质灾害监测与防治领域，尤其涉及一种地裂缝的空间状态监测方法及装置。

背景技术

由于空间广袤、地形复杂，我国每年受滑坡、地裂缝等地质灾害影响产生的经济损失数额巨大。地裂缝是一种具有渐进式发展规律的三维变形地表线性裂缝，由于其变形规律，通常会产生竖直、错动、张裂位移。同时，地表裂缝空间状态变化是判断滑坡稳定性分析的关键参数与重要表征，其监测作为滑坡监测中的重要一环，必不可少。

现有地裂缝的监测手段主要为机械式位移测法，具体可为分为相对位移法和多点监测法。多点监测法即地裂缝两侧多处埋设二维位移计以获得竖直、错动、张裂位移，以三个数据表征裂缝变形趋势。其采用的二维位移计例如：基于应变片的；基于光纤光栅的；基于收敛计的；基于裂缝传感器的；LF型差阻式裂缝计。相对位移法即将三维变形状态变为空间点P的三向移动，以一种仪器同时获得三个位移数据，或者位移加两个角位移。例如：TS三向测缝计；地裂缝三向变形测量仪；悬臂差动式地裂缝位移测试仪；三维裂缝仪；IGG-1型机械式裂缝计，能较好的反应裂缝的三维数值变化，但机械式设计使其精度有一定的提升空间。此外还有基于INSAR、三维激光扫描以及GPS、微破裂成像等技术对裂缝分布状态及发育规律的监测，但过于宏观，无法精密监测单一裂缝的发育过程，或是只能反映地裂缝的沉降特征。

由于地裂缝致裂因素众多，其变形过程必然是复杂、立体的，单一维度的地裂缝状态变化监测不足以反应其变形特征与成因机理。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一套技术成熟、高精度、性价比高、方便易用的地裂缝空间状态监测方法及装置。

本发明的实施例提供一种地裂缝的空间状态监测方法，包括以下步骤：

S1.在地裂缝的两侧，且靠近地裂缝边缘的位置处分别设置监测墩；

S2.在一监测墩的上端中心处固定地裂缝三维位移探测仪，在另一监测墩的上端固定靶盘，所述地裂缝三维位移探测仪和靶盘垂直设置，且所述地裂缝三维位移探测仪和靶盘的中心线与地裂缝的走向平行；

S3.地裂缝三维位移探测仪启动，地裂缝三维位移探测仪上的三个激光测距传感器分别测得靶盘上对应三个点的竖直位移，记做(Z₁、Z₂、Z₃)；同时，地裂缝三维位移探测仪上的激光指示器在靶盘上留下激光标志，并通过地裂缝三维位移探测仪上的摄像头对激光标志进行周期性摄影或拍照记录，得到对应的激光点位；

S4.对激光点位进行图像识别处理，得到激光点位的坐标差，此坐标差与靶盘水平方向的错动位移和张裂位移大小一致，方向相反，记做(-ΔX，-ΔY)；

S5.结合地裂缝的竖直位移、错动位移和张裂位移，即得到地裂缝所产生的三维空间变化。

一种地裂缝的空间状态监测装置，包括两监测墩，两监测墩分别设在地裂缝的两侧，且靠近地裂缝的边缘，两监测墩上分别沿竖直方向固定地裂缝三维位移探测仪和靶盘，所述地裂缝三维位移探测仪和靶盘相对设置，所述地裂缝三维位移探测仪和靶盘的中心线与地裂缝的走向平行，所述地裂缝三维位移探测仪探测靶盘在地裂缝过程中的竖直位移、错动位移和张裂位移，进而得到地裂缝所产生的三维空间变化。

进一步，所述地裂缝三维位移探测仪包括三个激光测距传感器、激光指示器、摄像头，所述激光指示器设在地裂缝三维位移探测仪的中心位置，所述摄像头和三个激光测距传感器设在激光指示器的四周。

进一步，所述地裂缝三维位移探测仪还包括外壳和固定支架，所述三个激光测距传感器、激光指示器和摄像头均安装在外壳内，所述外壳的上方设有吊耳，所述地裂缝三维位移探测仪通过外接电源供电，所述地裂缝三维位移探测仪通过固定支架固定在监测墩上。

进一步，所述靶盘配合激光指示器指示激光点位在靶盘上的移动方向及距离，所述靶盘反射激光测距传感器发射的激光以配合测距。

进一步，所述靶盘通过靶盘支架固定在监测墩上，所述靶盘采用高强度、刚度、耐腐蚀材料制造。

进一步，所述监测墩包括墩体和预留孔，所述预留孔设在墩体的上方中心，所述监测墩通过预留孔分别固定地裂缝三维位移探测仪和靶盘，所述监测墩为地裂缝三维位移探测仪与靶盘提供承载平台，坚固耐侵蚀，重量大小不影响裂缝发育。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的一种地裂缝的空间状态监测方法及装置结合利用激光测距与图像识别技术的方式获得裂缝两侧相对空间状态变化数据，既包含了常规的张裂位移，又包括了错动、竖直位移，能够准确反映裂缝的空间变化动态，得到裂缝的三维变化状态。

2、本发明的非接触式地裂缝监测方法所涉及技术成熟，其精度相对于超声波、机械的测量方式更高，结构简单、设计合理。激光测距这种非接触式的测量方式，测完可拆卸，相比于机械式测量方式更加不受环境影响、不易受潮。

3、本发明的测量方法主要建造设施为两个测墩，使用的地裂缝三维位移探测仪可以多处循环往复使用，测量方法整体投入小、经济性好、可靠性好，维护量小。

4、本发明的测量数据处理方便、测量精度更高。

附图说明

图1是本发明一种地裂缝的空间状态监测方法的一流程图。

图2是本发明一种地裂缝的空间状态监测装置的一示意图。

图3是图2中地裂缝三维位移探测仪的一示意图。

图4是图2中靶盘的一示意图。

图5是图2中监测墩的一示意图。

图6为本发明图像显示激光指示点跟踪示意图.

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图2，一种地裂缝的空间状态监测装置，包括两监测墩1、地裂缝三维位移探测仪2和靶盘3。

请参考图2和图5，监测墩1为地裂缝三维位移探测仪与靶盘提供承载平台，坚固耐侵蚀，重量大小不影响地裂缝发育，两监测墩1分别设在地裂缝的两侧，且靠近地裂缝的边缘，监测墩1包括墩体11和预留孔12，所述预留孔12设在墩体11的上方中心。

两监测墩1上分别沿竖直方向固定地裂缝三维位移探测仪2和靶盘3，在一实施例中，所述监测墩1通过预留孔12分别固定地裂缝三维位移探测仪2和靶盘3，所述地裂缝三维位移探测仪2和靶盘3相对设置，所述地裂缝三维位移探测仪2和靶盘3的中心线与地裂缝的走向平行。

请参考图3，地裂缝三维位移探测仪2探测靶盘3在地裂缝过程中的竖直位移、错动位移和张裂位移，进而得到地裂缝所产生的三维空间变化，所述地裂缝三维位移探测仪2包括三个激光测距传感器21、激光指示器22、摄像头23、外壳24、固定支架25和吊耳26，三个激光测距传感器21、激光指示器22和摄像头23均安装在外壳24内，外壳24在对应位置开有孔，使三个激光测距传感器21、激光指示器22和摄像头23能穿过外壳24作用于靶盘3，所述激光指示器22设在地裂缝三维位移探测仪2的中心位置，所述摄像头23和三个激光测距传感器21设在激光指示器22的四周，所述外壳24的上方设有吊耳26，所述地裂缝三维位移探测仪2通过外接电源供电，所述地裂缝三维位移探测仪2通过固定支架25固定在监测墩1上。

请参考图4和图6，靶盘3配合激光指示器22指示激光点位221在靶盘3上的移动方向及距离，所述靶盘3反射激光测距传感器21发射的激光以配合测距，靶盘3通过靶盘支架31固定在监测墩1上，所述靶盘3采用高强度、刚度、耐腐蚀材料制造。

请参考图1，一种地裂缝的空间状态监测方法，包括以下步骤：

S1.在地裂缝的两侧，且靠近地裂缝边缘的位置处分别设置监测墩1，分别为监测墩A101和监测墩B102；

S2.在监测墩A101的上端中心处固定地裂缝三维位移探测仪2，在监测墩B102的上端固定靶盘3，所述地裂缝三维位移探测仪2和靶盘3垂直设置，且所述地裂缝三维位移探测仪2和靶盘3的中心线与地裂缝的走向平行；

S3.地裂缝三维位移探测仪2启动，地裂缝三维位移探测仪2上的三个激光测距传感器21分别测得靶盘3上对应三个点的竖直位移，记做(Z₁、Z₂、Z₃)；同时，地裂缝三维位移探测仪2上的激光指示器22在靶盘上留下激光标志，并通过地裂缝三维位移探测仪2上的摄像头23对激光标志进行周期性摄影或拍照记录，得到对应的激光点位221；

S4.对激光点位221进行图像识别处理，得到激光点位221的坐标差，此坐标差与靶盘3水平方向的错动位移和张裂位移大小一致，方向相反，记做(-ΔX，-ΔY)；

请参考图6，对于裂缝两侧位移而言，其竖直、错动、张裂位移分别可以测得数据的某一点表示，即(-ΔX，-ΔY，Z₁)

对于裂缝两侧的空间相对状态变化而言，则可将图像识别所得获得该侧裂缝的错动、数值位移叠加于三个点的z向变化值，可得三个位移值：

A₁(-ΔX，-ΔY，Z₁)

B₁(-ΔX，-ΔY，Z₂)

C₁(-ΔX，-ΔY，Z₃)

依此多期监测可得数据：

A₂、A₃、A₄……A_n

B₂、B₃、B₄……B_n

C₂、C₃、C₄……C_n

每个点的空间坐标的变化也即该点的空间三维变化，代表了两个监测墩之间的裂缝所产生的三维空间变化。A、B、C三点空间坐标变化多次监测可取平均值以减小误差。

拓展而言，如若将监测墩A101后撤至离裂缝较远处，借助GPS监测可将上述局部坐标系纳入北京坐标系监测其空间姿态的变化，同理可将监测墩A101处的裂缝空间姿态纳入监测，从而得到该裂缝两侧的相对姿态的三维的变化过程。依此，该方法可以拓展到其他领域。

本发明的一种地裂缝的空间状态监测方法及装置结合利用激光测距与图像识别技术的方式获得裂缝两侧相对空间状态变化数据，既包含了常规的张裂位移，又包括了错动、竖直位移，能够准确反映裂缝的空间变化动态，得到裂缝的三维变化状态；非接触式地裂缝监测方法所涉及技术成熟，其精度相对于超声波、机械的测量方式更高，结构简单、设计合理。激光测距这种非接触式的测量方式，测完可拆卸，相比于机械式测量方式更加不受环境影响、不易受潮；测量方法主要建造设施为两个测墩，使用的地裂缝三维位移探测仪可以多处循环往复使用，测量方法整体投入小、经济性好、可靠性好，维护量小；测量数据处理方便、测量精度更高。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种地裂缝的空间状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.一种地裂缝的空间状态监测装置，其特征在于，包括两监测墩，两监测墩分别设在地裂缝的两侧，且靠近地裂缝的边缘，两监测墩上分别沿竖直方向固定地裂缝三维位移探测仪和靶盘，所述地裂缝三维位移探测仪和靶盘相对设置，所述地裂缝三维位移探测仪和靶盘的中心线与地裂缝的走向平行，所述地裂缝三维位移探测仪探测靶盘在地裂缝过程中的竖直位移、错动位移和张裂位移，进而得到地裂缝所产生的三维空间变化。

3.根据权利要求2所述的地裂缝的空间状态监测装置，其特征在于，所述地裂缝三维位移探测仪包括三个激光测距传感器、激光指示器、摄像头，所述激光指示器设在地裂缝三维位移探测仪的中心位置，所述摄像头和三个激光测距传感器设在激光指示器的四周。

4.根据权利要求3所述的地裂缝的空间状态监测装置，其特征在于，所述地裂缝三维位移探测仪还包括外壳和固定支架，所述三个激光测距传感器、激光指示器和摄像头均安装在外壳内，所述外壳的上方设有吊耳，所述地裂缝三维位移探测仪通过外接电源供电，所述地裂缝三维位移探测仪通过固定支架固定在监测墩上。

5.根据权利要求3所述的地裂缝的空间状态监测装置，其特征在于，所述靶盘配合激光指示器指示激光点位在靶盘上的移动方向及距离，所述靶盘反射激光测距传感器发射的激光以配合测距。

6.根据权利要求5所述的地裂缝的空间状态监测装置，其特征在于，所述靶盘通过靶盘支架固定在监测墩上，所述靶盘采用高强度、刚度、耐腐蚀材料制造。

7.根据权利要求2所述的地裂缝的空间状态监测装置，其特征在于，所述监测墩包括墩体和预留孔，所述预留孔设在墩体的上方中心，所述监测墩通过预留孔分别固定地裂缝三维位移探测仪和靶盘，所述监测墩为地裂缝三维位移探测仪与靶盘提供承载平台，坚固耐侵蚀，重量大小不影响裂缝发育。