CN111102962B - 基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统和方法 - Google Patents
基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统，包括沉降区域外的参照点和测量装置，其中测量装置包括支架、电机、紧固旋钮、测距仪、销钉、校准球、通信盒。电机通过紧固旋钮安装在支架上，测距仪通过销钉装在电机的输出轴上，校准球铰接在测距仪尾端底面，校准球发出的激光始终水平向前；测距仪前端底面装有校准激光接收器；测距仪的头部端面上装有测距激光发射器和测距激光接受器；通信盒装在支架底部的水平板顶面，通信盒中装有处理器和通信元件。测量装置安装在高分遥感卫星监测到的沉降区域的严重点位，利用三角函数测量沉降区域外的参考点和监测点的竖直距离，当沉降距离和沉降速度超出各自阈值后，向系统后台发出警示信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测系统，特别是涉及一种基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统。
背景技术
高分辨率遥感卫星对地观测技术，可以构成高空间、高时间、高光谱分辨率的全天候、全天时、全球覆盖对地观测系统。高分辨率对地观测系统的建设，对促进中国空间基础设施建设、培育卫星应用和战略性新兴产业发展具有重大意义。随着高分专项工程建设，高分卫星的监测精度已达到亚米级，普通卫星数据已多被高分专项数据所替代。高分数据已在国土、测绘、农业、林业、环保等行业领域开展广泛应用，实现了多光谱、高光谱、亚米级可见光、SAR雷达卫星遥感数据自主获取，为防灾救灾、政府治理、生态环境监测等重要领域提供信息服务和决策支持。
目前遭受地面沉降城市的数量正不断增长，地面沉降导致多种灾害的发生，如海水入侵或风暴潮等，地表沉降引发的各种地质灾害是严重制约城市进程的重要因素，它不仅引发城市土地资源危机，同时造成一系列生态环境问题，破坏生产生活设施，进而可能诱发社会、经济问题。利用高分辨率对地观测技术，通过对比地表三维影像变化可及时发现地表沉降区域，但是由于其成本较高，多适用于区域的三维影像获取，无法实现多个具体点位的跟踪，并且亚米级的精度产生的测量误差仍旧会影响监测效果，所以有必要在地表沉降严重点设置监测装置，辅助高分辨率对地观测技术实现对地表沉降区域的全面有效监测。
所以设计一种基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统，利用高分辨率对地观测技术找出地表沉降区域，在地表沉降区域的严重点位设置实用有效的地面监测装置，形成天地物一体化的地表沉降监测系统，为地质灾害防治和减灾工作提供辅助决策支持，提高地质灾害预报预警能力和防治水平，进一步推动智慧城市的发展进程。
发明内容
因此，本发明为实现地表沉降监测，利用高分辨率对地观测技术，先根据拍摄的三维影像获取地表沉降区域，然后在沉降区域的严重点位安装监测装置，实现地表沉降的全面有效监测。
本发明所采用的技术方案是：基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统，其特征在于：包括沉降区域外的参照点和测量装置，其中测量装置包括支架、电机、紧固旋钮、测距仪、销钉、校准球、通信盒。
所述沉降区域外的观测点标记在沉降区域外的具备一定高度的建筑物上。
所述测量装置安装在沉降区域中的最严重点位。
所述支架为竖立的三角框架，三角框架的底部设有水平的长方体形的平板，所述平板的两侧螺接在地面上；在三角框架上靠近顶端，水平贯穿有正六边形的电机安装孔。
所述电机的机壳的内侧竖面中央处，设有正六边形的固定柱，所述固定柱插入支架的电机安装孔中，所述固定柱的外端面上向内开设有螺纹孔；所述电机的外侧竖面中心处伸出有电机的输出轴，所述输出轴上贯穿有销钉孔。
进一步讲，所述电机为低转速步进电机，通过控制脉冲个数来控制角位移量。
进一步讲，所述固定柱的长度比支架的厚度小2～3mm。
进一步讲，所述固定柱的轮廓与电机安装孔的轮廓尺寸相同。
所述紧固旋钮为中心轴线水平的扁圆柱体，扁圆柱体的一侧竖面中心处伸出水平的螺纹柱，所述螺纹柱安装在固定柱的螺纹孔中；环绕紧固旋钮的中心轴线，在扁圆柱体的外圆柱面上均匀分布多个旋钮凸条。
进一步讲，所述旋钮凸条的轴线与紧固旋钮的中心轴线平行。
所述测距仪的尾端左右方向水平贯穿圆形的驱动孔，所述测距仪的尾部端面上开设有通孔，与驱动孔连通；所述测距仪的驱动孔套装在电机的输出轴上，所述销钉自外向内依次穿过通孔和销钉孔，将测距仪装配在电机的输出轴上。
所述测距仪的底面靠近尾部，设有中间水平、两端向上弯折的U形的悬挂架，所述悬挂架上套装有校准球；所述校准球为球体，球体顶部设有水平圆管状的悬挂管，所述悬挂管套装在悬挂架的水平段；所述校准球的前端球面装有校准激光发射器。
进一步讲，所述校准球的内部填充有金属铅，测距仪在旋转时，所述校准球的校准激光发射器发出的激光始终水平向前。
进一步讲，在具体实施时，可先将悬挂架穿过校准球的悬挂管后再弯折安装到测距仪的底面。
所述测距仪的底面靠近头端，垂直于底面设有竖板状的校准板，所述校准板的背面装有校准激光接收器，当测距仪旋转到水平角度时，所述校准激光接收器恰好接收到校准球的校准激光发射器发出的激光。
所述测距仪的头部端面上，设有测距激光发射器和测距激光接收器。
所述通信盒螺装在支架的平板的顶面，所述通信盒的顶面装有通信天线，所述通信盒内装有通信电路，所述通信电路内装有SIM卡，所述通信盒内装有MCU处理器，另有计时器和存储器与MCU处理器连接，所述MCU处理器与通信电路连接。
进一步讲，所述具体实施时，可采用市电直接向耗电元件供电，在无市电的情况下使用蓄电池。
本发明的原理为：所述测距仪为激光测距仪，所述测距仪的测距激光发射器向沉降区域外的参照点发射激光，所述测距激光接收器接收到反射回来的激光。激光在空气中的传播速度v的固定的，通过记录发射和接收激光的时间差∆t，可以计算出测距仪与沉降区域外的参照点之间的距离L，即距离L=∆t*v/2。
当测距仪的校准激光接收器接收到校准激光发射器发出的激光后，说明测距仪处于水平状态，开始记录测距仪旋转的角度，当测距仪的测距激光发射器照射到沉降区域外的参照点时，获得最终测距仪旋转的角度a。
那么沉降区域外的参照点与测距仪之间的竖直高度差H=L*sin(a)。
通过上述方法，分别计算沉降区域外的参照点与测距仪之间的竖直高度Hi，一段时间后计算沉降区域外的参照点与测距仪之间的竖直高度Hj，那么就可以获得此段时间内地表沉降值∆H。
本发明一种基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统具有如下优点：
(1)利用高分遥感卫星对地表仅进行大范围的地表图像分析，降低图像分析难度；
(2)根据高分遥感卫星的图像分析，在沉降严重点设置监测装置，填补了遥感卫星多点监测成本过高的缺陷；
(3)利用水平校准结构和三角函数原理，先后计算沉降区域外的参照点与监测点的垂直高度，从而获得一段时间内的沉降值。
所以，这种基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统，利用高分辨率对地观测技术找出地表沉降区域，在地表沉降区域的严重点位设置实用有效的地面监测装置，形成天地物一体化的地表沉降监测系统，为地质灾害防治和减灾工作提供辅助决策支持，提高地质灾害预报预警能力和防治水平，进一步推动智慧城市的发展进程。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是电机、测距仪、销钉的装配结构示意图。
图2是支架、电机、紧固旋钮的装配结构示意图。
图3是整体装配体的底部装配结构示意图。
图4是校准球装配在测距仪底部的装配结构示意图。
图5是校准球的结构示意图。
图6是测距仪底部的悬挂架的结构示意图。
图7是测距仪底部的校准板的结构示意图。
图8是通信盒的装配结构示意图。
图9是销钉和测距仪、电机的拆解示意图。
图10是测距仪和电机的拆解示意图。
图11是销钉的结构示意图。
图12是紧固旋钮和电机、支架的拆解示意图。
图13是电机和支架的拆解示意图。
图14是紧固旋钮的结构示意图。
图15是支架的结构示意图。
图16是水平校准时的整体装配体的正面结构示意图。
图17是监测点与参照点距离测定时的整体装配体的正面结构示意图。
图18是沉降高度的计算方式原理图。
图19是通信盒内的元件连接示意图。
图20是监测方法原理示意图。
图中标号：1-支架、101-平板、102-电机安装孔、2-电机、201-固定柱、202-螺纹孔、203-输出轴、204-销钉孔、3-紧固旋钮、301-螺纹柱、302-旋钮凸条、4-测距仪、401-驱动孔、402-通孔、403-悬挂架、404-校准板、405-校准激光接收器、406-测距激光发射器、407-测距激光接收器、5-销钉、501-钉帽凸条、6-校准球、601-悬挂管、602-校准激光发射器、7-通信盒、701-通信天线、Ai-第i次监测的测量装置位置、Aj-第j次监测的测量装置位置、B-沉降区域外的参照点、Li-第i次测量装置与参照点的直线距离、Lj-第j次测量装置与参照点的直线距离、ai-距离Li与水平线的夹角、aj-距离Lj与水平线的夹角、Hi-参照点B与Ai的竖直高度、Hj-参照点B与Aj的竖直高度。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明一种基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统作进一步的详细描述。
基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统，其特征在于：包括沉降区域外的参照点和测量装置，其中测量装置包括支架1、电机2、紧固旋钮3、测距仪4、销钉5、校准球6、通信盒7。
如图18所示，所述沉降区域外的观测点标记在沉降区域外的具备一定高度的建筑物上。
所述测量装置安装在沉降区域中的最严重点位。
如图1、图2、图3、图13、图15所示，所述支架1为竖立的三角框架，三角框架的底部设有水平的长方体形的平板101，所述平板101的两侧螺接在地面上；在三角框架上靠近顶端，水平贯穿有正六边形的电机安装孔102。
如图1、图2、图3、图10、图13所示，所述电机2的机壳的内侧竖面中央处，设有正六边形的固定柱201，所述固定柱201插入支架1的电机安装孔102中，所述固定柱201的外端面上向内开设有螺纹孔202；所述电机2的外侧竖面中心处伸出有电机2的输出轴203，所述输出轴203上贯穿有销钉孔204。
进一步讲，所述电机2为低转速步进电机，通过控制脉冲个数来控制角位移量。
进一步讲，所述固定柱201的长度比支架1的厚度小2～3mm。
进一步讲，所述固定柱201的轮廓与电机安装孔102的轮廓尺寸相同。
如图2、图12、图13所示，所述紧固旋钮3为中心轴线水平的扁圆柱体，扁圆柱体的一侧竖面中心处伸出水平的螺纹柱301，所述螺纹柱301安装在固定柱201的螺纹孔202中，将电机2固定在支架1上；环绕紧固旋钮3的中心轴线，在扁圆柱体的外圆柱面上均匀分布多个旋钮凸条302。
进一步讲，如图14所示，所述旋钮凸条302的轴线与紧固旋钮3的中心轴线平行。
进一步讲，所述螺纹柱301的长度小于螺纹孔202的深度。
如图1、图9、图10、图11所示，所述测距仪4的尾端左右方向水平贯穿圆形的驱动孔401，所述测距仪4的尾部端面上开设有通孔402，与驱动孔401连通；所述测距仪4的驱动孔401套装在电机2的输出轴203上，所述销钉5自外向内依次穿过通孔402和销钉孔204，将测距仪4装配在电机2的输出轴203上。
进一步讲，所述销钉5的钉帽周边环绕其中心轴线均匀分布多个钉帽凸条501，便于工作人员将销钉5从销钉孔204中快速旋出或旋进。
进一步讲，所述钉帽凸条501的轴线方向与销钉5的中心轴线平行。
如图3、图4、图5、图6所示，所述测距仪4的底面靠近尾部，设有中间水平、两端向上弯折的U形的悬挂架403，所述悬挂架403上套装有校准球；所述校准球6为球体，球体顶部设有水平圆管状的悬挂管601，所述悬挂管601套装在悬挂架403的水平段；所述校准球6的前端球面装有校准激光发射器602。
进一步讲，所述校准球6的内部填充有金属铅，测距仪在旋转时，所述校准球6的校准激光发射器602发出的激光始终水平向前。
进一步讲，在具体实施时，可先将悬挂架403穿过校准球6的悬挂管601后再弯折安装到测距仪4的底面。
如图3、图7所示，所述测距仪4的底面靠近头端，垂直于底面设有竖板状的校准板404，所述校准板404的背面装有校准激光接收器405，当测距仪4旋转到水平角度时，所述校准激光接收器405恰好接收到校准球6的校准激光发射器602发出的激光。
如图2、图3所示，所述测距仪4的头部端面上，设有测距激光发射器406和测距激光接收器407。
如图1、图8、图19所示，所述通信盒7螺装在支架1的平板的顶面，所述通信盒7的顶面装有通信天线701，所述通信盒7内装有通信电路，所述通信电路内装有SIM卡，所述通信盒7内装有MCU处理器，另有计时器和存储器与MCU处理器连接，所述MCU处理器与通信电路连接。
进一步讲，所述具体实施时，可采用市电直接向耗电元件供电，在无市电的情况下使用蓄电池。
所述测距仪4为激光测距仪，所述测距仪4的测距激光发射器406向沉降区域外的参照点发射激光，所述测距激光接收器407接收到反射回来的激光。激光在空气中的传播速度v的固定的，通过记录发射和接收激光的时间差∆t，可以计算出测距仪与沉降区域外的参照点之间的距离L，即距离L=∆t*v/2。
当测距仪4的校准激光接收器405接收到校准激光发射器602发出的激光后，说明测距仪4处于水平状态，开始记录测距仪4旋转的角度，当测距仪4的测距激光发射器406照射到沉降区域外的参照点时，获得最终测距仪4旋转的角度a。
那么沉降区域外的参照点与测距仪4之间的竖直高度差H=L*sin(a)。
基于上述方法，分别计算沉降区域外的参照点与测距仪4之间的竖直高度Hi，一段时间后计算沉降区域外的参照点与测距仪4之间的竖直高度Hj，那么就可以获得此段时间∆T内地表沉降值∆H。
所以，这种基于高分遥感卫星的地表沉降监测方法步骤如下：
(1)利用高分遥感卫星拍摄地表图像获得大范围的地表沉降区域；
(2)在沉降严重点布置监测装置；
(3)控制电机2转动，先后记录第i次测量装置与参照点的距离Li，距离Li与水平线的夹角ai，计算参照点B与监测点的竖直高度Hi，Hi=Li*sin(ai)；
(4)一段时间后，控制电机2转动，先后记录第j次测量装置与参照点的距离Lj，距离Lj与水平线的夹角aj，计算参照点B与监测点的竖直高度Hj，Hj=Lj*sin(aj)；
(5)计算这段时间的监测点的沉降值∆H=Hj-Hi，当∆H超过阈值，发出警示信号；
(6)计算第i次监测和第j次监测的时间差∆T=Tj-Ti；
(7)计算这段时间的监测点的沉降速度V=∆H/∆T，当V超出阈值，发出警示信号。
进一步讲，所述MCU判断沉降值∆H或沉降速度V超出阈值后，所述MCU控通信电路向系统后台发出警示信号，监管机构收到警示信号后，及时做好转移人员财产等工作。
进一步讲，说明书中MCU是指微处理单元。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统，其特征在于：包括沉降区域外的参照点和测量装置，其中测量装置包括支架(1)、电机(2)、紧固旋钮(3)、测距仪(4)、销钉(5)、校准球(6)、通信盒(7)；
所述沉降区域外的观测点标记在沉降区域外的具备一定高度的建筑物上；
所述测量装置安装在沉降区域中的最严重点位；
所述支架(1)为竖立的三角框架，三角框架的底部设有水平的长方体形的平板(101)，所述平板(101)的两侧螺接在地面上；在三角框架上靠近顶端，水平贯穿有正六边形的电机安装孔(102)；
所述电机(2)的机壳的内侧竖面中央处，设有正六边形的固定柱(201)，所述固定柱(201)插入支架(1)的电机安装孔(102)中，所述固定柱(201)的外端面上向内开设有螺纹孔(202)；所述电机(2)的外侧竖面中心处伸出有电机(2)的输出轴(203)，所述输出轴(203)上贯穿有销钉孔(204)；
所述紧固旋钮(3)为中心轴线水平的扁圆柱体，扁圆柱体的一侧竖面中心处伸出水平的螺纹柱(301)，所述螺纹柱(301)安装在固定柱(201)的螺纹孔(202)中，将电机(2)固定在支架(1)上；环绕紧固旋钮(3)的中心轴线，在扁圆柱体的外圆柱面上均匀分布多个旋钮凸条(302)；
所述测距仪(4)的尾端左右方向水平贯穿圆形的驱动孔(401)，所述测距仪(4)的尾部端面上开设有通孔(402)，与驱动孔(401)连通；所述测距仪(4)的驱动孔(401)套装在电机(2)的输出轴(203)上，所述销钉(5)自外向内依次穿过通孔(402)和销钉孔(204)，将测距仪(4)装配在电机(2)的输出轴(203)上；
所述测距仪(4)的底面靠近尾部，设有中间水平、两端向上弯折的U形的悬挂架(403)，所述悬挂架(403)上套装有校准球；所述校准球(6)为球体，球体顶部设有水平圆管状的悬挂管(601)，所述悬挂管(601)套装在悬挂架(403)的水平段；所述校准球(6)的前端球面装有校准激光发射器(602)；
所述测距仪(4)的底面靠近头端，垂直于底面设有竖板状的校准板(404)，所述校准板(404)的背面装有校准激光接收器(405)，当测距仪(4)旋转到水平角度时，所述校准激光接收器(405)恰好接收到校准球(6)的校准激光发射器(602)发出的激光；
所述测距仪(4)的头部端面上，设有测距激光发射器(406)和测距激光接收器(407)；
所述通信盒(7)螺装在支架(1)的平板(101)的顶面，所述通信盒(7)的顶面装有通信天线(701)，所述通信盒(7)内装有通信电路，所述通信电路内装有SIM卡，所述通信盒(7)内装有MCU处理器，另有计时器和存储器与MCU处理器连接，所述MCU处理器与通信电路连接；
所述电机(2)为低转速角位移步进电机；
所述固定柱(201)的长度比支架(1)的厚度小2～3mm。
2.根据权利要求1所述的基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统，其特征在于：所述固定柱(201)的轮廓与电机安装孔(102)的轮廓尺寸相同。
3.根据权利要求1所述的基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统，其特征在于：所述旋钮凸条(302)的轴线与紧固旋钮(3)的中心轴线平行。
4.根据权利要求1所述的基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统，其特征在于：所述螺纹柱(301)的长度小于螺纹孔(202)的深度。
5.根据权利要求1所述的基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统，其特征在于：所述销钉(5)的钉帽周边环绕其中心轴线均匀分布多个钉帽凸条(501)。
6.根据权利要求5所述的基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统，其特征在于：所述钉帽凸条(501)的轴线方向与销钉(5)的中心轴线平行。
7.根据权利要求1所述的基于高分遥感卫星的地表沉降监测系统，其特征在于：所述校准球(6)的内部填充有金属铅，测距仪在旋转时，所述校准球(6)的校准激光发射器(602)发出的激光始终水平向前。
8.一种利用权利要求1-7任一项所述的地表沉降监测方法，其特征在于：
1）利用高分遥感卫星拍摄地表图像获得大范围的地表沉降区域；
2）在沉降严重点布置监测装置；
3）控制电机(2)转动，先后记录第i次测量装置与参照点的距离Li，距离Li与水平线的夹角ai，计算参照点B与监测点的竖直高度Hi，Hi=Li*sin(ai)；
4）一段时间后，控制电机(2)转动，先后记录第j次测量装置与参照点的距离Lj，距离Lj与水平线的夹角aj，计算参照点B与监测点的竖直高度Hj，Hj=Lj*sin(aj)；
5）计算这段时间的监测点的沉降值ΔH=Hj-Hi，当ΔH超过阈值，发出警示信号；
6）计算第i次监测和第j次监测的时间差ΔT=Tj-Ti；
7）计算这段时间的监测点的沉降速度V=ΔH/ΔT，当V超出阈值，发出警示信号。
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| 空间光学仪器及其校准检测技术 第五讲 空间激光测距仪和激光测高仪;杨照金;;应用光学;20090315(02);全文 * |
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