CN112268531A - 局部地形变化监测装置、局部地形监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种局部地形变化监测装置、局部地形监测方法及系统。其中，局部地形变化监测装置中，数据收发器将远端处理设备的启动指令传输给距离传感器、环境参数传感器；距离传感器基于启动指令旋转至相应的探测区域，获取目标区域床面的地形变化信息，并将地形变化信息传输给数据收发器；环境参数传感器基于启动指令探测目标区域所处环境的环境参数，并将环境参数传输给数据收发器；数据收发器将地形变化信息和环境参数传输给远端处理设备；环境参数用于指示远端处理设备对地形变化信息进行修正，并依据修正后的结果生成地形变化数据。本申请可高效地对目标区域的地形变化进行监测，以便提前对其产生的不利影响进行评估修复。

Description

局部地形变化监测装置、局部地形监测方法及系统

技术领域

本申请涉及地形分布及变化监测技术领域，特别是涉及一种局部地形变化监测装置、局部地形监测方法及系统。

背景技术

伴随经济的高速发展和需求的日益提升，人类对水陆空间的开发利用愈加广泛，例如涉水构筑物(如桥梁、码头、风电场、水文站等)的兴建会改变其附近水流流动情况，形成局部的强紊流流动，这种流动速度的变化将打破原来的水下底床的平衡状态，引起泥沙输运增强，并在基础近区产生一定的局部冲刷，形成直径为数倍于基础外径的倒圆锥形冲刷坑。基础周边局部冲刷坑的存在不仅减小了基础的入土深度，降低基础的承载能力，还会改变结构的自振频率，尤其是海上风电场采用的桩基础，外形呈细长体，其安全性对结构自振频率极其敏感，会造成桩基结构剧烈晃动、横向振幅超限等问题，严重威胁结构安全。此外，航道作为海上运输的生命线，对船舶贸易有着重要的影响，航道航槽的地形淤积极易造成船舶搁浅，产生严重的安全事故。另外，近年来我国大多数海滩出现岸滩地形侵蚀和岸线地形后退的趋势，不仅破坏了旅游憩息的场所，还将危及滩边陆地和沿岸建筑，造成较大的经济损失和社会影响。

上述地形变化是水运、水利及海洋工程行业关注的重要内容之一，如何对其可能引起的灾害做好预警工作是亟待解决的问题，地形变化监测是预警工作中最重要的参数之一。但发明人发现传统技术中至少存在如下问题：地形变化引起的结构损坏、岸滩侵蚀、航道航槽等具有高危害性，一旦破坏修复成本巨大，且目前缺乏有效的监测手段。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够对局部地形变化进行高效监测的局部地形变化监测装置、局部地形监测方法及系统。

为了实现上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种局部地形变化监测装置，包括设于构筑物外缘水面之上的数据收发器；还包括均设于构筑物外缘近底位置的环境参数传感器和可旋转的距离传感器；环境参数传感器、距离传感器均连接数据收发器；数据收发器用于连接远端处理设备；

数据收发器将远端处理设备的启动指令传输给距离传感器、环境参数传感器；

距离传感器基于启动指令旋转至相应的探测区域，获取目标区域床面的地形变化信息，并将地形变化信息传输给数据收发器；

环境参数传感器基于启动指令探测目标区域所处环境的环境参数，并将环境参数传输给数据收发器；环境参数包括温度数据、盐度数据和压强数据；

数据收发器将地形变化信息和环境参数传输给远端处理设备；环境参数用于指示远端处理设备对地形变化信息进行修正，并依据修正后的结果生成目标区域的地形变化数据。

在其中一个实施例中，还包括设于构筑物上的旋转装置；距离传感器固定在旋转装置上；地形变化信息包括线性地形数据；

旋转装置根据启动指令，带动距离传感器沿构筑物直径方向旋转，以及沿垂直于直径的方向摆动；

旋转及摆动状态下的距离传感器探测相应的探测区域，通过数据收发器向远端处理设备输出线性地形数据；线性地形数据用于指示远端处理设备对本数据进行差分处理得到面状网格化地形变化数据。

在其中一个实施例中，旋转装置包括舵机云台；舵机云台包括两轴二自由度旋转座。

在其中一个实施例中，旋转装置包括舵机云台；旋转装置还包括连接在数据收发器和舵机云台之间的姿态传感器；

姿态传感器识别启动指令，向舵机云台输出转动数据，以使舵机云台带动距离传感器旋转及摆动；

姿态传感器获取动作中的舵机云台的当前姿态数据，并将当前姿态数据通过数据收发器传输给远端处理设备；当前姿态数据包括沿构筑物外缘的垂向方向的当前旋转角度和沿水平方向的当前摆动角度；当前姿态数据用于指示远端处理设备对地形变化信息进行修正。

在其中一个实施例中，转动数据包括转动速度、沿构筑物外缘的垂向方向的旋转角度范围以及沿水平方向的摆动角度范围。

在其中一个实施例中，数据收发器为中继数据接收发射器；还包括无线模块和用于供电的太阳能供电板；太阳能供电板设于构筑物顶面或者架设在其上的支架顶面；

环境参数传感器、距离传感器均通过无线模块连接中继数据接收发射器；

中继数据接收发射器、环境参数传感器、距离传感器和无线模块均与太阳能供电板相连接。

在其中一个实施例中，环境参数传感器包括均连接数据收发器的温度传感器、盐度传感器和压强传感器；

多个距离传感器可呈阵列分布于构筑物外缘表面，以覆盖所有目标监测区域。

一种局部地形监测方法，方法应用于连接如上述的局部地形变化监测装置的远端处理设备；方法包括步骤：

通过数据收发器分别向距离传感器、环境参数传感器输出启动指令；

接收数据收发器传输的地形变化信息和环境参数；根据环境参数对地形变化信息进行修正，并依据修正后的结果生成目标区域的地形变化数据。

在其中一个实施例中，地形变化信息包括床面冲淤点位置；

根据环境参数对地形变化信息进行修正的步骤包括：

基于温度数据、盐度数据和压强数据，对距离传感器的距离数据进行修正，得到修正后的探测距离；

接收数据收发器传输的当前姿态数据；当前姿态数据包括沿构筑物的垂直方向的当前旋转角度和水平方向的当前摆动角度；

根据修正后的探测距离和当前姿态数据，修正床面冲淤点位置的坐标及冲淤值。

一种局部地形监测装置，装置应用于连接如上述的局部地形变化监测装置及其远端处理设备；装置包括：

启动模块，用于通过数据收发器分别向距离传感器、环境参数传感器输出启动指令；

修正模块，用于接接收数据收发器传输的地形变化信息和环境参数；根据环境参数对地形变化信息进行修正，并依据修正后的结果生成目标区域的地形变化数据。

一种局部地形监测系统，包括远端处理设备，以及连接远端处理设备的如上述的局部地形变化监测装置；

远端处理设备用于执行上述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

本申请包括环境参数传感器、数据收发器以及可旋转的距离传感器；其中，距离传感器收集目标区域的床面地形分布信息，并依据启动指令调整探测范围，且将得到的地形分布信息通过数据收发器传送至远端处理设备，而环境参数传感器则获取相应的环境参数，并通过数据收发器传送至远端处理设备；上述数据经过远端处理设备处理，形成地形分布数据及其不同时刻之间的地形变化数据。本申请具有成本低，监测效率高等优势，同时可对地形分布信息进行修正，提高了地形数据的准确性。本申请可高效地对目标区域地形变化进行监测，以便提前对其产生的不利影响进行预警，并为及时提出治理对策提供依据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的其中一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中地形变化监测装置的应用环境图；

图2为一个实施例中地形变化监测装置的结构示意图；

图3为另一个实施例中地形变化监测装置的结构示意图；

图4为一个实施例中地形变化监测装置的工作流程示意图；

图5为一个实施例中距离传感器探测范围示意图；

图6为一个实施例中地形变化监测后处理结果示意图；

图7为一个实施例中局部地形监测方法的流程示意图；

图8为一个实施例中地形变化监测装置的结构框图；

图9为一个实施例中远端处理设备的内部结构图；

图10为另一个实施例中远端处理设备的内部结构图。

元件标号说明：

距离传感器：202；环境参数传感器：204；数据收发器：206；姿态传感器：303；舵机云台：305；温度传感器：307；盐度传感器：309；压强传感器：311；中继数据接收发射器：313；太阳能供电板：315。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

国内外，因地形变化引起的结构物毁坏、航槽淤积、岸滩侵蚀等问题非常多。例如桥梁结构，大多数桥梁破坏是由于基础冲刷严重导致埋深不足引起的；例如航道航槽，大多数通航事故发生是由于航槽地形淤积导致水深不足引起的；例如海岸侵蚀，大多数海堤护岸损毁是因为海岸地形侵蚀后退引起的。而目前的传统监测技术，仍不能解决上述地形变化的监测问题。

地形变化导致的结构损坏、航槽淤积、岸滩侵蚀等破坏具有高危害性，一旦破坏修复成本巨大。而本申请提供了一种准确、经济、实用的局部地形变化监测方式，能够对目标区域的地形变化进行实时监测，以便提前对其产生的不利影响进行评估和预警，且可以应用于水利工程、水运工程、河港工程和海洋工程中。进一步的，本申请可应用于涉水建筑物底床、航道航槽、沙滩滩面、滩涂等地形变化的实时监测技术领域，具体的，本申请可适用于航道淤积、沙滩侵蚀、滩涂淤积或者侵蚀、海岸带演变等。

本申请提供的局部地形变化监测装置，可以应用于如图1所示的应用环境中，实现局部地形分布及其变化监测。其中，局部地形变化监测装置102可设于构筑物或者该构筑物的基础上，以收集床面地形的变化信息，局部地形变化监测装置102与远端处理设备104进行通信，将收集到的地形变化信息传输给远端处理设备104。其中，远端处理设备104可以包括服务器及/或终端，该服务器可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现，而该终端可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备。

需要说明的是，在一个示例中，构筑物可以指涉水桩式结构，而构筑物基础可以指桩基(如图1所示)；远端处理设备104可以指远端基地的信号处理器以及电脑终端等，能够处理地形信息形成地形数据。进一步的，本申请可以应用于水利工程、水运工程、河港工程和海洋工程中，即图1中的海床也可以是河床、沙滩、航槽、河口滩涂等环境。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种局部地形变化监测装置，以该装置应用于图1为例进行说明，包括设于构筑物顶面的数据收发器206；还包括均设于构筑物基础上的环境参数传感器204和可旋转的距离传感器202；环境参数传感器204、距离传感器202均连接数据收发器206；数据收发器206用于连接远端处理设备；

数据收发器206将远端处理设备的启动指令传输给距离传感器202、环境参数传感器204；

距离传感器202基于启动指令旋转至相应的目标探测区域，获取目标区域床面的地形分布信息，并将地形分布信息传输给数据收发器206；

环境参数传感器204基于启动指令，可探测采集目标区域当前所处环境的环境参数，并将环境参数传输给数据收发器206；环境参数可以包括温度数据、盐度数据和压强数据；

数据收发器206将地形分布信息和环境参数传输给远端处理设备；环境参数用于指示远端处理设备对地形分布信息进行修正，并依据不同时间段获得的修正后的结果生成目标区域的地形变化数据。

具体而言，本申请可以包括距离传感器202、环境参数传感器204以及数据收发器206；数据收发器206可以按照预先指定的时间步长(时间间隔)，先后将远端处理设备的启动指令传输给距离传感器202、环境参数传感器204，让距离传感器202、环境参数传感器204在指定的时间段内处于工作状态，在另外的时间段内处于休眠状态。

进一步的，可旋转的距离传感器202可以收集床面地形的分布，并调整探测范围，得到的数据可以通过数据收发器206传送至远端基地的信号处理器，经过电脑终端处理，进而形成地形数据。其中，远端基地的信号处理器，经过电脑终端处理等，可以指的是远端处理设备。

具体地，距离传感器202可以基于启动指令，在工作状态下，可通过旋转来调整传感器的姿态，使其对准相应的探测目标区域，并获取目标区域床面的地形变化信息；进一步的，地形变化信息可以包括(Xi,Yi,Zi)oriTk；其中，(Xi,Yi,Zi)代表目标区域的地形分布，ori代表原始数据，Tk代表第k个采集时间段。

探测区域可以指距离传感器202基于启动指令旋转后，距离传感器202的探头能探测到的区域；而目标区域可以指构筑物基础(例如，桩基)附近区域，和/或构筑物基础(例如，桩基)所处区域。

在一个示例中，距离传感器202可以为超声波探头，即距离传感器202可以通过发射接收超声波束收集床面地形的分布情况；本申请提出将超声波或声波等纳入距离传感器，并应用于地形变化实时监测中，在一个实施例中，超声波作为频率高、波长短的机械波，其方向性好，可以像光波一样定向发射，通过分析反射信号的传播时间计算河床与探头的距离，这种距离的变化即反映了河床(或海床、航槽、沙滩、滩涂等)深度的变化；此外，在其中一个实施例中，超声波能量高，穿透能力强；超声波频率远高于声波，可以保证超声波能够在介质中传播很远的距离仍能保持较高能量，使其在浑浊的水中传播时，传播能量损失小。

其中，本申请中距离传感器202的数量可以为多个，各距离传感器202可以均匀分布在构筑物基础的柱体上；在一个具体的实施例中，如图2所示，多个距离传感器202呈环形阵列分布于构筑物基础的柱体外表面。

在一个示例中，本申请提出可以在水下布置4个距离传感器202，且4个距离传感器202能够同时开始工作。即本申请中距离传感器202的最小布置数量可以为3～4个；基于此，本申请中的距离传感器202可以全覆盖在构筑物周围区域，经济实用。

本申请提出的地形监测方式，成本低，监测效率高。而距离传感器202的环形阵列布置方式可以极大地缩短目标地形的探测时间，有效地减少冲淤地形的成图时间。

对于可旋转的距离传感器202，可以采用相应的旋转控制设备予以实现；在一个示例中，可以采用可旋转机构与探头配合使用得到，例如，可旋转机构可以包括旋转平台、连轴器、同步带及齿轮等；又如，在构筑物上设置可旋转机构，进而将探头固定在该可旋转机构上；在一个具体的示例中，本申请提出采用设于构筑物上的旋转装置带动距离传感器202旋转，该旋转装置包括舵机云台，距离传感器固定在舵机云台上。

本申请提出可旋转的距离传感器设置，使得一个探头(即超声波探头)的可监测范围达到最大化，提高了工作效率。

同时，环境参数传感器204可以基于启动指令，在工作状态下，可探测目标区域所处环境的环境参数，并将环境参数传输给数据收发器206；环境参数包括但不限于温度、盐度、高度和压强数据；

本申请中的环境参数传感器204，可以探测水中的温度、盐度和压强等数据(即环境参数)，并传送至位于构筑物顶面的数据收发器206，用以修正地形分布信息，例如，在一个具体的实施例中，可以依据温度、盐度和压强数据，修正距离传感器的探测距离。

例如，在一个示例中，C_L为超声波传播速度，受水温度T、水盐度s和水压强P等参数的共同影响，可以采用如下公式修正海水中超声波速C_L：

C_L＝1449+4.6T-0.055T²+0.00029T³+(1.34-0.01T)(s-35)+0.16Z

上式中，T为温度(℃)，s为含盐度(‰)，对于内河而言，s一般可以为0，Z为压强，Z＝(P-P₀)/ρg，P₀为标准大气压。

在一个具体的示例中，环境参数传感器204可以包括均连接数据收发器206的温度传感器、盐度传感器和压强传感器。本申请通过对环境参数(例如，水温、盐度和压强数据)的探测，对距离传感器进行修正，提高了地形数据的准确性。需要说明的是，本申请对环境参数并无具体限定，除了水温、盐度和压强数据以外，影响地形变化监测的精度的参数均可由本申请提出的环境参数传感器予以采集，例如，水深和含沙量等。

在一个具体的实施例中，还可以包括无线模块；环境参数传感器、距离传感器均可通过无线模块连接数据收发器206；

具体而言，无线模块的数量可以为多个；距离传感器通过发射接收超声波束收集床面地形的信息，得到的地形分布信息可以通过无线模块发送至数据收发器206，转而传送至远端处理设备处理，形成地形数据。而远端设备需要对目标区域的床面地形变化情况进行监测时，通过无线模块对距离传感器进行启动，使得布置于水下的各距离传感器同时开始工作。温度传感器、盐度传感器和压强传感器探测水中的温度、盐度和压强数据，并通过无线模块传送至位于构筑物顶面的数据收发器206。

数据收发器206在接收探测数据、水温度、盐度数据和压强数据的同时，向远端处理设备转发数据，可有效降低各无线模块的工作功率，提高数据传输的时效性。

其中，数据收发器206可以将地形变化信息(Xi,Yi,Zi)oriTk和环境参数传输给远端处理设备；而环境参数可以用于指示远端处理设备对该地形变化信息进行修正，并依据修正后的结果生成目标区域的地形变化数据；

此外，地形变化数据可以指(Xi,Yi,Zi)modTk；其中mod代表修正后的数据，Tk代表第k个采集时间段。而(Xi,Yi,Zi)modTk-(Xi,Yi,Zi)modT(k-1)可以表示地形的变化分布，以此来获得局部地形的变化规律与特性。

以上，本申请中距离传感器可以收集床面的地形分布(例如，通过发射接收超声波束或者声波收集床面地形分布信息)，并依据启动指令调整探测范围，且将得到的地形分布信息通过数据收发器传送至远端处理设备，而环境参数传感器则获取相应的环境参数，并通过数据收发器传送至远端处理设备；上述数据经过远端处理设备处理，形成地形变化数据。本申请具有成本低，监测效率高等优势，同时对地形分布信息进行修正，提高了地形数据的准确性。本申请可高效地对目标区域床面的地形变化进行监测，以便提前对其产生的不利影响进行评估、预警及修复。

在一个实施例中，如图3所示，提供了一种局部地形变化监测装置，以该装置应用于图1为例进行说明，包括设于构筑物顶面的中继数据接收发射器313；还包括均设于构筑物基础上的温度传感器307、盐度传感器309、压强传感器311和可旋转的距离传感器202；温度传感器307、盐度传感器309、压强传感器311和可旋转的距离传感器202均连接中继数据接收发射器313；中继数据接收发射器313用于连接远端处理设备；

还包括设于构筑物基础表面上的旋转装置；旋转装置包括舵机云台305；距离传感器202固定在舵机云台305上；进一步的，旋转装置还可以包括连接在中继数据接收发射器313和舵机云台305之间的姿态传感器303；

还包括设于构筑物顶面、用于供电的太阳能供电板315，中继数据接收发射器313、温度传感器307、盐度传感器309、压强传感器311和距离传感器202均与太阳能供电板相连接。其中，太阳能供电板315还可与无线模块(参阅前文)相连接。

具体而言，本申请可以包括距离传感器202、舵机云台305、姿态传感器303、温度传感器307、盐度传感器309、压强传感器311、中继数据接收发射器313、太阳能供电板315；其中，距离传感器202可以通过发射接收超声波束或声波收集床面地形的变化，通过舵机云台305调整探测范围，得到的数据通过无线模块发送至中继数据接收发射器313，转而传送至远端基地的信号处理器，经过电脑终端处理，形成地形数据。

其中，距离传感器202固定在舵机云台305上，舵机云台305可以包括两轴二自由度旋转座，分别控制垂直转向和水平转向。

在一个具体的示例中，舵机云台305根据启动指令，带动距离传感器202沿构筑物的直径方向旋转，以及沿垂直于直径的方向摆动；旋转及摆动状态下的距离传感器202探测相应的探测区域，通过中继数据接收发射器313向远端处理设备输出线性地形数据；线性地形数据用于指示远端处理设备对本数据进行差分处理得到面状网格化地形变化数据。

具体地，本申请提出舵机云台的两轴二自由度设计，可使得一个探头的可监测范围达到最大化，提高工作效率。而地形变化信息可以包括线性地形数据(Xi,Yi,Zi)oriTk和(Xi,Yi,Zi)modTk。

旋转装置根据启动指令，可带动距离传感器202沿构筑物外缘的垂向方向的旋转，以及沿水平方向的摆动，以此完成传感器姿态调整，传感器的测量区域位置也随之调整；

而旋转及摆动状态下，某个姿态数据下的距离传感器202，可测得传感器与相应的探测区域的相对距离，通过数据收发器313向远端处理设备输出相对距离数据和传感器姿态数据；结合传感器姿态和相对距离数据，进而由远端处理设备可对上述数据进行差分处理，得到面状网格化的地形分布(变化)数据。

进一步的，姿态传感器303与中继数据接收发射器313相连接；姿态传感器303可以识别启动指令，向舵机云台305输出转动数据，以使舵机云台305带动距离传感器202旋转及摆动。

在一个具体的实施例中，转动数据可以包括转动速度、沿构筑物直径方向的旋转角度范围以及沿垂直于直径的方向的摆动角度范围。

具体而言，转动数据还可以包括旋转角度和角加速度。即本申请中的距离传感器202可以只发射光束，自身无需具备旋转的功能；为此，本申请提出具有两轴二自由度旋转座的舵机云台305，分别控制垂直转向和水平转向，舵机云台305可以控制着距离传感器202的旋转；远端处理设备需要调整探头旋转的角度和速度时，可以通过姿态传感器303进行信号识别处理，再传输到舵机云台305进行控制工作。

同时，舵机云台305可以与姿态传感器303连接，实时传输探头的旋转角度数据(即当前姿态数据)；本申请中，姿态传感器303可以获取动作中的舵机云台305的当前姿态数据，并将当前姿态数据通过中继数据接收发射器313传输给远端处理设备；当前姿态数据可以包括沿构筑物直径方向的当前旋转角度和沿垂直于直径的方向的当前摆动角度；当前姿态数据用于指示远端处理设备对地形变化信息进行修正。

具体而言，需要对目标区域的地形变化情况进行监测时，远端处理设备可以通过无线模块对距离传感器进行启动，使得布置于水下的各距离传感器同时开始工作。在一个具体的实施例中，超声探头向前发射超声波，超声波在水中向前传播，会在河床底部发生反射，反射信号可以被发射探头接收。用发射信号和接收信号之间的时间差的1/2与声波在水中的波速相乘，即可以求得河床的深度，深度的变化反映了河床的变化。各用电端均可由太阳能板供电。具体工作流程图可以如图4所示。

此外，本申请提出对探测范围进行扩大，对形成的线状扇形区域进行差分得到地形图，进而能够使探测的地形变化更为准确。在一个具体的实施例中，舵机云台的二自由度转座可使得距离传感器沿构筑物基础直径和垂直于直径方向做上下90度和左右180度旋转：首先，距离传感器沿构筑物直径方向做上下0～90°旋转并同时发射接收超声波光束或声波(即图5)，得到沿桩直径方向的线性地形数据；然后，探头沿垂直于直径方向移动向左或向右定向转动，每隔10°转动一次，再做沿z轴径向0～90°上下旋转，发射超声波束进行探测；以此类推，探头可扫描出沿构筑物基础xy面上左右共计180°范围内的线性地形数据，如图5所示。通过对线性地形数据进行差分得到面状网格化地形变化数据，如图6所示。

进一步的，温度传感器307、盐度传感器309、压强传感器311将探测目标区域周围的水温、水盐度和水压强数据实时传送至中继数据接收发射器313。在一个示例中，温度传感器307、盐度传感器309和压强传感器311，可分别通过无线模块将探测数据传送至位于构筑物顶面的中继数据接收发射器313，用以修正探测距离。

具体的修正过程可以包括如下内容：

(1)

(2)

(3)y＝S*sinθ；

(4)z＝S*cosθ。

其中，如图5、图6所示，每个距离传感器沿构筑物直径方向定义为y轴，垂直y轴的径向定义为x轴，沿柱向上方向定义为z轴；S为超声波光束从发射端到床面的距离；C_L为超声波传播速度，

为光束在xy面上的转动角度；θ为光束沿z轴上下摆动的角度。具体的，转动角度

摆动角度θ，可以通过舵机云台305与姿态传感器303得到。

受水温度T、水盐度s和水压强P等参数的共同影响，可以采用如下公式修正海水中超声波速C_L：

C_L＝1449+4.6T-0.055T²+0.00029T³+(1.34-0.01T)(s-35)+0.16Z

上式中，T为温度(℃)，s为含盐度(‰)，对于内河而言，s一般可以为0，Z为压强，Z＝(P-P₀)/ρg，P₀为标准大气压；t为超声波从发射到接收的时间间隔。

即本申请提出通过对水温、盐度和压强数据的探测，对距离传感器进行修正，提高了地形数据的准确性。

本申请中，中继数据接收发射器313在接收距离传感器探测数据、舵机姿态数据、水温度、盐度数据和压强数据的同时，向远端处理设备转发数据，可有效降低各无线模块的工作功率，提高数据传输的时效性。

以上，距离传感器通过收集床面的地形变化、舵机云台调整探测范围，得到的数据通过无线模块发送至中继数据接收发射器，转而传送至远端处理设备处理，形成地形数据；本申请提出采用距离传感器进行目标区域的地形变化实时监测，具有方向性好、传播能量高、成本低以及监测效率高等优点。本申请通过分析探头反射信号的传播时间计算河床与探头的距离，这种距离的变化即反映了河床深度的变化；在一个示例中，超声波能够在介质中传播很远的距离仍能保持较高能量，使其在浑浊的水中传播时，传播能量损失小；进一步的，距离传感器的环形阵列布置方式可极大地缩短对目标区域地形的探测时间，有效地减少地形的成图时间，同时舵机云台的两轴二自由度设计，可使得一个探头的可监测范围达到最大化，提高了工作效率；本申请通过对水温、盐度和压强数据的探测，对距离传感器的探测距离进行修正，提高了地形数据的准确性。

本申请具有成本低，监测效率高等优势，同时对距离传感器的探测距离进行修正，提高了地形数据的准确性。本申请的实施可高效地对目标区域的地形变化进行监测，以便提前对其产生的不利影响进行评估修复。

在一个实施例中，如图7所示，提供了一种局部地形监测方法，以该方法应用于图1中的远端处理设备104为例进行说明，包括步骤：

步骤202，通过数据收发器分别向距离传感器、环境参数传感器输出启动指令；

具体而言，启动指令可以用于指示距离传感器旋转至相应的探测区域，获取目标区域床面的地形变化信息，并将地形变化信息传输给数据收发器；启动指令可以指示环境参数传感器探测目标区域所处环境的环境参数，并将环境参数传输给数据收发器；环境参数包括温度数据、盐度数据和压强数据；

本申请中，远端处理设备需要对目标区域的床面地形变化情况进行监测时，可以通过远端无线模块对距离传感器进行启动，使得布置于水下的各距离传感器可以同时开始工作。同时，温度传感器、盐度传感器和压强传感器在接收到启动指令时，分别开始探测水中的温度、盐度和压强数据，并通过无线模块传送至位于构筑物顶面的数据中继接收器，用以修正探测距离。

步骤204，接收数据收发器传输的地形变化信息和环境参数；根据环境参数对地形变化信息进行修正，并依据修正后的结果生成目标区域的地形变化数据。

具体地，接收数据收发器传输的地形变化信息和环境参数，并根据环境参数对地形变化信息进行修正，以提高地形数据的准确性。

进一步的，可以接收数据收发器传输的地形变化信息(例如，地形变化信息(Xi,Yi,Z)oriTk)和环境参数；根据环境参数对地形变化信息进行修正，形成修正后的地形分布信息(Xi,Yi,Zi)modTk，并可依据前一个时刻的修正后的结果生成目标区域的地形变化数据(Xi,Yi,Zi)modTk-(Xi,Yi,Zi)modT(k-1)。

在一个具体的实施例中，地形变化信息可以包括床面冲淤点位置；

根据环境参数对地形变化信息进行修正的步骤，可以包括：

基于温度数据、盐度数据和压强数据，对距离传感器的探测数据进行修正，得到修正后的探测距离；

接收数据收发器传输的当前姿态数据；当前姿态数据包括沿构筑物基础的直径方向的当前旋转角度(即

)和沿垂直于直径的方向的当前摆动角度(即θ)；

根据修正后的探测距离和当前姿态数据，修正床面冲淤点位置的坐标。

具体而言，本申请提出对探测范围进行扩大，对形成的线状扇形区域进行差分得到地形图，进而能够使探测的地形更为准确。远端处理设备通过姿态传感器控制具有两轴二自由度旋转座的舵机云台，使得距离传感器可以沿构筑物基础直径和垂直于直径方向做上下90度和左右180度旋转：首先，距离传感器沿构筑物基础直径方向做上下0～90°旋转并同时发射接收超声波束或声波，得到沿直径方向的线性地形数据；然后，探头沿垂直于直径方向移动向左或向右定向转动，每隔10°转动一次，再做沿z轴径向0～90°上下旋转，发射波束进行探测；以此类推，探头可扫描出沿构筑物基础xy面上左右180°范围内的线性地形数据，如图5所示。进一步的，远端处理设备可以通过对线性地形数据进行差分得到面状网格化地形数据，如图6所示。

进一步的，在一个具体的实施例中，本申请涉及的具体的修正过程可以包括如下内容：

(1)

(2)

(3)y＝S*sinθ；

(4)z＝S*cosθ。

其中，如图5、图6所示，每个距离传感器沿构筑物直径方向定义为y轴，垂直y轴的径向定义为x轴，沿柱向上方向定义为z轴；S为超声波光束从发射端到床面的距离；C_L为超声波传播速度，

为光束在xy面上的转动角度；θ为光束沿z轴上下摆动的角度。

受水温度T、水盐度s和水压强P等参数的共同影响，可以采用如下公式修正海水中超声波速C_L：

C_L＝1449+4.6T-0.055T²+0.00029T³+(1.34-0.01T)(s-35)+0.16Z

上式中，T为温度(℃)，s为含盐度(‰)，对于内河而言，s一般可以为0，Z为压强，Z＝(P-P₀)/ρg，P₀为标准大气压；t为超声波从发射到接收的时间间隔。

上述局部地形监测方法，具有监测效率高、数据准确的优势；远端处理设备通过姿态传感器控制具有两轴二自由度旋转座的舵机云台，使得距离传感器能够扫描出沿构筑物基础xy面上左右180°范围内的线性地形数据，同时，远端处理设备通过对线性地形数据进行差分得到面状网格化地形变化数据；进一步的，远端处理设备可以通过环境参数对探测距离进行修正，提高地形数据的准确性。本申请可高效地对地形变化进行监测，以便提前对其产生的不利影响进行评估修复。

需要说明的是，上述局部地形监测方法中涉及到局部地形变化监测装置执行的具体流程，可以参阅前文中各实施例的描述，此处不再赘述。

应该理解的是，虽然图4、图7的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图4、图7中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图8所示，提供了一种局部地形变化监测装置，以该装置应用于图1中的远端处理设备104为例进行说明，包括：

启动模块810，用于通过数据收发器分别向距离传感器、环境参数传感器输出启动指令；

修正模块820，用于接接收数据收发器传输的地形变化信息和环境参数；根据环境参数对地形变化信息进行修正，并依据修正后的结果生成目标区域的地形变化数据。

在一个具体的实施例中，地形变化信息包括床面冲淤点位置；

修正模块820，还用于基于温度数据、盐度数据和压强数据，对距离传感器的探测数据进行修正，得到修正后的探测距离；接收数据收发器传输的当前姿态数据；当前姿态数据包括沿构筑物基础直径方向的当前旋转角度和沿垂直于直径的方向的当前摆动角度；根据修正后的探测距离和当前姿态数据，修正床面冲淤点位置的坐标。

关于地形变化监测装置的具体限定可以参见上文中对于局部地形监测方法的限定，在此不再赘述。上述地形变化监测装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。需要说明的是，本申请实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。

在一个实施例中，一种局部地形变化监测系统，包括远端处理设备，以及连接远端处理设备的如上述的局部地形变化监测装置；

远端处理设备用于执行上述局部地形监测方法的步骤。

具体而言，地形变化监测系统可以包括远端处理设备，以及连接远端处理设备的局部地形变化监测装置；

在一个示例中，远端处理设备可以是服务器，其内部结构图可以如图9所示。该远端处理设备可以包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该远端处理设备的处理器用于提供计算和控制能力。该远端处理设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该远端处理设备的数据库用于存储地形变化信息、环境参数以及地形数据等数据。该远端处理设备的网络接口用于与外部的局部地形变化监测装置通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种局部地形监测方法。

在一个实施例中，提供了一种远端处理设备，该远端处理设备可以是终端，其内部结构图可以如图10所示。该远端处理设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该远端处理设备的处理器用于提供计算和控制能力。该远端处理设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该远端处理设备的网络接口用于与外部的局部地形变化监测装置通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种局部地形监测方法。该远端处理设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该远端处理设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是远端处理设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图8、图9中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述局部地形监测方法中的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种局部地形变化监测装置，其特征在于，包括设于构筑物外缘水面之上的数据收发器；还包括均设于所述构筑物外缘近底位置的环境参数传感器和可旋转的距离传感器；所述环境参数传感器、所述距离传感器均连接所述数据收发器；所述数据收发器用于连接远端处理设备；

所述数据收发器将所述远端处理设备的启动指令传输给所述距离传感器、所述环境参数传感器；

所述距离传感器基于所述启动指令旋转至相应的探测区域，获取目标区域床面的地形变化信息，并将所述地形变化信息传输给所述数据收发器；

所述环境参数传感器基于所述启动指令探测目标区域所处环境的环境参数，并将所述环境参数传输给所述数据收发器；所述环境参数包括温度数据、盐度数据和压强数据；

所述数据收发器将所述地形变化信息和所述环境参数传输给所述远端处理设备；所述环境参数用于指示所述远端处理设备对所述地形变化信息进行修正，并依据所述修正后的结果生成目标区域的地形变化数据。

2.根据权利要求1所述的局部地形变化监测装置，其特征在于，还包括设于构筑物上的旋转装置；所述距离传感器固定在所述旋转装置上；所述地形变化信息包括线性地形数据；

所述旋转装置根据所述启动指令，带动所述距离传感器沿构筑物直径方向旋转，以及沿垂直于所述直径的方向摆动；

旋转及摆动状态下的所述距离传感器探测相应的探测区域，通过所述数据收发器向所述远端处理设备输出所述线性地形数据；所述线性地形数据用于指示所述远端处理设备对本数据进行差分处理得到面状网格化地形变化数据。

3.根据权利要求2所述的局部地形变化监测装置，其特征在于，所述旋转装置包括舵机云台；所述舵机云台包括两轴二自由度旋转座。

4.根据权利要求2所述的局部地形变化监测装置，其特征在于，所述旋转装置包括舵机云台；所述旋转装置还包括连接在所述数据收发器和所述舵机云台之间的姿态传感器；

所述姿态传感器识别所述启动指令，向所述舵机云台输出转动数据，以使所述舵机云台带动所述距离传感器旋转及摆动；

所述姿态传感器获取动作中的所述舵机云台的当前姿态数据，并将所述当前姿态数据通过所述数据收发器传输给所述远端处理设备；所述当前姿态数据包括沿所述构筑物外缘的垂向方向的当前旋转角度和沿水平方向的当前摆动角度；所述当前姿态数据用于指示所述远端处理设备对所述地形变化信息进行修正。

5.根据权利要求4所述的局部地形变化监测装置，其特征在于，所述转动数据包括转动速度、沿所述构筑物外缘的垂向方向的旋转角度范围以及沿水平方向的摆动角度范围。

6.根据权利要求1至5任一项所述的局部地形变化监测装置，其特征在于，所述数据收发器为中继数据接收发射器；还包括无线模块和用于供电的太阳能供电板；所述太阳能供电板设于构筑物顶面或者架设在其上的支架顶面；

所述环境参数传感器、所述距离传感器均通过所述无线模块连接所述中继数据接收发射器；

所述中继数据接收发射器、所述环境参数传感器、所述距离传感器和所述无线模块均与所述太阳能供电板相连接。

7.根据权利要求1至5任一项所述的局部地形变化监测装置，其特征在于，所述环境参数传感器包括均连接所述数据收发器的温度传感器、盐度传感器和压强传感器；

多个所述距离传感器可呈阵列分布于所述构筑物外缘表面，以覆盖所有目标监测区域。

8.一种局部地形监测方法，其特征在于，所述方法应用于连接如权利要求1至7任一项所述的局部地形变化监测装置的远端处理设备；所述方法包括步骤：

通过所述数据收发器分别向所述距离传感器、所述环境参数传感器输出所述启动指令；

接收所述数据收发器传输的所述地形变化信息和所述环境参数；根据所述环境参数对所述地形变化信息进行修正，并依据所述修正后的结果生成所述目标区域的地形变化数据。

9.根据权利要求8所述的局部地形监测方法，其特征在于，所述地形变化信息包括床面冲淤点位置；

根据所述环境参数对所述地形变化信息进行修正的步骤包括：

基于所述温度数据、所述盐度数据和所述压强数据，对距离传感器的距离数据进行修正，得到修正后的探测距离；

接收所述数据收发器传输的所述当前姿态数据；所述当前姿态数据包括沿所述构筑物的垂直方向的当前旋转角度和水平方向的当前摆动角度；

根据所述修正后的探测距离和所述当前姿态数据，修正所述床面冲淤点位置的坐标及冲淤值。

10.一种局部地形监测装置，其特征在于，所述装置应用于连接如权利要求1至7任一项所述的局部地形变化监测装置及其远端处理设备；所述装置包括：

启动模块，用于通过所述数据收发器分别向所述距离传感器、所述环境参数传感器输出所述启动指令；

修正模块，用于接接收所述数据收发器传输的所述地形变化信息和所述环境参数；根据所述环境参数对所述地形变化信息进行修正，并依据所述修正后的结果生成所述目标区域的地形变化数据。

11.一种局部地形监测系统，其特征在于，包括远端处理设备，以及连接所述远端处理设备的如权利要求1至7任一项所述的局部地形变化监测装置；

所述远端处理设备用于执行权利要求8或9所述方法的步骤。

12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求8或9所述方法的步骤。

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