CN113340207A - 一种基于普适型激光lidar的坡面位移监测方法及系统 - Google Patents

一种基于普适型激光lidar的坡面位移监测方法及系统 Download PDF

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张强
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Abstract

本申请涉及一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测方法及系统，属于激光检测技术的领域，坡面位移监测方法其包括数据采集，采集信号触发后，周期性向被测坡面发射脉冲激光，采集关于被测坡面的多组距离数据，并记录采集时间；数字高程模型生成，基于数字化模拟方法，得到每组距离数据对应的数字高程模型；热点图生成，将上报周期内获取的数字高程模型以单元进行对比和处理，生成关于单元位移的热点图，并得到位移信息，位移信息包括第一位移值；数据上传，将热点图和位移信息发送至远程监控中心。与相关技术相比，本申请具有便于进行滑坡监测的效果。

Description

一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测方法及系统
技术领域
本申请涉及激光检测技术的领域，尤其是涉及一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测方法及系统。
背景技术
我国国土广袤，地形地势多种多样，平原和山区是我国最常见的地形。我国山区面积比平原面积大，约占全国国土面积的69.1%。山区面积较大，在发展林业、旅游业、牧业和采矿业等方面具有优势，但山区地形崎岖，耕地资源和住房资源均有限。
生活于山区的人们，较难找到平整的土地修建房屋，因此大多采用削坡建房的方式来解决住房问题。但是削坡后，山坡的山体应力释放，山体结构发生变化，使得山坡的土质变得松软，容易发生滑坡，尤其是在雨季或强降雨时，给居住于山坡下方的人们带来极大的滑坡威胁。
山体滑坡，一般都是在山体微小位移的累加下，发生大型的滑坡。目前的滑坡监测方法，有人工监测方法和监测装置监测方法，人工监测难于察觉微小的滑坡，监测装置监测的方法，一般观察监测装置上监测部件的运动来进行监测，但是监测部件的运行需要监测人员现场读取，否则难以及时获知滑坡情况，从而不便于进行滑坡监测。
发明内容
为了便于进行滑坡监测，本申请提供一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测方法及系统。
第一方面，本申请提供的一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测方法采用如下的技术方案：
一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测方法，包括，
数据采集，采集信号触发后，周期性向被测坡面发射脉冲激光，采集关于被测坡面的多组距离数据，并记录采集时间；
数字高程模型生成，基于数字化模拟方法，得到每组所述距离数据对应的数字高程模型；
热点图生成，将上报周期内获取的所述数字高程模型以单元进行对比和处理，生成关于单元位移的热点图，并得到位移信息，所述位移信息包括第一位移值；以及，
数据上传，将热点图和位移信息发送至远程监控中心。
通过采用上述技术方案，周期性得到被测坡面的数字高程模型，并根据获得的数字高程模型，每隔一个上报周期得到一次关于单元位移的热点图，并将热点图发送至远程监控中心，以便于远程监控中心能够根据热点图及时获取被测山坡的滑坡情况，无需进行现场读取，从而便于进行滑坡监测。
可选的，所述热点图生成的方法包括，
将多个所述数字高程模型均以相同的比例划分成N个单元，每个单元对应坡面的一个区域；
将多个所述数字高程模型对应坡面同一个区域的单元进行对比，得到位移单元，以及位移单元的坡度差和高程差；
将相邻的位移单元结合得到位移轨迹，结合所述数字高程模型的比例尺，得到第一位移值；以及，
根据所述位移单元的坡度差和/或高程差，在最晚采集时间的数字高程模型上标注警示颜色，生成热点图。
通过采用上述技术方案，将数字高程模型换分成更小的单元来进行对比，得到各个单元的位移信息和位移程度，并根据每个单元的位移程度得到热点图，能够更细节化地获知被测坡面各个区域的位移情况，在一定程度上能够获知细小的位移情况，从而进一步便于进行滑坡监测。
可选的，所述得到位移单元，以及位移单元的坡度差和高程差的方法包括，
从多个所述数字高程模型中得到最早采集时间和最晚采集时间的数字高程模型，得到两个数字高程模型中各个单元的高程和坡度；以及，
获取两个数字高程模型中对应单元的坡度差和高程差，结合误差允许范围，得到位移单元。
通过采用上述技术方案，将早期的数字高程模型和后期的数字高程模型对比，得到位移信息，从包括第一位移值的位移信息能够更清晰地得到位移情况。
可选的，采集信号触发的方法包括，
获取倾角加速度计测量的关于被测坡面的第二位移值；以及，
基于位移阈值，在第二位移值大于位移阈值时，触发采集信号。
通过采用上述技术方案，根据发射脉冲激光得到热点图的过程中，可能会由于设备自身原因产生错误的值，通过第一位移值和第二位移值的对比，在一定程度上能够验证得到的热点图的准确率，而发出预警信号能够及时提醒检修人员进行检修，以提高热点图的准确性。
可选的，所述坡面位移监测方法还包括，
预警信号发出，得到第二位移值与第一位移值的位移差值，若位移差值大于位移差阈值，则发出预警信号。
通过采用上述技术方案，得到的距离数据是被测坡面浅层的数据，当被测坡面发生轻微滑动时，被测坡面的滑动极小难以察觉，根据第二位移值来得到距离数据，在被测坡面无较大的位移时，无需进行监测，能够减小获取距离数据的设备的能耗。
可选的，所述上报周期为变频周期。
第二方面，本申请提供一种基于普适型激光LIDAR的坡面位监测系统，采用如下的技术方案：
一种基于普适型激光LIDAR的坡面位监测系统，包括数据采集模块、数据处理模块和变频上报模块；
所述激光雷达模块，用于采集信号触发后，周期性向被测坡面发射脉冲激光，采集关于被测坡面的多组距离数据，并记录采集时间；
所述数据处理模块，用于基于数字化模拟方法，得到每组所述距离数据对应的数字高程模型，将上报周期内获取的所述数字高程模型以单元进行对比和处理，生成关于单元位移的热点图，并得到位移信息；
所述变频上报模块，将热点图和位移信息发送至远程监控中心；
所述位移信息包括第一位移值。
通过采用上述技术方案，周期性得到被测坡面的数字高程模型，并根据获得的数字高程模型，每隔一个上报周期得到一次关于区域位移的热点图，并将热点图发送至远程监控中心，以便于远程监控中心能够根据热点图及时获取被测山坡的滑坡情况，无需进行现场读取，在一定程度上便于进行滑坡监测，提高滑坡监测的效率。
可选的，所述坡面位移监测系统还包括控制模块和第二位移值获取模块；
所述第二位移值获取模块，获取倾角加速度计测量的关于被测坡面的第二位移值；
所述控制模块，用于基于位移阈值，在第二位移值大于位移阈值时，触发采集信号。
通过采用上述技术方案，当被测坡面有位移时，才发生脉冲激光得到距离数据，能够减少激光雷达模块的能耗，减小监测成本。
可选的，所述坡面位移监测系统还包括值守验证模块和预警模块；
所述值守验证模块，用于得到第二位移值与第一位移值的位移差值，若位移差值大于位移差阈值，则向预警模块发送预警命令；
所述预警模块，用于接收到预警命令后发出预警信号。
通过采用上述技术方案，值守验证模块能够通过比较第一位移值和第二位移值，对激光雷达模块采集距离数据的准确性和倾角加速度计的额准确性进行验证，若出现位移差值较大的情况则发出预警信号提醒检修，进一步便于进行滑坡监测。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.本申请提供的一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测方法，便于远程根据热点图及时获取被测山坡的滑坡情况，无需进行现场读取，便于进行滑坡监测；
2.热点图是关于单元位移的，从而在一定程度上能够根据热点图清楚得到被测坡面各个单元的位移情况。
附图说明
图1是本申请实施例的一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测方法的第一流程图。
图2是本申请实施例的一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测方法的第二流程图。
图3是本申请实施例的一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测方法的第三流程图。
图4是本申请实施例的本申请实施例的一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图1-图4对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测方法。参照图1，坡面位移监测方法包括数据采集101、数字高程模型生成102、热点图生成103和数据上传104：
数据采集101，采集信号触发后，周期性向被测坡面发射脉冲激光，采集关于被测坡面的多组距离数据，并记录采集时间。
作为一种实施方式，通过激光雷达即可得到被测坡面的距离数据。发射脉冲激光的周期可以是10分钟、30分钟、1个小时、12小时或24小时等任意时间长度。
数字高程模型生成102，基于数字化模拟方法，得到每组距离数据对应的数字高程模型。
一组距离数据能够得到一个数字高程模型，且所有的数字高程模型具有相同的比例尺。根据距离数据生成数字高程模型的数字化模拟方法，是生成数字高程模型中普遍的算法，不是本发明创造的发明点。
热点图生成103，将上报周期内获取的所述数字高程模型以单元进行对比和处理，生成关于单元位移的热点图，并得到位移变形信息。
其中，位移信息包括第一位移值。
上报周期为变频周期，在不同的季节或不同的被测坡面等，均可有不一样的值，如在雨季，上报周期更短，在旱季上报周期更长。如在易于滑坡的被测坡面，上报周期更短，在坚实的被测坡面，上报周期更短。
数据上传104，将热点图和位移变形信息发送至远程监控中心。
数据采集101、数字高程模型生成102和热点图生成103均在靠近被测坡面的位置进行，监测人员在远程监控中心察看热点图即可获取被测坡面的位移情况。
上述坡面位移监测方法的实施方式中，周期性得到被测坡面的数字高程模型，并根据获得的数字高程模型，每隔一个上报周期得到一次关于单元位移的热点图，并将热点图发送至远程监控中心，以便于远程监控中心能够根据热点图及时获取被测山坡的滑坡情况，无需进行现场读取，便于进行滑坡监测。
参照图2，作为采集信号触发的一种实施方式，采集信号触发的方法包括：
1011、获取倾角加速度计测量的关于被测坡面的第二位移值。
倾角加速度计埋设于被测坡面内。
需要说明的是，倾角加速度计也可以替换成位移传感器或其他能够测量滑坡位移的测量装置，一样能够测量到第二位移传感器。
1012、基于位移阈值，在第二位移值大于位移阈值时，触发采集信号。
位移阈值为预先设置的一个阈值，可以是由历史经验数据得到的值。
需要说明的是，触发采集信号后，设置有采集时长，在采集时长内，会周期性地采集距离数据，超过采集时长后，采集停止，等再次触发采集信号后才会再次采集距离数据。采集时长可以为5天、10天、一个月等等，根据需求进行设置即可。
倾角加速度计是一种可以测量微位移的检测装置，具有自动上报的功能。通过倾角加速度计来测量被测坡面的微位移，测量的第二位移值超过位移阈值之后，再采集被测坡面的距离数据，即倾角加速度计起到值守的功能，能够减小能耗，同时能够提高测量准确性。
参照图3，热点图成103的一种实施方式，热点图生成103包括：
1031、将多个数字高程模型均以相同的比例划分成N个单元，每个单元对应坡面的一个区域。
每个单元对应的区域的实际面积可以为1m*1m、1m*2m、2m*2m等等，即数字高程模型被细分成N个单元。
1032、将多个数字高程模型对应坡面同一个区域的单元进行对比，得到位移单元，以及位移单元的坡度差和高程差。
具体地，包括：
从多个数字高程模型中得到最早采集时间和最晚采集时间的数字高程模型，得到两个数字高程模型中各个单元的高程和坡度；以及，
获取两个数字高程模型中对应单元的坡度差和高程差，结合误差允许范围，得到位移单元。
数字高程模型中是一种数字模拟地形，因此从数字高程模型中能够得到某一个点位的高程和坡度。
误差允许范围包括坡度误差允许范围和高程误差允许范围，都为根据大量历史经验数据设置的范围。当坡度差位于坡度误差允许范围内时，表明未发生坡度变化，否则已发生坡度变化；当高程差位于高程误差允许范围内时，表面未发生高度变化。
对于一个区域的滑坡有以下情况：已发生滑坡，但由于更上坡的区域滑坡泥石堆积于下坡上，因此坡度已发生变化，但高度未发生变化；已发生滑坡，坡度未发生变化，但高度已发生变化；已发生滑坡，坡度与高度均已发生变化。
用最晚采集时间的数字高程模型的高程减去最早采集时间的数字高程模型的高程，得到的高程差为负值，则表明发生滑坡，且此处为泥石下滑，反之，则发生滑坡，此处堆积了下滑的泥石。而坡度差无论正负，均表明已发生滑坡。
1033、将相邻的位移单元结合得到位移轨迹，结合数字高程模型的比例尺，得到第一位移值。
需要说明的是，有位移单元相邻，则相邻的位移单元结合得到位移轨迹，若无相邻的位移单元，则单个位移单元即为一个位移轨迹。
数字高程模型的比例尺为被测坡面的实际尺寸与数字高程模型的模拟尺寸的比例，因此得到位移轨迹，再结合比例尺即可得到实际的第一位移值。
1034、根据位移单元的坡度差和/或高程差，在最晚采集时间的数字高程模型上标注警示颜色，生成热点图。
将滑坡程度划分成四个等级，分别为无滑坡、轻度滑坡、中度滑坡和重度滑坡。坡度差等级有第一坡度差、第二坡度差和第三坡度差，这三个坡度差均为预设的值。高程差等级有第一高程差、第二高程差和第三高程差，这三个高程差均为预设的值。
当某个单元的坡度差小于第一坡度差，且高程差小于第一高程差，则这个单元的滑坡程度为无滑坡；若某个单元的坡度差小于第一坡度差，高程差位于第一高程差和第二高程差之间，或坡度差位于第一坡度差和第二坡度差之间，且高程差小于第一高程差，或坡度差位于第一坡度差和第二坡度差之间，且高程差位于第一高程差和第二高程差之间，则滑坡程度为轻度滑坡；若某个单元的坡度差位于第二坡度差和第三坡度差之间，且高程差位于第二高程差和第三高程差之间，或坡度差小于第二坡度差，但且高程差位于第二高程差和第三高程差之间，或坡度差位于第二坡度差和第三坡度差之间，且高程差小于第二高程差，则为中度滑坡；若某个单元的高程差大于第三高程差和/或坡度差大于第三坡度差，则为重度滑坡。
以绿色、黄色、橙色和红色为例，若单元的滑坡程度为无滑坡，则该单元标注为绿色，若单元的滑坡程度为轻度滑坡，则标注为黄色，若单元的滑坡程度为中度滑坡，则标注为橙色，若单元的滑坡程度为重度滑坡，则标注为红色。
参照图1，作为坡面位移方法的进一步实施方式，坡面位移监测方法还包括预警信号发出105。
预警信号发出105，得到第二位移值与第一位移值的位移差值，若位移差值大于位移差阈值，则发出预警信号。
位移差阈值为预先设置的值，若位移差值小于位移差阈值，则表明倾角加速度计无故障，且获取第一位移值和热点图的过程中所使用的设备也无故障，反之，则均有可能出现故障。
本申请实施例公开一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测系统，参照图，包括数据采集模块、数据处理模块和变频上报模块；
数据采集模块，用于采集信号触发后，周期性向被测坡面发射脉冲激光，采集关于被测坡面的多组距离数据，并记录采集时间；
数据处理模块，用于基于数字化模拟方法，得到每组距离数据对应的数字高程模型，将上报周期内获取的数字高程模型以单元进行对比和处理，生成关于单元位移的热点图，并得到位移变形信息；
变频上报模块，将热点图和位移变形信息发送至远程监控中心；
位移变形信息包括第一位移值。
作为数据采集模块的一种实施方式，数据采集模块包括激光雷达、输入输出信号控制板、计时器、微型电脑、嵌入式电脑或单板型电脑、可编程逻辑控制器以及有线或无线数据传输装置。
作为数据处理模块的一种实施方式，数据处理模块包括输入输出信号控制板、微型电脑、嵌入式电脑或单板型电脑、可编程逻辑控制器以及有线或无线数据传输装置。
根据变频上报模块的一种实施方式，变频上报模块包括输入输出信号控制板、有线或无线数据传输装置。
参照图4，作为坡面位移监测系统的进一步实施方式，还包括控制模块、第二位移值获取模块、值守验证模块和预警模块；
第二位移值获取模块，获取倾角加速度计测量的关于被测坡面的第二位移值；
控制模块，用于基于位移阈值，在第二位移值大于位移阈值时，触发采集信号。
值守验证模块，用于得到第二位移值与第一位移值的位移差值，若位移差值大于位移差阈值，则向预警模块发送预警命令；
预警模块，用于接收到预警命令后发出预警信号。
作为第二位移值获取模块的一种实施方式，第二位移值获取模块包括输入输出信号控制板、可编程逻辑控制器以及有线或无线数据传输装置。
作为控制模块的一种实施方式，控制模块包括输入输出信号控制板、微型电脑、嵌入式电脑或单板型电脑、可编程逻辑控制器以及有线或无线数据传输装置。
作为预警模块的一种实施方式，预警模块包括输入输出信号控制板、微型电脑、可编程逻辑控制器以及有线或无线数据传输装置。
需要说明的是，本申请实施例提供的一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测系统与一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测方法为同一发明构思，即一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测系统实现上述任一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测方法。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行距离说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于普适型激光LIDAR的坡面位移监测方法，其特征在于：包括，
数据采集(101)，采集信号触发后，周期性向被测坡面发射脉冲激光，采集关于被测坡面的多组距离数据，并记录采集时间；
数字高程模型生成(102)，基于数字化模拟方法，得到每组所述距离数据对应的数字高程模型；
热点图生成(103)，将上报周期内获取的所述数字高程模型以单元进行对比和处理，生成关于单元位移的热点图，并得到位移信息，所述位移信息包括第一位移值；以及，
数据上传(104)，将热点图和位移信息发送至远程监控中心。
2.根据权利要求1所述的坡面位移监测方法，其特征在于：所述热点图生成(103)的方法包括，
将多个所述数字高程模型均以相同的比例划分成N个单元，每个单元对应坡面的一个区域；
将多个所述数字高程模型对应坡面同一个区域的单元进行对比，得到位移单元，以及位移单元的坡度差和高程差；
将相邻的位移单元结合得到位移轨迹，结合所述数字高程模型的比例尺，得到第一位移值；以及，
根据所述位移单元的坡度差和/或高程差，在最晚采集时间的数字高程模型上标注警示颜色，生成热点图。
3.根据权利要求2所述的坡面位移监测方法，其特征在于： 所述得到位移单元，以及位移单元的坡度差和高程差的方法包括，
从多个所述数字高程模型中得到最早采集时间和最晚采集时间的数字高程模型，得到两个数字高程模型中各个单元的高程和坡度；以及，
获取两个数字高程模型中对应单元的坡度差和高程差，结合误差允许范围，得到位移单元。
4.根据权利要求1至3任一项所述的坡面位移监测方法，其特征在于：所述采集信号触发的方法包括，
获取倾角加速度计测量的关于被测坡面的第二位移值；以及，
基于位移阈值，在第二位移值大于位移阈值时，触发采集信号。
5.根据权利要求4所述的坡面位移监测方法，其特征在于：所述坡面位移监测方法还包括，
预警信号发出(105)，得到第二位移值与第一位移值的位移差值，若位移差值大于位移差阈值，则发出预警信号。
6.根据权利要求1所述的坡面位移监测方法，其特征在于：所述上报周期为变频周期。
7.一种基于普适型激光LIDAR的坡面位监测系统，其特征在于：包括数据采集模块、数据处理模块和变频上报模块；
所述激光雷达模块，用于采集信号触发后，周期性向被测坡面发射脉冲激光，采集关于被测坡面的多组距离数据，并记录采集时间；
所述数据处理模块，用于基于数字化模拟方法，得到每组所述距离数据对应的数字高程模型，将上报周期内获取的所述数字高程模型以单元进行对比和处理，生成关于单元位移的热点图，并得到位移信息；
所述变频上报模块，将热点图和位移信息发送至远程监控中心；
所述位移信息包括第一位移值。
8.根据权利要求8所述的坡面位移监测系统，其特征在于：所述坡面位移监测系统还包括控制模块和第二位移值获取模块；
所述第二位移值获取模块，获取倾角加速度计测量的关于被测坡面的第二位移值；
所述控制模块，用于基于位移阈值，在第二位移值大于位移阈值时，触发采集信号。
9.根据权利要求8所述的坡面位移监测方法，其特征在于：所述坡面位移监测系统还包括值守验证模块和预警模块；
所述值守验证模块，用于得到第二位移值与第一位移值的位移差值，若位移差值大于位移差阈值，则向预警模块发送预警命令；
所述预警模块，用于接收到预警命令后发出预警信号。
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CN111142128A (zh) * 2018-11-02 2020-05-12 千寻位置网络有限公司 导航完好性的监测方法及装置、无人机
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