CN113432575B - 一种检测墙体鼓包形变的方法、测量机器人及存储介质 - Google Patents

一种检测墙体鼓包形变的方法、测量机器人及存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种检测墙体鼓包形变的方法、测量机器人及存储介质，其中该方法包括：测量机器人获取预先确定的监测点阵格网的参数，其中，监测点阵格网包括墙体范围内的多个格网点，参数包括每个格网点在测量机器人的极坐标系下的水平角和竖直角；测量机器人根据监测点阵格网的参数进行无棱镜测距，测量各个格网点的距离观测值；测量机器人根据预先确定的墙体空间坐标系中墙体平面的法向量参数，将各个格网点的距离观测值投影到墙体空间坐标系中墙体平面的法向量上，得到各个格网点沿垂直墙体方向的鼓包量。通过本申请，实现了对墙体鼓包形变进行无接触测量，在不对墙体损伤的同时，保证变形监测的精度。并且，利用测量机器人实现了长期检测。

Description

一种检测墙体鼓包形变的方法、测量机器人及存储介质
技术领域
本申请涉及墙体形变检测技术领域，尤其涉及一种检测墙体鼓包形变的方法、测量机器人及存储介质。
背景技术
城墙大多为夯土外包砖石的结构，在风雨等自然因素以及周边人类活动的影响下，墙体结构会产生损伤病害。城墙鼓包是墙体结构受损的显著特征之一，且鼓包对古城墙体的损伤极大，主要由温度、降雨等因素作用引起。表现为墙体的局部结构产生向墙体外鼓胀的现象，严重的城墙鼓包会导致墙面悬空甚至墙体坍塌，产生严重的安全隐患以及无法弥补的文化遗产损失。需要对城墙进行长期的监测，保证墙体的健康。而古城墙又因为其建筑性质的特殊性，监测时不能对墙体和结构造成损伤，这则需要无接触的测量方式，从而保证不对古城墙体造成二次伤害。
相关技术中，必须在监测点放置反射棱镜，无法满足城墙监测保护的无接触测量需求。此外，城墙需要周期性的长期监测数据，相关技术中依靠人工效率较低且无法实现长期、自动监测。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种检测墙体鼓包形变的方法、测量机器人及存储介质。
第一方面，本申请提供了一种检测墙体鼓包形变的方法，包括：测量机器人获取预先确定的监测点阵格网的参数，其中，监测点阵格网包括墙体范围内的多个格网点，参数包括每个格网点在测量机器人的极坐标系下的水平角和竖直角；测量机器人根据监测点阵格网的参数进行无棱镜测距，测量各个格网点的距离观测值；测量机器人根据预先确定的墙体空间坐标系中墙体平面的法向量参数，将各个格网点的距离观测值投影到墙体空间坐标系中墙体平面的法向量上，得到各个格网点沿垂直墙体方向的鼓包量。
在某些实施例中，测量机器人根据监测点阵格网的参数进行无棱镜测距，测量各个格网点的距离观测值，包括：测量机器人根据监测点阵格网的参数进行多次无棱镜测距，以各个格网点多次测量的平均值作为其的距离观测值。
在某些实施例中，上述多个格网点为等间距的。
第二方面，本申请提供了一种测量机器人，该测量机器人包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；计算机程序被处理器执行时实现上述检测墙体鼓包形变的方法的步骤。
第三方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有检测墙体鼓包形变的程序，检测墙体鼓包形变的程序被处理器执行时实现上述检测墙体鼓包形变的方法的步骤。
第四方面，本申请提供了一种使用测量机器人检测墙体鼓包形变的方法，包括：在墙体附近设置测量机器人，并确定测量机器人的中心坐标；建立墙体空间坐标系，并确定墙体空间坐标系中墙体平面的法向量参数，在墙体范围内内插出墙体空间坐标系下的多个格网点的三维坐标，得到监测点阵格网；根据各个格网点的三维坐标和测量机器人的中心坐标，确定各个格网点在测量机器人极坐标系下的竖直角和水平角，得到监测点阵格网的参数；将监测点阵格网的参数和法向量参数提供给上述测量机器人，由上述测量机器人按照上述方法确定各个格网点沿垂直墙体方向的鼓包量。
在某些实施例中，在墙体附近设置测量机器人，包括：在墙体附近选取稳定位置，在稳定位置布设三个基准点；建立强制归心装置，测定三个基准点的坐标；在三个基准点中的一个基准点设置测量机器人，将另外两个基准点作为定向点和检查点。
在某些实施例中，建立墙体空间坐标系，包括：以测量机器人视场内三个角点中的一点为墙体空间坐标系的原点O，沿墙体横向为Y轴，沿墙体纵向为X轴，垂直于墙体向外为Z轴，建立墙体空间坐标系。
在某些实施例中，由上述测量机器人按照预设时间间隔多次测量各个格网点的鼓包量。
在某些实施例中，上述多个格网点是等间距的。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本申请实施例提供的该技术方案，实现了对墙体鼓包形变进行无接触测量，在不对墙体损伤的同时，保证变形监测的精度。并且，利用测量机器人实现了长期检测。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中提供的使用测量机器人检测墙体鼓包形变的方法一种实施方式的流程图；
图2为本申请实施例提供的基准点一种实施方式的示意图；
图3为本申请实施例提供的墙体空间坐标系一种实施方式的示意图；
图4为本申请实施例提供的视场范围一种实施方式的意图；
图5为本申请实施例提供的测量机器人检测墙体鼓包形变的方法一种实施方式的流程图；
图6为本申请实施例提供的测量机器人一种实施方式的硬件结构示意图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
本申请实施例中，测量机器人也称为自动全站仪，是一种集自动目标识别、自动照准、自动测角与测距、自动目标跟踪、自动记录于一体的测量平台。利用计算机软件实现测量过程、数据记录、数据处理和报表输出的自动化，从而在一定程度上实现了监测自动化和一体化。
图1为本申请实施例中提供的使用测量机器人检测墙体鼓包形变的方法一种实施方式的流程图，如图1所示，该方法包括步骤S102至步骤S110。
步骤S102，在墙体附近设置测量机器人，并确定测量机器人的中心坐标。
步骤S104，建立墙体空间坐标系，并确定墙体空间坐标系中墙体平面的法向量参数，在墙体范围内内插出墙体空间坐标系下的多个格网点的三维坐标，得到监测点阵格网。
步骤S106，根据各个格网点的三维坐标和测量机器人的中心坐标，确定各个格网点在测量机器人极坐标系下的竖直角和水平角，得到监测点阵格网的参数。
步骤S108，将监测点阵格网的参数和法向量参数提供给上述测量机器人。
步骤S110，由上述测量机器人确定各个格网点沿垂直墙体方向的鼓包量。
如图2所示，上述步骤S102中，在墙体附近选取稳定位置，在稳定位置布设三个基准点，如图2所示为基准点1、2和3。建立强制归心装置，使用强制归心装置测定三个基准点的坐标。在三个基准点中的一个基准点设置测量机器人，在图2中示出为基准点1，将另外两个基准点作为定向点和检查点，在图2中示出为基准点2和3。定向点设置为置零度盘，检查点设置为检验并保证基准稳定性。
如图3所示，上述步骤S104中，以测量机器人视场内三个角点中的一点为墙体空间坐标系的原点O，沿墙体横向为Y轴，沿墙体纵向为X轴，垂直于墙体向外为Z轴，建立墙体空间坐标系。其中，XOY平面为墙体平面，Z轴方向为垂直于墙体的法向量方向。
如图4所示，上述步骤S104中，使用测量机器人照准墙体的四个角，确定测量机器人的水平角范围和竖直角范围，如图3所示，以视场内左下方的一点为原点O。
为了对墙体进行长期监测，由测量机器人按照预设时间间隔多次测量各个格网点的鼓包量。根据格网点多次测量的鼓包量的变化，分析格网点是否出现鼓包形变。
在某些实施例中，上述多个格网点是等间距的。
图5为本申请实施例提供的测量机器人检测墙体鼓包形变的方法一种实施方式的流程图，如图5所示，该方法包括步骤S502至步骤S506。
步骤S502，测量机器人获取预先确定的监测点阵格网的参数，其中，监测点阵格网包括墙体范围内的多个格网点，参数包括每个格网点在测量机器人的极坐标系下的水平角和竖直角。
步骤S504，测量机器人根据监测点阵格网的参数进行无棱镜测距，测量各个格网点的距离观测值。
步骤S506，测量机器人根据预先确定的墙体空间坐标系中墙体平面的法向量参数，将各个格网点的距离观测值投影到墙体空间坐标系中墙体平面的法向量上，得到各个格网点沿垂直墙体方向的鼓包量。
在某些实施例中，上述步骤S504中，测量机器人根据监测点阵格网的参数进行多次无棱镜测距，以各个格网点多次测量的平均值作为其的距离观测值。
在某些实施例中，上述多个格网点为等间距的，但本申请实施例并不限于此。
本实施例还提供一种测量机器人。本实施例的测量机器人20至少包括但不限于：可通过系统总线相互通信连接的存储器21、处理器22，如图6所示，其他组件参见公知技术。需要指出的是，图6仅示出了具有组件21-22的测量机器人20，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
本实施例中，存储器21(即可读存储介质)包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，存储器21可以是测量机器人20的内部存储单元，例如该测量机器人20的硬盘或内存。在另一些实施例中，存储器21也可以是测量机器人20的外部存储设备，例如该测量机器人20上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。当然，存储器21还可以既包括测量机器人20的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中，存储器21通常用于存储安装于测量机器人20的各类软件，例如检测墙体鼓包形变的方法的程序代码等。此外，存储器21还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。
处理器22在一些实施例中可以是中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、控制器、微控制器、微处理器、或其他数据处理芯片。该处理器22通常用于控制测量机器人20的总体操作。本实施例中，处理器22用于运行存储器21中存储的程序代码或者处理数据，例如运行检测墙体鼓包形变的方法。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，如闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘、服务器、App应用商城等等，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现相应功能。本实施例的计算机可读存储介质用于存储检测墙体鼓包形变的方法的程序代码，被处理器执行时实现检测墙体鼓包形变的方法。
下面以古城墙检测为例，对本申请实施例的一个示例进行描述。
在该示例中，将测量机器人放置在监测位置强制对中装置上，以稳定的强制对中已知控制点作为后视定向点，后方交会计算设站点测量机器人的中心坐标。人工置零度盘并确定待监测城墙整体在以测量机器人中心的坐标系原点的极坐标系中的水平角范围和竖直角范围。根据两个范围建立一定间隔的虚拟的监测点阵格网，并确定每个格网点的水平角与竖直角。
将各个格网点的极坐标角度参数输入到测量机器人的监测系统中，设定一定的测量间隔周期。采用无棱镜测量模式，获取得到每个极坐标角度参数所确定的视线与城墙体的交点的测距信息。由此得出城墙上的各个监测点的坐标值。如果城墙某部分产生鼓包，则鼓包区域内的监测点会产生位移，造成某些极坐标参数对应的监测点的测距值产生变化，从而得出墙体鼓包的位置和范围。
在该示例中，包括以下过程：
1.建立地面监测基准
在古城墙周围，选取合适的稳定位置布设3个控制点作为城墙监测基准点，建立强制归心装置，精确测定三个基准点的坐标，建立古城墙鼓包监测基准控制网。三个基准点分别做放置测量机器人的测站点、置零度盘的定向点以及检验并保证基准稳定性的检查点使用，将该测站坐标系作为测量坐标系。
2.建立古城墙监测网络
使用测量机器人瞄准城墙四个角点，确定城墙在测站点极坐标系下的竖直角与水平角范围。根据四个角点中的三个稳定的点建立墙体空间坐标系统和监测点阵格网。
以视场内城墙下方的点作为墙体空间坐标系统的原点O，沿城墙横向为Y轴，沿城墙纵向为X轴，垂直与城墙向外为Z轴，建立墙体空间坐标系，并得到其中XOY平面的法向量参数用于后续鼓包量的计算。根据上述四个角点中三个点的大地测量坐标，根据坐标转换计算公式得到墙体空间坐标系统与测量坐标系统的转换参数：
式中：(Xi,Yi,Zi)为墙体空间坐标；(Xj,Yj,Zj)为测量坐标；(TX,TY,TZ)为原点O平移参数；其中R是旋转角的函数。
建立监测点阵格网，根据待监测城墙规模，监测精细程度等，人为确定监测点之间的间隔。在墙体空间坐标系的城墙范围内，内插出等间隔的格网点的三维坐标。再根据格网点的坐标与测量机器人的中心坐标，计算出每个格网点的竖直角和坐标方位角。而后根据测量机器人与定向点定向采用的度盘参数将坐标方位角转换为极坐标系下的水平角。由此建立了测站点和监测点阵格网的参数，即水平角和竖直角。
3.首次测量
将计算出的水平角、竖直角植入测量机器人内部。测量机器人根据植入的参数采用无棱镜测量模式，依靠步进马达自动逐点测量距离，得出格网点的坐标，按同样的顺序，测量2次，取平均作为首次测量坐标。
4.鼓包检测
每隔一段时间，采用与首次测量同样的方法和参数，利用测量机器人极坐标法，根据点阵的各点水平角与竖直角参数进行测量，测定点阵各点的距离观测值。同一监测点距离测量值的变化，即代表着该监测点的视线方向与城墙墙体的交点发生了变化，综合点阵中各监测点的位移与视线方向，再将距离观测值投影到墙体空间坐标系中XOY平面的法向量上，就得到了城墙沿垂直墙体方向的各点鼓包量。
通过该示例，在城墙检测范围内，选取适合的位置布设3个控制点作为基准点，做强制归心装置，采用自由设站精确测量三个基准点的坐标，建立监测系统与测量坐标系；将测量机器人放置在合适的基准点上，瞄准城墙的四个角点，得到城墙在监测极坐标系下的水平角范围和竖直角范围。根据城墙的实际情况设定监测点阵的角度间隔，建立城建鼓包测量点阵，得到点阵中每个点对应的水平角与竖直角，输入到测量机器人内置的自动监测程序中。自动瞄准监测点，逐个进行测量记录首次测量坐标，周期性观测监测点阵，评估空间平面的变形情况。本申请能对古城墙鼓包进行无接触测量，不会对古城墙损伤的同时，保证变形监测的精度。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。

Claims (5)

1.一种检测墙体鼓包形变的方法，其特征在于，包括：
测定三个基准点的坐标，在三个基准点中的一个基准点设置测量机器人，另外两个基准点作为定向点和检查点，定向点设置为置零度盘；
以所述墙体的在测量机器人视场内三个角点中的一点为墙体空间坐标系的原点O，沿墙体横向为Y轴，沿墙体纵向为X轴，垂直于墙体向外为Z轴，建立墙体空间坐标系，其中，XOY平面为墙体平面，Z轴方向为垂直于墙体的法向量方向；
在墙体空间坐标系的墙体范围内，内插出等间隔的格网点的三维坐标，
再根据格网点的坐标与测量机器人的中心坐标，计算出每个格网点的竖直角和坐标方位角，
根据测量机器人与定向点定向采用的度盘参数将坐标方位角转换为极坐标系下的水平角，由此建立监测点阵格网的参数，即水平角和竖直角，
所述测量机器人根据所述监测点阵格网的水平角和竖直角参数进行无棱镜测距，测量各个格网点的距离观测值；
综合点阵中各监测点的位移与视线方向，再将距离观测值位移投影到墙体空间坐标系中XOY平面的法向量上，就得到了沿垂直墙体方向的各点鼓包量，
所述测量机器人按照预设时间间隔多次测量各个格网点的鼓包量，以根据各格网点多次测量的鼓包量的变化，分析格网点是否出现鼓包形变。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量机器人根据所述监测点阵格网的参数进行无棱镜测距，测量各个格网点的距离观测值，包括：
所述测量机器人根据所述监测点阵格网的参数进行多次无棱镜测距，以各个格网点多次测量的平均值作为其的距离观测值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多个格网点为等间距的。
4.一种测量机器人，其特征在于，所述测量机器人包括：
存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序；
所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至3中任一项所述的方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有检测墙体鼓包形变的程序，所述检测墙体鼓包形变的程序被处理器执行时实现如权利要求1至3中任一项所述的检测墙体鼓包形变的方法的步骤。
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