CN113446943B - 一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置和系统，装置包括盒体(立方体结构，上底板、前侧板和右侧板的内表面上设有网格标记)以及位于盒体内的球形轴承(外圈与盒体固定连接，内圈为球体且设有圆柱形通孔，圆柱形通孔的中心轴过内圈的中心，且垂直于水平面)、三个照相机(镜头分别面向上底板、前侧板和右侧板，且中轴线与其面对的板相互垂直；位于圆柱形通孔的上方，且与球形轴承的内圈固定连接；各与一根电源线和一根传输线连接)和平衡秤砣(位于圆柱形通孔的下方，且与球形轴承的内圈固定连接)；系统包括两个以上装置，以装置中的盒体为节点进行铺设形成的三维空间网格。本发明的装置和系统可有效监测岩土体内空间位移。

Description

一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置和系统

技术领域

本发明属于土木工程中岩土体位移监测与感知技术领域，涉及一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置和系统，特别涉及一种监测和感知在外部荷载或环境作用下土体内整体位移及其变化趋势的装置。

背景技术

近年以来，国家经济快速发展，对西部地区的经济发展非常重视，对西部地区的交通基础设施建设的投资也越来越多。西部地区山区较多，起伏较大，修建高速公路、桥梁、隧道等难度较大，成本较高。山区时常发生一些自然灾害，边坡在雨水冲刷下发生滑移，或发生地震对一些边坡造成冲击影响，造成边坡失稳滑移，造成较大的自然灾害。当前国内并没有展开过多对边坡灾害的预警工作，很多复杂地质实际上会经常遇到泥石流、滑坡、崩塌一类的灾害问题，给过往车辆造成损伤，给人们群众生命财产安全造成巨大的威胁，及时准确地掌握边坡稳定情况，提前发出灾害预警是保障边坡安全，最大限度地减少边坡滑塌造成的财产损失和人员伤亡的有效措施，就是对边坡变形进行监测。当然不仅仅是边坡这一类问题需要监测，现实生活中有许多问题都需要监测装置，比如隧道内部土体的变形，公路地基土体的变形，以及基坑的变形等，对于这些在土体或者岩石内部的土体变形，现在国内还没有较为成熟的技术，来解决这一问题。众所周知，各类岩土及地下工程灾害的发生，首先是从土体内部变形开始，这些土体内部的初始破坏状态仅凭外部位移监测装置很难即时发现，这使得边坡、滑坡等工程地质灾害的预警监测及预报滞后，从而导致更大的人员及财产损失。如能更早的从岩土体内部获得土体的位移及其变化趋势，将会争取到更多的时间，对地质灾害的发生进行提前的预判，以避免或减少地质灾害造成的人民生命及财产损失。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷和不足，提供一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置和系统。本发明将三个照相机安装在盒体内，通过照相机拍摄记录并传输盒体内部盒体转动的真实画面，即土体内部受外荷载发生的变化，利用图像监测快速有效地计算土体内部一点的位移及其变化趋势，通过土体内部空间布置多个测点，再基于多测点的位移监测数据的综合计算与分析，以预测岩土体内部不同区域的位移状态及相对运动趋势，提前对岩土体可能发生地质灾害的区域和规模进行预判，从而达到预防地质灾害的目的。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，包括盒体以及位于盒体内的球形轴承、三个照相机和平衡秤砣；盒体本身需要具有很高的强度及密封性，以有效地保护装置内部设备，保证该装置适应各种极其恶劣的环境条件；

盒体为立方体结构(其它形状会使实验数据收集及计算更复杂，在不考虑复杂程度的前提下也可将盒体设计为其它形状)，由上底板、下底板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板组成，上底板、前侧板和右侧板的内表面上设有网格标记；

球形轴承的外圈与盒体固定连接，内圈为球体且设有圆柱形通孔，圆柱形通孔的中心轴过内圈的中心，且垂直于水平面；

三个照相机的镜头分别面向上底板、前侧板和右侧板；各个照相机的镜头的中轴线与该照相机面对的板相互垂直(满足该条件才可以容易确定初始三维坐标中心，依此为参照，更容易对记录数据进行分析，实验过程中可能会产生微小误差，可忽略不计)；

三个照相机位于圆柱形通孔的上方，且与球形轴承的内圈固定连接；三个照相机各与一根电源线和一根传输线连接，通过电源线提供电能，通过传输线传输信号到终端(即数据处理中心)；三个照相机可时刻记录盒体发生的转动，即土体内一点的空间位移及其变化趋势；

平衡秤砣位于圆柱形通孔的下方，且与球形轴承的内圈固定连接，用于使照相机在竖直方向保持不变；

现有技术的球形轴承中内圈可绕外圈360度旋转，但在本发明中，因内圈与平衡秤砣固定连接，所以不可能360度旋转，可绕竖直方向在一定范围内旋转，旋转时外圈不能触及系绳(用于连接平衡秤砣与内圈)和三个照相机，以免影响记录数据，旋转范围为以外圈水平中心方向为起点向竖直方向运动0～45度范围内，实验数据更加可靠；

在本发明中，是否应该设置内圈无法绕水平方向在一定范围内旋转以保证三个照相机的镜头始终分别面向上底板、前侧板和右侧板无需过多考虑，因为本发明的监测过程发生在边坡土体内部的初始小变形阶段，此时监测装置在土体内部不会发生较大的转动或平行移动，也不会产生水平或竖向产生的加速度，特别是在水平方向不会产生惯性力(或者可以忽略不计的惯性力)，就不会发生装置内圈和外圈的在水平面内的相对转动，即可保证三个照相机的镜头始终分别面向上底板、前侧板和右侧板。在实际的制作过程中，可以选择合适的材料及润滑措施，调整内外圈的摩擦系数，控制平衡秤砣重量，利用内、外圈间产生的摩擦力，使内圈在水平方向较小作用力下也不能旋转。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，上底板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板连接形成盖体，盖体透明以利于光线进入盒体内部，保证照相机能够正常工作。

如上所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，下底板的边缘沿厚度方向向上延伸形成连接板，连接板与盖体通过螺栓连接，螺栓的杆部套有密封垫圈，密封垫圈位于螺栓的头部与连接板之间，起密封作用，防止地下水或雨水的渗透。

如上所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，球形轴承的外圈与下底板固定连接，球形轴承的外圈的中心轴与下底板相互垂直。

如上所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，球形轴承的外圈与下底板通过多根轴承杆固定连接，轴承杆与下底板可采用焊接的方式连接，轴承杆与球形轴承的外圈也可采用焊接的方式连接。

如上所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，圆柱形通孔的半径为内圈半径的1/3～2/3。

如上所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，三个照相机与球形轴承的内圈通过支撑圆板固定连接；支撑圆板水平固定在球形轴承的内圈的圆柱形通孔内，三个照相机同时与支撑圆板连接。

如上所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，平衡秤砣与球形轴承的内圈通过十字架固定连接；十字架水平固定在球形轴承的内圈的圆柱形通孔内，且十字架与球形轴承的内圈的中心重合，平衡秤砣与十字架的中心连接；支撑圆板位于十字架的上方。

如上所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，还包括位于盒体内的照明装置；照明装置可以为LED灯等等，使装置位于黑暗中也可正常运行。

本发明还提供采用如上任一项所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测系统，包括两个以上基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，基于图像识别的岩土体内空间位移监测系统为以基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置中的盒体为节点进行铺设形成的三维空间网格；

三维空间网格为立方体结构，以便于计算，实际还可根据边坡地形及实际工程需要采集特定区域的监测数据，三维空间网格的长度方向平行于三维边坡的长度方向，宽度方向平行于三维边坡的宽度方向，高度方向平行于三维边坡的高度方向，节点设置过密浪费，过疏达不到实验效果，节点所形成的三维空间网格，要依据边坡的长度、宽度和高度选取合适的距离进行铺设，沿长度方向相邻两节点之间的距离占三维边坡长度的3％～10％，沿宽度方向相邻两节点之间的距离占三维边坡宽度的3％～10％，沿高度方向相邻两节点之间的距离占三维边坡高度的3％～10％，在不考虑成本的情况下，装置布设越密越好；

在理想情况下，所述铺设为等距离铺设，即三维空间网格中沿长度方向任意相邻两节点之间的距离相等，沿宽度方向任意相邻两节点之间的距离相等，沿高度方向任意相邻两节点之间的距离相等，在实际情况下，可根据边坡形状选择合适的距离进行铺设，使得收集数据更加全面具体。

发明原理：

本发明的装置在使用时，整个盒体都埋于土体内部时，当岩土土体受外部荷载或自身重力影响下，内部土体会位移的变化，这时盒体也会随着发生转动，而照相机在平衡秤砣和球形轴承的作用下，在竖直方向保持不变，清晰记录带有标记盒体转动的过程，将拍下的照片，适时地通过无线传输到数据处理中心，对图片进行处理，从而确定土体内一点的位移及其变化趋势。

本发明涉及的图像识别技术为现有技术，利用卷积神经网格对原始图像进行特征提取，利用光流法通过选取具有代表性的特征点之后通过优化算法，计算出当前特征点在下一帧图像中的位置，之后使用一定的滤波方法，清除位置不变的特征点，既可得到跟踪得到的点。该系统以普通摄像头采集的图像为信息来源，针对机器视觉的动态特征领域，实现对多目标的速度估算及轨迹跟踪，能分析出多个目标当前以及历史的运动状态，进而可分析出盒体网格标记每点的变形或运动响应趋势，对三个平面中每点的运动状态形成的空间云点集合进而分析，从而确定盒体整体的运动状态，即盒体所代表的土体内一点的位移及其变化趋势。以上所述仅仅只是将现有的图像识别技术运用到岩土体内空间位移监测装置中，提供可行性的技术方向，具体实施技术可在后续实验过程中进行改进、调整，优化监测装置。

本发明的系统为以装置中的盒体为节点进行铺设形成的三维空间网格，按上述过程得到每个盒体对应的位移后，以实测数据为依据，与理论计算结果进行对比，逆向修正理论计算输入参数，使得理论计算结果与实际数据基本一致，再根据修正后的理论计算参数计算当前边坡岩土内部的应力及位移等，随时监测，随时分析，达到动态预测边坡岩土内部应力及位移变化状态。需要说明的是：本发明监测装置布置的数量越多，网格越密，结果更精确。但实际工程中，考虑到成本问题，不可能全方位布置大量的监测装置。一般仅选取一些关键区域进行布置，在获得局部区域的实测位移状态后，对理论计算参数的修正，从而实现整体区域内的岩土体应力及位移预测分析。与本发明相关的计算方法，可参考申请号为2020111755829、名称为“一种基于应力矢量的三维边坡稳定性评价方法”的中国发明专利，该发明中提出一种基于将应力场网格化的三维边坡稳定性分析方法，其中应力场数据的来源有两种渠道：一、通过数值模拟得到；二、通过现场监测的方法获得。本发明的主要作用是实现通过第二种方式获取边坡岩土体应力和位移数据。本发明中的盒体布置点对应上述参考专利的搜索网格中心点，其监测数据代表搜索网格中心点的位移。通过本发明获得的位移数据一方面可以直接应用于参考专利中边坡局部区域的稳定性评价，具体为：

潜在破坏单元的判别条件如下：

H≥[H]；

式中，U表示搜索网格中心点的位移；[H]表示搜索网格中心点对应的允许位移；

当搜索网格中心点的位移大于等于允许位移时，即认为该搜索网格产生滑移破坏，将所有判定为产生滑移破坏的搜索网格连成一体，即可形成空间滑移面，从而评价边坡稳定性，该允许位移值可根据实际工程安全控制需求，或者基于地基承载力、沉降等现场试验相关曲线获得变形控制指标；

另一方面，可以用来修正数值模拟(第一种数据来源)的计算参数，经过反复修正可以使数值计算结果与实测数据一致。此过程相当于依据局部监测数据，通过间接手段获得更多与实测相符的应力场及位移场数据，从而实现相对准确的边坡整体或局部安全系数的计算与稳定性评价。

有益效果：

(1)本发明的基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置和系统体积小，监测效率高，受外部环境影响较小；

(2)本发明的基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置和系统成本相对较低，对岩土体内部的细微变化都可监测，能实时传输土体变形图像和土体内部位移变化趋势。监测数据发挥预警作用，对地质灾害的发生进行提前的预判，以避免或减少自然灾害造成的损失；

(3)本发明的基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置和系统安装操作简单，能适应多种不同的环境，使用范围广，具有良好的拓展前景。

附图说明

图1为本发明的基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置的示意图；

图2为本发明的基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置的正视图；

图3为本发明的基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置的俯视图；

图4为本发明的基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置在盒体转动下的几何关系示意图(转动角度为α)；

图5～7为盒体在不同状态时照相机拍摄到的图像；

图8为本发明的基于图像识别的岩土体内空间位移监测系统的示意图；

其中，1-盖体，2-下底板，3-轴承杆，4-照相机，5-支撑圆板，6-球形轴承，7-平衡秤砣，8-十字架，9-螺栓，10-密封垫圈，11-照明装置，12-盒体，13-传输线，14-传输器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，如图1～7所示包括盒体以及位于盒体内的球形轴承6、三个照相机4、平衡秤砣7和照明装置11；

盒体为立方体结构，由上底板、下底板2、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板组成，上底板、前侧板和右侧板的内表面上设有网格标记；其中，上底板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板连接形成盖体1，盖体1透明；下底板2的边缘沿厚度方向向上延伸形成连接板，连接板与盖体1通过螺栓9连接，螺栓9的杆部套有密封垫圈10，密封垫圈10位于螺栓9的头部与连接板之间，起密封作用，防止地下水或雨水的渗透；

球形轴承6的外圈与下底板2通过多根轴承杆3采用焊接的方式固定连接，球形轴承6的外圈的中心轴与下底板2相互垂直；球形轴承6的内圈为球体且设有圆柱形通孔，圆柱形通孔的半径为内圈半径的2/3，圆柱形通孔的中心轴过内圈的中心，且垂直于水平面；

三个照相机4位于圆柱形通孔的上方，且与球形轴承6的内圈通过支撑圆板5固定连接；具体的固定连接关系为：支撑圆板5水平固定在球形轴承6的内圈的圆柱形通孔内，三个照相机4同时与支撑圆板5连接；

三个照相机4的镜头分别面向上底板、前侧板和右侧板；各个照相机4的镜头的中轴线与该照相机4面对的板相互垂直；三个照相机4各与一根电源线和一根传输线13连接，通过电源线提供电能，通过传输线13传输信号到终端(即数据处理中心)；三个照相机4可时刻记录盒体发生的转动，即土体内一点的位移及其变化趋势；

平衡秤砣7位于圆柱形通孔的下方，且与球形轴承6的内圈通过十字架8固定连接(十字架8水平固定在球形轴承6的内圈的圆柱形通孔内，且十字架8与球形轴承6的内圈的中心重合，平衡秤砣7与十字架8的中心连接)，用于使照相机4在竖直方向保持不变；球形轴承6的旋转范围为以外圈水平中心方向为起点向竖直方向运动0～45度范围内，实验数据更加可靠；

支撑圆板5位于十字架8的上方。

如图8所示，采用如上所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测系统，包括两个以上基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置(其与传输器14连接)，基于图像识别的岩土体内空间位移监测系统为以基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置中的盒体12为节点进行铺设形成的三维空间网格；

三维空间网格的长度方向平行于三维边坡的长度方向，宽度方向平行于三维边坡的宽度方向，高度方向平行于三维边坡的高度方向，节点设置过密浪费，过疏达不到实验效果，节点所形成的三维空间网格，要依据边坡的长度、宽度和高度选取合适的距离进行铺设，沿长度方向相邻两节点之间的距离占三维边坡长度的3％～10％，沿宽度方向相邻两节点之间的距离占三维边坡宽度的3％～10％，沿高度方向相邻两节点之间的距离占三维边坡高度的3％～10％。

在边坡地表水平方向放置三个监测盒，三个监测盒放置三个不同方向，三点确定一个平面，以此为标准，可监测边坡内部盒体发生的水平或竖直方向的相对运动，三个监测盒的位置，可通过传统的人工测量法测得。

本发明的监测装置通过照相机4在竖直方向保持不变，每个照相机4拍摄盖体1的一个方向，三个照相机4可实时拍摄盒体360度小范围转动，当盒体转动时，照相机4将拍摄盒体转动的图片；盒体静止时拍摄的带有标记的网格图片如图5，沿照相机4拍摄方向转动时所拍摄的图片如图6，绕照相机4扭转时所拍摄图像如图7，将所拍摄图像传输到数据处理中心，对图片进行分析计算，计算出土体内一点的位移及其动态变化；在设定的区域内，在岩土内部以盒体为节点进行连续铺设，使之构成三维空间网格，通过得到每个节点的位移，来逆向(或反分析)计算岩土内部的应力、应变与位移，并预测岩土变形的趋势。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，其特征在于，包括盒体以及位于盒体内的球形轴承(6)、三个照相机(4)和平衡秤砣(7)；

盒体为立方体结构，由上底板、下底板(2)、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板组成，上底板、前侧板和右侧板的内表面上设有网格标记；

球形轴承(6)的外圈与盒体固定连接，内圈为球体且设有圆柱形通孔，圆柱形通孔的中心轴过内圈的中心，且垂直于水平面；

三个照相机(4)的镜头分别面向上底板、前侧板和右侧板；各个照相机(4)的镜头的中轴线与该照相机(4)面对的板相互垂直；

三个照相机(4)位于圆柱形通孔的上方，且与球形轴承(6)的内圈固定连接；三个照相机(4)各与一根电源线和一根传输线连接；

平衡秤砣(7)位于圆柱形通孔的下方，且与球形轴承(6)的内圈固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，其特征在于，上底板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板连接形成盖体(1)，盖体(1)透明。

3.根据权利要求2所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，其特征在于，下底板(2)的边缘沿厚度方向向上延伸形成连接板，连接板与盖体(1)通过螺栓连接，螺栓的杆部套有密封垫圈(10)，密封垫圈(10)位于螺栓的头部与连接板之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，其特征在于，球形轴承(6)的外圈与下底板(2)固定连接，球形轴承(6)的外圈的中心轴与下底板(2)相互垂直。

5.根据权利要求4所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，其特征在于，球形轴承(6)的外圈与下底板(2)通过多根轴承杆(3)固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，其特征在于，圆柱形通孔的半径为内圈半径的2/3。

7.根据权利要求1所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，其特征在于，三个照相机(4)与球形轴承(6)的内圈通过支撑圆板(5)固定连接；支撑圆板(5)水平固定在圆柱形通孔内，三个照相机(4)同时与支撑圆板(5)连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，其特征在于，平衡秤砣(7)与球形轴承(6)的内圈通过十字架(8)固定连接；十字架(8)水平固定在圆柱形通孔内，且十字架(8)与球形轴承(6)的内圈的中心重合，平衡秤砣(7)与十字架(8)的中心连接；支撑圆板(5)位于十字架(8)的上方。

9.根据权利要求1所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，其特征在于，还包括位于盒体内的照明装置。

10.采用如权利要求1～9任一项所述的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置的一种基于图像识别的岩土体内空间位移监测系统，其特征在于，包括两个以上基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置，基于图像识别的岩土体内空间位移监测系统为以基于图像识别的岩土体内空间位移监测装置中的盒体为节点进行铺设形成的三维空间网格；

三维空间网格的长度方向平行于三维边坡的长度方向，宽度方向平行于三维边坡的宽度方向，高度方向平行于三维边坡的高度方向，沿长度方向相邻两节点之间的距离占三维边坡长度的3％～10％，沿宽度方向相邻两节点之间的距离占三维边坡宽度的3％～10％，沿高度方向相邻两节点之间的距离占三维边坡高度的3％～10％。

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