CN114998197A - 一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变电站建设施安全监测技术领域，尤其是一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统及监测方法。其利用无人机拍摄的建筑物和站内场坪图像建立点云模型，实现二维图像到三维点云的转换，将无人机拍摄的照片经过处理生成遥感数据，主要为站内场坪的地形数据与建筑物正射影像。在探测算法的帮助下寻找建筑物或场坪发生变化的区域，从发生变化的区域中找出由建筑物自身变形和地表沉降引起的区域，并进行核查，完成遥感识别工作。利用识别到的相关数据信息对变电站土建结构的安全状态进行评估，科学地指导工程决策，实施有效的保养、维修与加固，从而在危险来临之前给出预警，提前进行人工干预，大大减少人身、电网和设备事故的发生。

Description

一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统

技术领域

本发明涉及变电站建设施安全监测技术领域，尤其是一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统。

背景技术

近年来，随着我国电力需求不断增长，对变电站的建设和投资逐渐加强，变电站投运和在建数量逐年增加。数据显示我国现役变电站总数近4万座，变电站土建设施是确保变电站稳定性与安全性的关键因素，对人身、电网和设备的安全具有重大影响。变电站在建成投运后，大多运营时间较长，站内土建设施会受到设备自重、地震、设备振动等长期静、动荷载的作用，还会受到气候、腐蚀、氧化或老化等因素影响，结构抗力会出现退化，严重威胁变电站的运营安全。

目前，国内外许多投入运营中的变电站土建设施都存在不同程度的隐患，我国变电站内土建设施尚未建立智能化的健康监测预警系统。由于缺乏对变电站土建设施的安全监测，导致结构状态的异常不能及时发现，未能做出相应的防患措施，导致一些变电站土建设施存在严重的工程质量隐患，甚至可能造成巨大的经济损失和社会影响。因此，为确保变电站土建设施运营期间的结构安全、实施经济合理的维修计划、实现安全高效的运营，定期对变电站土建结构进行健康监测是义不容辞的。

根据《建筑变形测量规范》JGJ8-2016需要对以下内容进行健康监测：建筑物的沉降量；建筑物的水平位移；建筑物的倾斜度；建筑物是否有裂缝；建筑物基础的挠度；建筑物的收敛变形量；建筑物上部的日照偏移量；建筑物顶部的风振变形量。同时住建部于2018年12月6日颁布的《既有建筑地基可靠性鉴定标准》JGJ/T404-2018在变形稳定性评定中规定以建筑物的沉降量、水平位移量、倾斜度和裂缝情况为评定标准。传统的监测手段主要是经纬仪、水准仪等常规的测量仪器，在测量过程中有费时耗力，存在监测点被破坏遮挡等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统，以解决现有的变电站土建结构健康监测系统在测量过程中存在费时耗力以及监测点被破坏遮挡的问题。

为了实现上述目的，发明采用的技术方案如下：

一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统包括无人机拍摄装置，遥感数据生成程序，遥感数据处理程序以及应用程序组成；

所述的无人机拍摄装置由无人机云台相机进行周期性影像数据的采集，且无人机机身搭载两个RTK；

所述遥感数据生成程序安装在室内服务器上，变电站影像数据采集完成后通过数据传输设备传递给遥感数据生成程序，遥感数据生成程序通过室内服务器将无人机影像图生成遥感数据；

所述遥感数据处理程序对遥感数据生成程序生成的数据进行预处理，随后对土建结构进行检测；

所述应用程序实现监测数据显示，分析，安全预警，安全评价以及报表打印等功能。

优选地，所述数据传输设备采用无线网桥的方式进行数据传输，考虑到现场和监控中心可通视，两者的距离不超过10km。

进一步地，所述遥感数据生成程序中首先需要导入影像图与坐标信息，将航拍影像图与像控点坐标信息分别导入服务器，并在影像图中刺上像控点的精准位置，将部分精度较好的像控点选为控制点，以提升数据整体精度，控制点布设方案选定后便可在软件中进行全面处理，并生成无人机遥感数据，且无人机遥感数据主要为三维点云数据、数字表面模型以及正射影像图。

进一步地，所述遥感数据处理程序对遥感数据生成程序生成的数据进行裁剪、去噪、配准等预处理，然后基于无人机遥感数据—三维点云数据和正射影像图，选用探测算法进行形变探测与变化识别，对建筑物位移变化、裂缝变化和场坪不均匀沉降进行监测。

进一步地，所述应用程序划分为应用服务层和展示层，服务层负责系统数据处理和分析，展示层提供报表、图形显示，是监测系统人机交互界面。

进一步地，所述应用服务层主要包括数据处理与控制子系统，数据处理与控制子程序将处理后的遥感识别数据进行过滤、二次处理，并通过APP或者PC端对最终结果进行展示，打印相关表、数据等。

进一步地，所述展示层主要包括安全评价与预警子系统，安全评价与预警子系统对遥感识别数据进行统计分析，通过监测关键参数的变化，判断出变化趋势，在遇到突发状况的时候，能够提前预判结构各种状况，在位移、应变、裂缝、沉降等达到限值的时候发出预警信息，结合预警机制，及时对不稳定结构或可能出现失稳的结构采取一定的治理措施进行防治，防止灾害的发生或扩大，减少损失。

本发明还公开了一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统的监测方法，包括以下步骤：

S1.获取基础数据，该步骤在变电站现场进行，使用无人机技术获取变电站航测照片；

S2.后台处理，将航测照片经过处理生成遥感数据，主要为变电站的地形数据与正射影像；

S3.变化探测，在探测算法的帮助下寻找变电站建(构)筑物发生裂缝变形、建筑位移、场坪不均匀沉降等变化的区域；

S4.形变识别，从发生上述变化的区域中详细识别变化位置、变化大小和变化量，完成遥感识别工作。

综上所述，由于采用了上述技术方案，发明的有益技术效果是：

一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统，通过周期性无人机采集图片的方式，通过无人机搭载云台相机获取变电站基础设施航测数据，并将获取数据通过数据传输设备上传后台服务器，并进行遥感成果生成和处理后将数据保存在系统数据库。应用系统从数据库中调取遥感数据并对其分析，发现数据存在异常，如建筑物发生裂缝变形、建筑位移、场坪不均匀沉降等等自动报警，并通知维护人员进行处理。

解决了对运行中的变电站土建结构安全状态进行综合评估，能科学地指导工程决策，实施有效的保养、维修与加固工作，从而在危险来临之前给出预警，提前进行人工干预，大大减少人身、电网和设备事故的发生。

附图说明

图1为本发明的逻辑框图。

图2为本发明的系统框图。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。

实施例1

本实施例中，一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统包括无人机拍摄装置，遥感数据生成程序，遥感数据处理程序以及应用程序组成；

所述的无人机拍摄装置由无人机云台相机进行周期性影像数据的采集，且无人机机身搭载两个RTK；所述遥感数据生成程序安装在室内服务器上，变电站影像数据采集完成后通过数据传输设备传递给遥感数据生成程序，遥感数据生成程序通过室内服务器将无人机影像图生成遥感数据；所述遥感数据处理程序对遥感数据生成程序生成的数据进行预处理，随后对土建结构进行检测；所述应用程序实现监测数据显示，分析，安全预警，安全评价以及报表打印等功能。

所述数据传输设备采用无线网桥的方式进行数据传输，考虑到现场和监控中心可通视，两者的距离不超过10km。

所述遥感数据生成程序中首先需要导入影像图与坐标信息，将航拍影像图与像控点坐标信息分别导入服务器，并在影像图中刺上像控点的精准位置，将部分精度较好的像控点选为控制点，以提升数据整体精度，控制点布设方案选定后便可在软件中进行全面高精度处理，并生成无人机遥感数据，且无人机遥感数据主要为三维点云数据、数字表面模型以及正射影像图。

所述遥感数据处理程序对遥感数据生成程序生成的数据进行裁剪、去噪、配准等预处理，然后基于无人机遥感数据—三维点云数据和正射影像图，选用探测算法进行形变探测与变化识别，对建筑物位移变化、裂缝变化和场坪不均匀沉降进行监测。

所述应用程序划分为应用服务层和展示层，服务层负责系统数据处理和分析，展示层提供报表、图形显示，是监测系统人机交互界面。

所述应用服务层主要包括数据处理与控制子系统，数据处理与控制子程序将处理后的遥感识别数据进行过滤、二次处理，并通过APP或者PC端对最终结果进行展示，打印相关表、数据等。

所述展示层主要包括安全评价与预警子系统，安全评价与预警子系统对遥感识别数据进行统计分析，通过监测关键参数的变化，判断出变化趋势，在遇到突发状况的时候，能够提前预判结构各种状况，在位移、应变、裂缝、沉降等达到限值的时候发出预警信息，结合预警机制，及时对不稳定结构或可能出现失稳的结构采取一定的治理措施进行防治，防止灾害的发生或扩大，减少损失。

本发明还公开了一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统的监测方法，包括以下步骤：

S1.获取基础数据，该步骤在变电站现场进行，使用无人机技术获取变电站航测照片；

S2.后台处理，将航测照片经过处理生成遥感数据，主要为变电站的地形数据与正射影像；

S3.变化探测，在探测算法的帮助下寻找变电站建(构)筑物发生裂缝变形、建筑位移、场坪不均匀沉降等变化的区域；

S4.形变识别，从发生上述变化的区域中详细识别变化位置、变化大小和变化量，完成遥感识别工作。

一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统，利用无人机拍摄的建筑物和站内场坪图像建立点云模型，实现二维图像到三维点云的转换，将无人机拍摄的照片经过处理生成遥感数据，主要为站内场坪的地形数据与建筑物正射影像；在探测算法的帮助下寻找建筑物或场坪发生变化的区域，从发生变化的区域中找出由建筑物自身变形和地表沉降引起的区域，并进行核查，完成遥感识别工作。利用识别到的相关数据信息对变电站土建结构的安全状态进行综合评估，能科学地指导工程决策，实施有效的保养、维修与加固工作，从而在危险来临之前给出预警，提前进行人工干预，大大减少人身、电网和设备事故的发生。

以上所述为发明的较佳实施例，并不用以限制发明，凡在发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统，其特征在于，包括无人机拍摄装置，遥感数据生成程序，遥感数据处理程序以及应用程序组成；

所述的无人机拍摄装置由无人机云台相机进行周期性影像数据的采集，且无人机机身搭载两个RTK；

所述遥感数据生成程序安装在室内服务器上，变电站影像数据采集完成后通过数据传输设备传递给遥感数据生成程序，遥感数据生成程序通过室内服务器将无人机影像图生成遥感数据；

所述遥感数据处理程序对遥感数据生成程序生成的数据进行预处理，随后对土建结构进行检测；

所述应用程序实现监测数据显示，分析，安全预警，安全评价以及报表打印等功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统，其特征在于，所述数据传输设备采用无线网桥的方式进行数据传输，考虑到现场和监控中心可通视，两者的距离不超过10km。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统，其特征在于，所述遥感数据生成程序中首先需要导入影像图与坐标信息，将航拍影像图与像控点坐标信息分别导入服务器，并在影像图中刺上像控点的精准位置，将部分精度较好的像控点选为控制点，以提升数据整体精度，控制点布设方案选定后便可在服务器中进行全面处理，并生成无人机遥感数据，且无人机遥感数据主要为三维点云数据、数字表面模型以及正射影像图。

4.根据权利要求1所述的一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统，其特征在于，所述遥感数据处理程序对遥感数据生成程序生成的数据进行裁剪、去噪、配准预处理，然后基于无人机遥感数据—三维点云数据和正射影像图，选用探测算法进行形变探测与变化识别，对建筑物位移变化、裂缝变化和场坪不均匀沉降进行监测。

5.根据权利要求1所述的一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统，其特征在于，所述应用程序划分为应用服务层和展示层，服务层负责系统数据处理和分析，展示层提供报表、图形显示，是监测系统人机交互界面。

6.根据权利要求5所述的一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统，其特征在于，所述应用服务层主要包括数据处理与控制子系统，数据处理与控制子程序将处理后的遥感识别数据进行过滤、二次处理，并通过APP或者PC端对最终结果进行展示，打印相关表、数据。

7.根据权利要求5所述的一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统，其特征在于，所述展示层主要包括安全评价与预警子系统，安全评价与预警子系统对遥感识别数据进行统计分析，通过监测关键参数的变化，判断出变化趋势，在遇到突发状况的时候，能够提前预判结构各种状况，在位移、应变、裂缝、沉降等达到限值的时候发出预警信息，结合预警机制，及时对不稳定结构或可能出现失稳的结构采取一定的治理措施进行防治。

8.根据权利要求1所述的一种基于无人机的变电站土建结构健康监测方法，其特征在于，一种基于无人机的变电站土建结构健康监测系统的监测方法，包括以下步骤：

S1.获取基础数据，该步骤在变电站现场进行，使用无人机技术获取变电站航测照片；

S2.后台处理，将航测照片经过处理生成遥感数据，主要为变电站的地形数据与正射影像；

S3.变化探测，在探测算法的帮助下寻找变电站建(构)筑物发生裂缝变形、建筑位移、场坪不均匀沉降等变化的区域；

S4.形变识别，从发生上述变化的区域中详细识别变化位置、变化大小和变化量，完成遥感识别工作。

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