一种基于光学特征分析的大坝不均匀沉降监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于光学特征分析的大坝不均匀沉降监测装置及方法，首先，将激光发射器与激光标靶分列大坝沉降产生的错动缝的两侧，同时针对坝体错动量较小难以明显观测的问题，通过在激光发射器和激光标靶间布设平凹透镜的方式将坝体错动值放大；其次，采用摄像机连续抓取含有激光投射点的激光标靶图像，并传输至监测终端进行实时分析；然后，通过像素值计算和小波滤噪的方法，将激光标靶图转化为高质量的单通道灰度图像；最后，基于霍夫圆检测和霍夫直线检测算法，提取出激光标靶图中激光投射点

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学特征分析的大坝不均匀沉降监测装置及方法


[0001]本专利技术属于大坝安全监测
，尤其是涉及一种基于光学特征分析的大坝不均匀沉降监测装置及方法
。

技术介绍

[0002]我国幅员辽阔
、
河流众多，地势高低悬殊，河流落差巨大，蕴藏着丰富的水能资源，是名副其实的水利大国
。
目前，我国已建成各类水库大坝
9.8
万多座，总库容
9300
多亿立方米，水电装机容量
3.9
亿千瓦，水利设施在保障社会经济稳定和人民生活水平方面发挥着越来越重要的作用
。
其中，土石坝具有就地取材
、
结构简单
、
造价较低的优势，在我国得到较大规模的发展，各种土石坝数量占我国大坝总数的
95
％以上
。
[0003]与混凝土重力坝和混凝土拱坝不同，土石坝一般就地取材，采用各类黏土和碎石进行分层碾压建造而成，在自重
、
水压荷载
、
温度荷载的影响下，土石坝在全生命周期过程中均会出现沉降现象
。
如果大坝存在荷载不均匀
、
局部塌陷
、
局部压实度不够的情况，则可能出现结构的不均匀沉降，导致在坝体上产生明显的错动缝
。
一般情况下，错动缝两侧的坝体会在竖直方向和上下游方向两个方向上出现长期的错动发展，需要对错动缝进行实时监测和预警，避免严重事故的发生
。r/>[0004]长期以来，土石坝沉降和变形监测方法主要是采用传统的大地测量仪器或精密的仪表进行人工作业，如利用经纬仪
、
全站仪
、
水准仪
、
位移计等获取监测点的沉降或者变形量，但此类方法外业工作量大
、
测量频次低，如果遇到雷电
、
暴雨等恶劣天气条件或者洪水期间水位超高运行时，则无法开展监测工作
。
随着技术的发展，逐渐开始出现了基于
GNSS
的大坝沉降和变形监测方法，此方法可以做到实时监测，但建立
GNSS
基站的费用昂贵，并且高程方向监测精度较差
。

技术实现思路

[0005]本专利技术第一个目的在于，针对大坝不均匀沉降监测要求高
、
难度大
、
智能化程度低
、
成本高的问题，提供一种基于光学特征分析的大坝不均匀沉降监测装置，以对大坝不均匀沉降进行实时监测
。
[0006]为此，本专利技术的上述目的通过如下技术方案实现：
[0007]一种基于光学特征分析的大坝不均匀沉降监测装置，包括：激光发射器
、
平凹透镜
、
激光标靶和摄像头；
[0008]所述激光发射器处于大坝不均匀沉降导致的错动缝的一侧，所述平凹透镜
、
激光标靶和摄像头处于大坝不均匀沉降导致的错动缝的另一侧；
[0009]所述平凹透镜
、
摄像头处于激光标靶的两侧且平凹透镜靠近激光发射器布置，所述平凹透镜的凹面朝向激光发射器；
[0010]所述激光发射器用于向平凹透镜
、
激光标靶发射激光；
[0011]所述摄像头用于实时拍摄具有激光投射点的激光标靶
。
[0012]在采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用如下技术方案：
[0013]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述激光发射器
、
平凹透镜
、
激光标靶和摄像头处于一条直线上且与大坝不均匀沉降导致的错动缝大致垂直
。
[0014]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述激光发射器
、
平凹透镜
、
激光标靶和摄像头均经固定装置固定至大坝顶部的混凝土路面上设有的点位内；
[0015]所述固定装置包括：伸缩调节钢管和处于伸缩调节钢管顶部的金属抱箍，所述金属抱箍用于固定激光发射器或者平凹透镜或者激光标靶或者摄像头
。
[0016]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述伸缩调节钢管包括多个钢管，多个钢管依次嵌套，相邻两个钢管的连接处设有调节旋钮以锁止相邻的两个钢管
。
[0017]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述金属抱箍还设有螺栓，所述螺栓用于调节金属抱箍的松紧程度
。
[0018]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述伸缩调节钢管的底部与大坝顶部的混凝土路面上的点位之间经环氧树脂固结
。
[0019]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述激光标靶的两侧平面中，一侧为光滑平面，另一侧为磨砂面；
[0020]光滑平面侧朝向激光发射器，磨砂面侧朝向摄像头；
[0021]所述磨砂面侧设有水平轴和竖直轴，所述水平轴和竖直轴的交汇处为中心点，所述水平轴和竖直轴上均设有刻度线
。
[0022]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述监测装置还设有监测终端，所述监测终端与摄像头信号连接，
[0023]所述监测终端通过图像分析方法自动计算大坝不均匀沉降引起的双向错动值，计算过程如下：
[0024]1)、
将摄像头所获取的激光标靶图像中每个像素点的三个通道像素值进行均值计算，获取单通道的激光标靶灰度图像；
[0025]2)、
对激光标靶灰度图像进行小波滤噪处理，降低图像中所包含的噪声干扰；
[0026]3)、
通过霍夫圆检测算法，自动识别出激光标靶灰度图像中所有的具有圆形边缘的目标的基本特征，包括：圆心
、
半径，并借助对这些圆形进行半径大小排序的方法，获取到以像素点作为计量单位的基准圆半径
、
激光投射点圆心；
[0027]4)、
通过霍夫直线检测算法，自动识别出激光标靶灰度图像中所有直线的基本特征，包括起点
、
终点
、
斜率，获取以像素点作为计量单位的水平轴
、
竖直轴的数学表达式；
[0028]5)、
通过数学计算，分别获取激光投射点圆心到水平轴
、
竖直轴的垂直距离，获取以像素点为计量单位的激光投射点的水平偏移量和竖直偏移量；
[0029]6)、
以基准圆作为基准，计算激光标靶灰度图中激光投射点真实的水平偏移量
H
和竖直偏移量
V
分别为：
[0030][0031][0032]其中，
R
为基准圆的真实半径，
R
p
为以像素点作为计量单位的基准圆半径，
H
p
、V
p
分别为以像素点作为计量单位的激光投射点的水平偏移量和竖直偏移量；
[0033]7)、
在坝体发生错动时，经本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于光学特征分析的大坝不均匀沉降监测装置，其特征在于：所述监测装置包括：激光发射器
、
平凹透镜
、
激光标靶和摄像头；所述激光发射器处于大坝不均匀沉降导致的错动缝的一侧，所述平凹透镜
、
激光标靶和摄像头处于大坝不均匀沉降导致的错动缝的另一侧；所述平凹透镜
、
摄像头处于激光标靶的两侧且平凹透镜靠近激光发射器布置，所述平凹透镜的凹面朝向激光发射器；所述激光发射器用于向平凹透镜
、
激光标靶发射激光；所述摄像头用于实时拍摄具有激光投射点的激光标靶
。2.
根据权利要求1所述的基于光学特征分析的基于光学特征分析的大坝不均匀沉降监测装置，其特征在于：所述激光发射器
、
平凹透镜
、
激光标靶和摄像头处于一条直线上且与大坝不均匀沉降导致的错动缝大致垂直
。3.
根据权利要求1所述的基于光学特征分析的基于光学特征分析的大坝不均匀沉降监测装置，其特征在于：所述激光发射器
、
平凹透镜
、
激光标靶和摄像头均经固定装置固定至大坝顶部的混凝土路面上设有的点位内；所述固定装置包括：伸缩调节钢管和处于伸缩调节钢管顶部的金属抱箍，所述金属抱箍用于固定激光发射器或者平凹透镜或者激光标靶或者摄像头
。4.
根据权利要求3所述的基于光学特征分析的基于光学特征分析的大坝不均匀沉降监测装置，其特征在于：所述伸缩调节钢管包括多个钢管，多个钢管依次嵌套，相邻两个钢管的连接处设有调节旋钮以锁止相邻的两个钢管
。5.
根据权利要求3所述的基于光学特征分析的基于光学特征分析的大坝不均匀沉降监测装置，其特征在于：所述金属抱箍还设有螺栓，所述螺栓用于调节金属抱箍的松紧程度
。6.
根据权利要求3所述的基于光学特征分析的基于光学特征分析的大坝不均匀沉降监测装置，其特征在于：所述伸缩调节钢管的底部与大坝顶部的混凝土路面上的点位之间经环氧树脂固结
。7.
根据权利要求1所述的基于光学特征分析的基于光学特征分析的大坝不均匀沉降监测装置，其特征在于：所述激光标靶的两侧平面中，一侧为光滑平面，另一侧为磨砂面；光滑平面侧朝向激光发射器，磨砂面侧朝向摄像头；所述磨砂面侧设有水平轴和竖直轴，所述水平轴和竖直轴的交汇处为中心点，所述水平轴和竖直轴上均设有刻度线
。8.
根据权利要求1所述的基于光学特征分析的基于光学特征分析的大坝不均匀沉降监测装置，其特征在于：所述监测装置还设有监测终端，所述监测终端与摄像头信号连接；所述监测终端通过图像分析方法自动计算大坝不均匀沉降引起的双向错动值，计算过程如下：
1)、
将摄像头所获取的激光标靶图像中每个像素点的三个通道像素值进行均值计算，获取单通道的激光标靶灰度图像；
2)、
对激光标靶灰度图像进行小波滤噪处理，降低图像中所包含的噪声干扰；
3)、
通过霍夫圆检测算法，自动识别出激光标靶灰度图像中所有的具有圆形边缘的目标的基本特征，包括：圆心
、
半径，并借助对这些圆形进行半径大小排序的方法，获取到以像素点作为计量单位的基准圆半径
、
激光投射点圆心；
4)、
通过霍夫直线检测算法，自动识别出激光标靶灰度图像中所有直线的基本特征，包括起点
、
终点
、
斜率，获取以像素点作为计量单位的水平轴
、
竖直轴的数学表达式；
5)、
通过数学计算，分别获取激光投射点圆心到水平轴
、
竖直轴的垂直距离，获取以像素点为计量单位的激光投射点的水平偏移量和竖直偏移量；
6)、
以基准圆作为基准，计算激光标靶灰度图中激光投射点真实的水平偏移量
H
和竖直偏移量
V
分别为：分别为：其中，
R
为基准圆的真实半径，
R
p
为以像素点作为计量单位的基准圆半径，
H
p
、V
p
分别为以像素点作为计量单位的激光投射点的水平偏移量和竖直偏移量；
7)、
在坝体发生错动时，经过平凹透镜的折射之后，激光标靶上激光投射点的偏移量被放大，基于激光线路分析，计算大坝的上下游方向错动量
h
和竖直方向错动量
v
分别为：分别为：其中，
f
为平凹透镜的焦距，
L
为平凹透镜与激光标靶的间距，
H、V
分别为激光标靶图中激光投射点的水平偏移量和竖直偏移量
。9.
根据权利要求1所述的基于光学特征分析的基于光学特征分析的大坝不均匀沉降监测装置的监测方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1、
设定大坝顶部监测点位置；对于大坝不均匀沉降的监测，首先，需要在坝顶混凝体路面设置四个监测点位，分别为激光发射器点位
、
平凹透镜点位
、
激光标靶点位和摄像头点位；其中，激光发射器点位与平凹透镜点位分列大坝不均匀沉降所产生...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚士林，黄维，孙辅庭，陈铿，李倩，季昀，
申请(专利权)人：国家能源局大坝安全监察中心，
类型：发明
国别省市：