可获取边坡变形三维数据的边坡监测系统及其获取边坡变形三维数据的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及边坡工程技术领域，特别涉及可获取边坡变形三维数据的边坡监测系统及其获取边坡变形三维数据的方法。
【背景技术】
[0002]近年来随着我我国交通的发展，从建设为主转变为建养并重，越来越多的边坡安全状态受到养护人员的关注。以前长期采用的人工定期监测边坡存在监测频率低、受天气影响严重、分析报警速度慢等问题，已经难以满足目前对于边坡监测的需求。利用远距离高精度激光测距传感器进行边坡监测是一种新兴的边坡监测技术，其监测精度高、工程安装简单、成本较低，其监测效果正逐步得到认可。但该技术仅能获取得到设备与边坡之间的一维变形数据，无法获得边坡的X、1、Z轴三个轴向各自的变形数据。
[0003]综上所述，有必要提供一种能获取边坡变形三维数据的边坡变形监测系统，结合远距离高精度激光测距技术与图像识别技术，获取更多的边坡变形监测数据，进行综合计算，最终获取边坡的三维变形量，以解决现有技术存在的问题。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种能获取边坡变形三维数据的边坡变形监测系统，结合远距离高精度激光测距技术与图像识别技术，获取更多的边坡变形监测数据，进行综合计算，最终获取边坡的三维变形量，获取三维数据准确，有利于技术人员后期对边坡变形情况作出准确的判断。
[0005]本发明通过以下技术手段解决上述技术问题:
[0006]本发明提供了一种可获取边坡变形三维数据的边坡监测系统，包括监测装置，用于采集边坡待测点前凸或后凹的数据；图像采集装置，用于采集边坡待测点的平面坐标数据；信息处理装置，用于将监测装置和图像采集装置所采集的数据综合计算得出变形边坡的三维数据。
[0007]进一步，所述监测装置包括激光测距传感器和标靶，所述激光测距传感器设置在待测边坡对面，所述标靶设置在待测边坡上，所述激光测距传感器根据发出的激光在标靶上形成图像并发射回来，所述激光测距传感器计算出激光发射点和反射点之间的距离；所述图像采集装置设置在标靶附近，用于采集激光反射点在标靶上的平面坐标数据；所述信息处理装置为后台服务器，用于将激光测距传感器采集到距离和图像采集装置采集到的平面坐标数据进行综合计算获得变形边坡的三维坐标。
[0008]进一步，所述标靶为反光面板，所述反光面板上设有网格和标尺，便于识别激光反射点所在的位置。
[0009]进一步，所述监测装置至少为一个。
[0010]进一步，所述信息处理装置处理图像的具体过程为:
[0011]S1.建立原始三维坐标系:以O为原点，以沿激光方向为X轴，激光照射方向为负，y轴平行于水平面并与X轴垂直，以X轴正方向左侧为正，Z轴垂直于xoy平面，向上为正，yoz平面平行于标靶，X轴垂直于标靶；
[0012]S2.三维坐标系的转换，建立边坡变形监测系统所处的三维坐标系'I，轴与所述原始三维坐标系里面的y轴保持一致，沿y轴正方向看，xoz平面沿y轴逆时针旋转一个α角，得到X’轴和ζ’轴，此时的X’轴平行于水平面，ζ’轴垂直于水平面，转换的三维坐标系由X’轴、y’轴和ζ’轴组成；
[0013]S3.初始状态数据采集，通过激光测距传感器测出X轴方向的数据为表示激光测距传感器与边坡的垂直距离，通过拍照装置拍摄激光在标靶上的位置坐标用y轴和ζ轴表示，所述I轴和ζ轴方向的数据分别为Ytl和Z 0,将初始状态数据输入到原始三维坐标系中，激光所在标靶上的初始状态的坐标为(Xo，Yo，Ztl);
[0014]S4.经过η天边坡变形后，通过激光测距传感器测出X轴方向的数据为an，an表示激光测距传感器与边坡的垂直距离，拍照装置拍摄激光在标靶上的位置坐标Ov cn)，计算出变形后边坡相对于前一天变形的坐标:
[0015]a = Xn= a n_1~an (I)，
[0016]b = Yn= b n_!-bn (2)，
[0017]c = Zn= c Jr1-Cn (3)，
[0018]其中1，η为整数；Xn为正表示前凸，负表示后凸，Yη为正表示向右移动，负表示向左移动，Zn为正表示向上移动，负表示向下移动。
[0019]计算出变形后边坡相对于初始状态变形的坐标:
[0020]a = Xntl= a 0~an (4)，
[0021]b = Yn0= b 0-bn (5)，
[0022]c = Zn0= c Q-cn (6)，
[0023]其中n彡I，n为整数；Χη(ι为正表示前凸，负表示后凸，Y n(1为正表示向右移动，负表示向左移动，Zntl为正表示向上移动，负表示向下移动；
[0024]S5.将S4计算得到变形后边坡相对于前一天的变形坐标和相对于初始状态变形的坐标数据代入到S2中的三维坐标系中转换，计算得到X’轴、r轴和ζ’轴方向的数值，即边坡变形后的三维数据量。
[0025]进一步，所述S5中将S4计算得到变形后边坡相对于前一天的变形坐标和相对于初始状态变形的坐标数据代入到S2中的三维坐标系中转换，分为以下8种情况:
[0026]情况1:当a>0, c>0, tan a >a/c时，相对于前一天边坡的变形的三维数据量，
[0027]V
[0028]Y，= bn_!-bn
[0029]V = (I Cn^1-Cn I +1 an_!-an | *tan α ) cos α ；
[0030]相对于初始状态边坡的变形的三维数据量，
[0031 ] X，= - (I a0-an | -1 ZQ_cn | *tan α ) cos α
[0032]Y，= Y0-bn
[0033]V = (I Z0-Cn I +1 a0_an| *tan α ) cos α ；
[0034]情况2:当a>0, c>0, tan a <a/c时，相对于前一天边坡的变形的三维数据量，
[0035]V = (I am-a」-1 Clr1-CnI *tan α ) cos α
[0036]Y’ = Ivfbn
[0037]+;
[0038]相对于初始状态边坡的变形的三维数据量，
[0039]V = (I a0_an 1-1 Z0-cn| *tan a ) cos α
[0040]Y，= Y0-bn
[0041]Ζ，= sin α (I a0_an 1-1 Z0-CrJ *tan α ) +1 c I/cos α ；
[0042]情况3:当a>0, c<0, tan a >|c|/|a时，相对于前一天边坡的变形的三维数据量，
[0043]V = (I an—fajJ -1 Clr1-Cn I *cot a ) cos α +1 c I/sin α
[0044]Y，= bn_!-bn
[0045]V = sin α (| an_「an| -1 cn-「cnI *cot α )；
[0046]相对于初始状态边坡的变形的三维数据量，
[0047]V = (I a0_an 1-1 Z0-cn| *cot a ) cos α +1 Z0-cn|/sin α
[0048]Y，= Y0-bn
[0049]V = sin α (| a0_an | -1 Z0_cn | | *cot α )；
[0050]情况4:当a>0, c<0, cot a >|a|/|c时，相对于前一天边坡的变形的三维数据量，
[0051]V= I an_「an|/cos α+(I Clr1-CnH an_「an| *tan a ) sin α
[0052]V = bn_!-bn
[0053]V = (I an_!-an | *tan a -1 Cn^1-Cn |) cos a ；
[0054]相对于初始状态边坡的变形的三维数据量，
[0055]V = a0~an I /cos a + (I Z0-Cn | -1 a0~an | *tan α ) sin α
[0056]Y，= Y0-bn
[0057]V =( a0_an I *tan α -1 Z0-CrJ ) cos α ；
[0058]情况5:当a〈0, c<0, tan a >|a|/|c时，相对于前一天边坡的变形的三维数据量，
[0059]V = (I Cn^1-Cn1-1an^1-BnI=IiCOta )sina
[0060]Y，= bn_!-bn
[0061]V = - (Ic^-cnl-la^-anl^cota )cosa -1 a^-a,,|/sin a ；
[0062]相对于初始状态边坡的变形的三维数据量，
[0063]V = (I Z0-Cn 1-1 a0_an| *cot a ) sin a
[0064]V = Y0-bn
[0065]Z，= - (I Z0-Cn 1-1 a0_an| *cot a ) cos a -1 a0_an|/sin a ；
[0066]情况6:当a〈0, c<0, tan a <|a|/|c时，相对于前一天边坡的变形的三维数据量，
[0067]V
[0068]Y，= bn_「bn
[0069]V = — [ (I Clr1-Cn 1-1 am-an | *tan α ) sin α + (an_「an) /cos α ]；
[0070]相对于初始状态边坡的变形的三维数据量，
[0071 ]X，= - (I Z0-Cn 1-1 a0_an | *tan α ) cos α
[0072]Y，= Y0-bn
[0073]V = - [ (I Z0-Cn 1-1 a0-an I *tan α )sina + (a0-an)/cos a ]；
[0074]情况7:当a〈0，c>0，tana>|c|/|a|时，相对于前一天边坡的变形的三维数据量，
[0075]V = - (I an_!-an | *cot α -1 Cn^1-Cn |) cos α +1 an^-an | /sin α
[0076]Y’ = Ivfbn
[0077]V = -sin α (| an^-an | *cot α -1 Cn^1-Cn |)；
[0078]相对于初始状态边坡的变形的三维数据量，
[0079]X，= - (I a0-an | *cot α -1 Z0-Cn |) cos α +1 a0_an /sin a
[0080]Y，= Y0-bn
[0081]V = -sin a (| a0_an | *cot a -1 Z0_cn|)；
[0082]情况8:当a〈0，c>0, cot a > | a | / | c |时，相对于前一天边坡的变形的三维数据量，
[0083]V
[0084]Y，= bn_!-bn
[0085]V = (lam-anl-lcvfcnhtana )cosa ；
[0086]相对于初始状态边坡的变形的三维数据量，
[0087]X’ = -1 Z0-Cn I /cos a - (I a0~an | -1 a0~an | *tan α ) sin α
[0088]Y，= Y0-bn
[0089]V = (I a0_an 1-1 Z0-CrJ *tan α ) cos α 0
[0090]本发明还包括可获取边坡变形三维数据的边坡监测系统获取边坡变形三维数据的方法，具体包括以下步骤:
[0091]S1.建立原始三维坐标系:以O为原点，以沿激光方向为X轴，激光照射方向为负，y轴平行于水平面并与X轴垂直，以X轴正方向左侧为正，Z轴垂直于xoy平面，向上为正，yoz平面平行于标靶，X轴垂直于标靶；
[0092]S2.三维坐标系的转换，建立边坡变形监测系统所处的三维坐标系:y’轴与所述原始三维坐标系里面的y轴保持一致，沿y轴正方向看，xoz平面沿y轴逆时针旋转一个α角，得到X’轴和ζ’轴，此时的X’轴平行于水平面，ζ’轴垂直于水平面，转换的三维坐标系由X’轴、y’轴和ζ’轴组成；
[0093]S3.初始状态数据采集，通过激光测距传感器测出X轴方向的数据为表示激光测距传感器与边坡的垂直距离，通过拍照装置拍摄激光在标靶上的位置坐标用y轴和ζ轴表示，所述I轴和ζ轴方向的数据分别为Ytl和Z 0,将初始状态数据输入到原始三维坐标系中，激光所在标靶上的初始状态的坐标为(Xo，Yo，Ztl);
[0094]S4.经过η天边坡变形后，通过激光测距传感器测出χ轴方向的数据为an，an表示激光测距传感器与边坡的垂直距离，拍照装置拍摄激光在标靶上的位置坐标Ov cn)，计算出变形后边坡相对于前一天变形的坐标:
[0095]a = Xn= an_「an (I)，
[0096]b = Yn= b n_!-bn ⑵，
[0097]c = Zn= c Jr1-Cn (3)，
[0098]其中1，η为整数；Xn为正表示前凸，负表示后凸，Yη为正表示向右移动，负表示向左移动，Zn为正表示向上移动，负表示向下移动。
[0099]计算出变形后边坡相对于初始状态变形的坐标:
[0100]a = Xn0= a 0~an (4)，
[0101]b = Yn0= b 0-bn (5)，
[0102]c = Zn0= c 0-cn (6)，
[0103]其中n彡I，n为整数；Χη(ι为正表示前凸，负表示后凸，Y n(1为正表示向右移动，负表示向左移动，Zntl为正表示向上移动，负表示向下移动；
[0104]S5.将S4计算得到变形后边坡相对于前一天的变形坐标和相对于初始状态变形的坐标数据代入到S2中的三维坐标系中转换，计算得到X’轴、r轴和Z’轴方向的数值，即边坡变形后的三维数据量。
[0105]进一步，所述S5中将S4计算得到变形后边坡相对于前一天的变形坐标和相对于初始状态变形的坐标数据代入到S2中的三维坐标系中转换，分为以下8种情况:
[0106]情况1:当a>0, c>0, tan a >a/c时，相对于前一天边坡的变形的三维数据量，
[0107]V
[0108]V = bn_rbn
[0109]V = (I Cn^1-Cn I +1 an_!-an | *tan α )