CN102538694A

CN102538694A - 一种大坝坝肩基点变形的监测方法及装置

Info

Publication number: CN102538694A
Application number: CN2012100320960A
Authority: CN
Inventors: 霍海清; 马丹
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种大坝坝肩基点变形的监测方法及装置，其特征在于，在光路中放置一被测物时，利用背景光源，透过左右两个镜头，被测物分别在左右两个CCD器件上投射阴影，分别提取左右CCD靶面阴影重心坐标，根据双目立体视觉的原理得出阴影重心坐标与实际被测物左边位置的转换关系式，然后计算出被测物在测量范围内的坐标位置，随着阴影重心的位置的变化，就可以知道被测物的位置的变化。当坝体移动时，两个CCD靶面上的阴影都会随之移动，阴影重心移动的距离通过公式变换就能得出被测物移动的实际距离。

Description

一种大坝坝肩基点变形的监测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置及方法，特别涉及一种基于双目立体视觉原理的、实时监测大坝坝肩基点变形的方法及装置。

背景技术

由于目前国内所涉及到大坝坝肩基点实时变形监测方面的装置和方法比较少，而且现有的测量方法有些过于复杂且测量精度不高，或者测量方式简单，不能精确的测量大坝基点的变形量，也不能进行准确的实时采集，给大坝监测人员对大坝坝肩基点的变形情况和安全性判断带来不便。

发明内容

本发明为了解决现有大坝坝肩基点变形监测方法复杂且测量精度不高的问题，提高大坝在使用中的安全性，提供了一种基于双目立体视觉原理的高精度，实时监测大坝坝肩基点变形的方法和装置。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种大坝坝肩基点变形的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在大坝坝肩基点装设光学成像测量***，该光学成像测量***的光源部分是由一个面光源构成的宽视场背景光源，成像测量部分包括左、右透镜，左、右光电器件；标定时垂线放置在左、右透镜光心连线的中垂线上，面光源上的光均匀投射在垂线上，经过左、右透镜在左、右光电器件的靶面上分别成像，根据双目立体视觉原理得出成像重心坐标与实际垂线重心位置的转换关系式，计算出垂线在测量场内的坐标位置，随着成像重心位置的变化，获得垂线位置的变化；当垂线移动时，成像都会随之移动，成像重心移动的距离通过公式变换就能得出垂线移动的实际距离，与初始位置相减，进而测出垂线位移；

2)在测量之前要进行标定，基于双目立体视觉原理，通过标定确定出转换关系中的两组系数，标定时首先将垂线放置在测量场最前端的中点，将垂线在近标线上移动，不超过测量场边界，记录数据，之后将垂线移至远标线，不超过测量场边界，记录数据，求出近标线和远标线的直线方程，这就是标定的过程；

3)标定完之后，进行测量时，选取垂线在测量场内的坐标为(x，y)，由于垂线经过镜头分别在左、右光电器件上面均能成像，所以两条光线的交叉点便是(x，y)，近标线和远标线分别表示为G＝mx²+nx+l和D＝ax²+bx+c，通过标定可以得出各个系数，所以测量场的远、近标线上的点都可以通过这两个式子求出来，当垂线位于测量场内任意位置时，该垂线与两个镜头的光心的连线的交叉点就是它在测量场内的实际坐标，其中左边透镜和垂线连线的直线方程可以表示为L：y＝y₀+λ(y₁-y₀)，x＝x₀+λ(x₁-x₀)和R：(y＝y′₀+Δ(y′₁-y′₀)，x＝x′₀+Δ(x′₁-x′₀))，通过计算可以得出λ＝Δ，而且

λ = Δ = \frac{D_{2} - D_{1}}{G_{2} - G_{1} + D_{2} - D_{1}} = \frac{1}{\frac{G_{2} - G_{1}}{D_{2} - D_{1}} + 1}

其中D₁、D₂分别为近标线右、左点；G₁、G₂分别为远标线右、左点；所以每一个实际坐标(x，y)都可以表示为左、右光电器件所成像的重心坐标的转换；

4)当坝肩基点发生变形时，监测***会随之在水平方向产生位移，此时垂线在光电器件的靶面上的成像会发生偏移，基于双目立体视觉原理通过计算得出发生偏移之后垂线新的坐标位置，两个坐标之间的差值ΔX和ΔY就是偏移量，而且通过偏移量的正负可以得出偏移方向。

上述方法中，所述的测量场指的是100*100范围的正方形测量区域，其中正方形的中心位于两个透镜连线的中垂线上，正方形底边与两个透镜的连线平行。

一种大坝坝肩基点变形的监测装置，其特征在于，包括设置在坝肩基点的光学成像测量***，该光学成像测量***的光源部分由一个面光源构成宽视场背景光源，成像测量部分包括左、右透镜，以及左、右光电器件；标定时垂线放置在左、右透镜光心连线的中垂线上，面光源上的光均匀投射在垂线上，经过左、右透镜在左、右光电器件的靶面上分别成像；光电器件通过控制装置和通讯装置与一个远程监测中心通过无线或有线方式实现同步接收及传递监测数据。

上述监测装置中，光学成像测量***安装在底座上，该底座上设置有校准标志物，当更换光学成像测量***时，测量装置通过所述校准标志物可以实现自校准，可避免安装误差带来的测量误差，保证大坝变形监测数据的延续性。

本发明采用先进的线阵(或者面阵)电荷耦合器件CCD作为传感单元的主要部件，用STC芯片实现CCD的程控驱动、信号处理和识别、细分、计算及通信等功能。结构简单、性价比高，并且采用非接触式测量，测量精确度高。

此外，本发明测量装置的光接收和传递发射的工作是连续的，不但可以进行大坝坝肩基点变形量的定时采集，而且可以进行大坝坝肩基点变形的高精度实时采集监测，更方便快捷的了解大坝坝肩基点的变形，使测量更加准确和安全。这样可以使监测人员能够对大坝的各种变形进行分析，对大坝的异常变化能够提前做出判断和处理，并对优化设计提供依据。本发明可用于各种大坝、桥梁、高楼和高边坡的基点的变形测量。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

图1是本发明监测方法原理示意图。

图2是本发明监测装置结构示意图。

图1图2中：1、右透镜；2、左透镜；3、右光电器件；4、左光电器件；5、近标线右点；6、近标线左点；7、远标线右点；8、远标线左点；9、垂线；10、镜头；11、测量场；12、亚克力板；13、面光源。

具体实施方式

如图1所示，一种大坝坝肩基点变形的监测方法，包括：

1)在大坝坝肩基点装设一套光学成像测量***，该光学成像测量***的光源部分是由一个面光源13(背景光源)和亚克力板12形成的宽视场均匀光，成像测量部分是由固定在基岩下30m处的垂线9，左、右透镜2、1(镜头10)，左、右光电器件4、3(线阵或面阵CCD，或CMOS)、与光电器件连接的电路板和通讯***组成，标定时垂线9放置在左、右透镜光心连线的中垂线上，面光源上的光通过亚克力板后均匀投射在垂线9上，经过左、右透镜在左、右光电器件的靶面上分别成像，根据双目立体视觉的原理得出成像重心坐标与实际垂线重心位置的转换关系式，这样就计算出垂线在测量场11内部的坐标位置，随着成像阴影重心的位置的变化，就可以知道垂线的位置的变化。当垂线移动时，两个光电器件3、4靶面上的成像阴影都会随之移动，阴影重心移动的距离通过公式变换就能得出垂线移动的实际距离，进而可以测出垂线与CCD之间的相对位移。

2)在测量之前要进行标定，基于双目立体视觉的原理，通过标定确定出转换关系中的两组系数，标定的时候首先将垂线9放置在测量场最前端的中点，将垂线在近标线右点5上移动，不能超过测量场，记录数据，之后将被测物移至远标线右点7，不超过测量边界，记录数据，求出近标线和远标线的直线方程，这就是标定的过程。

3)标定完之后，进行测量时，选取垂线在测量场内的坐标为(x，y)，由于垂线经过镜头10分别在左右光电器件3、4上面均能成像，所以在图1中所示的两条光线的交叉点便是(x，y)，近标线和远标线分别表示为G＝mx²+nx+l和D＝ax²+bx+c通过标定可以得出各个系数，所以测量区域的远近标线上的点都可以通过这两个公式求出来，当垂线位于测量区域内任意位置时，该垂线与两个镜头的光心的连线的交叉点就是它在测量区域内的实际坐标，其中左边透镜和垂线连线的直线方程可以表示为L：y＝y₀+λ(y₁-y₀)，x＝x₀+λ(x₁-x₀)和R：(y＝y′₀+Δ(y′₁-y′₀)，x＝x′₀+Δ(x′₁-x′₀))，通过计算可以得出λ＝Δ，而且

λ = Δ = \frac{D_{2} - D_{1}}{G_{2} - G_{1} + D_{2} - D_{1}} = \frac{1}{\frac{G_{2} - G_{1}}{D_{2} - D_{1}} + 1}

其中D₁、D₂分别为近标线右、左点；G₁、G₂分别为远标线右、左点；所以每一个实际坐标(x，y)都可以表示为左右光电器件所成像的重心坐标的转换。

4)当坝肩基点发生变形时，监测装置会随这坝肩的变形而在水平方向上产生位移，此时垂线在光电器件的靶面上所成的像会发生偏移，基于双目立体视觉原理可以通过计算得出发生偏移之后垂线新的坐标位置，两个坐标之间的差值ΔX和ΔY就是偏移量，而且通过偏移量的正负可以得出偏移方向。

本发明的自基准位移监测装置结构如图2所示，包括一面光源13，该面光源发出的光线经过放置在其前面的亚克力板12形成宽视场均匀光，该光线投射在垂线9上，经过镜头10之后在光电器件CCD上成像，垂线放置在测量场11的范围内，CCD将通过电路板和通讯***可以实现测量数据的远程传输；这里选取的测量场指的是100*100范围的正方形测量区域，其中正方形的中心位于两个透镜连线的中垂线上，正方形底边与两个透镜的连线平行。当改变成像透镜参数和两个光学成像***的结构参数时，可以形成更大测量范围(200×200mm、300×300mm等)。

本发明的监测装置中，光学成像测量***安装在底座上，该底座上设置有校准标志物，当测量装置更换时，测量装置通过安装在底座的校准标志物可以实现自校准，避免了安装误差带来的测量误差，保证了大坝变形监测数据的延续性。

Claims

1.一种大坝坝肩基点变形的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在大坝坝肩基点装设光学成像测量***，该光学成像测量***的光源部分是由一个面光源作为宽视场背景光源，成像测量部分包括左、右透镜，左、右光电器件；标定时垂线放置在左、右透镜光心连线的中垂线上，垂线经过左、右透镜在左、右光电器件的靶面上分别成像，根据双目立体视觉原理得出成像重心坐标与实际垂线重心位置的转换关系式，计算出垂线在测量场内的坐标位置，随着成像重心位置的变化，获得垂线位置的变化；当垂线移动时，左右成像都会随之移动，成像重心移动的距离通过公式变换就能得出垂线移动的实际距离，与初始位置相减，进而测出垂线的位移；

λ = Δ = \frac{D_{2} - D_{1}}{G_{2} - G_{1} + D_{2} - D_{1}} = \frac{1}{\frac{G_{2} - G_{1}}{D_{2} - D_{1}} + 1}

2.如权利要求1所述的大坝坝肩基点变形的监测方法，其特征在于，所述测量场指的是100×100mm范围的正方形测量区域，其中正方形的中心位于两个透镜连线的中垂线上，正方形底边与两个透镜的连线平行。

3.一种大坝坝肩基点变形的监测装置，其特征在于，包括设置在坝肩基点的光学成像测量***，该光学成像测量***的光源部分由一个面光源构成宽视场背景光源，成像测量部分包括左、右透镜，以及左、右光电器件；标定时垂线放置在左、右透镜光心连线的中垂线上，垂线经过左、右透镜在左、右光电器件的靶面上分别成像；光电器件通过控制装置和通讯装置与一个远程监测中心通过无线或有线方式实现同步接收及传递监测数据。

4.如权利要求3所述的大坝坝肩基点变形的监测装置，其特征在于，光学成像测量***安装在底座上，该底座上设置有校准标志物，当更换光学成像测量***时，监测装置通过所述校准标志物可以实现自校准。