一种高拱坝谷幅变形动态监测系统及其监测方法
技术领域
本发明涉及谷幅变形动态监测系统，具体涉及一种基于毫米波雷达及计算机视觉的高拱坝谷幅变形动态监测系统及其监测方法。
背景技术
谷幅变形是一种自然现象，该现象在高拱坝建设运营期间更为显著，谷幅变形特点会影响拱坝工作性态和长期安全性。谷幅变形监测是反映山体变形的重要指标，原理是在河谷两岸上按需要设置多对测线，通过记录测线长度的变化，得到谷幅变形的时间变化特点。
目前对谷幅变形的监测主要采用人工监测，在两岸设置基准点，现有技术基于传统测量学进行测距等变形监测，只能监测测点水平距离变化，观测结果单一，在进行谷幅成因机理等分析时，反映谷幅变形特点的变量不够丰富。此外，人工监测受大风、暴雨等自然天气影响较大，实际监测数据缺省较多，且不能做到实时动态监测，同时不能进行即时数据处理，实时展示山体变形特点。因而，开发一种能实时动态监测高拱坝谷幅变形的自动化监测系统，丰富监测值种类，避免恶劣自然天气带来的监测困难，提高数据反馈的时间效益，是很有必要的。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于毫米波雷达及计算机视觉的高拱坝谷幅变形动态监测系统及其监测方法，选用依据环境特点可变色的基准点标识，结合计算机视觉确定参考点角度，连接毫米波雷达并结合对岸参考点测量距离，输入用户交互系统更新变形矩阵并计算，最终进行可视化展示。以解决现有人工监测技术受大风、暴雨等自然天气影响较大，不能做到实时动态监测，同时不能进行即时数据处理，实时展示山体变形特点的问题。
本发明的技术方案是：一种高拱坝谷幅变形动态监测系统，包括参考基准点及自动监测系统；
所述的自动监测系统包括通过有线线路相互连接的监测装置及用户交互系统，其中，所述的监测装置包括视觉相机系统和毫米波雷达系统；
所述的参考基准点安置在自动监测系统的对岸位置，且初始布设位置为对岸观察监测装置的水平平面内垂直于河谷方向的对岸岸坡点。
进一步的，所述参考基准点为颜色可人为设定的发光装置，其包括内圈组件和外圈组件；所述的内圈组件包括反光材料及若干个可人工选择颜色的LED灯，所述的外圈组件包括反光材料及位于外圈组件边缘的强光灯串。
进一步的，所述的反光材料为抛光氧化镜面铝。
进一步的，所述参考基准点设置于山体的左(右)岸，所述自动监测系统装置设置于参考基准点的对岸。
进一步的，一种高拱坝谷幅变形动态监测系统的监测方法，其具体操作步骤如下：
(5.1)、根据大坝工程建设的实际情况，参考水文地质情况、水库调度计划、位置特点，确定测线位置，确定测线位置，在拱坝的一侧山体上安设有参考基准点，在其另一侧安设有自动监测系统；
(5.2)、根据季节特点，结合山体植被覆盖情况，设置内圈组件中的LED灯；
(5.3)、对于某一测线，基于视觉相机系统捕捉参考基准点的位置，结合相机坐标及图像坐标，确定参考基准点相对于视觉相机系统和毫米波雷达系统的角度坐标；
(5.4)、对于步骤(5.3)中所述的测线，基于毫米波雷达系统，结合其所获得的参考基准点的角度坐标，确定毫米波雷达系统与参考基准点的相对距离；
(5.5)、将步骤(5.3)、(5.4)计算得到的参考基准点的角度坐标、相对距离输入到用户交互系统中，并计算处理监测结果，更新实时监测数据矩阵，按照用户选择进行可视化展示；
其中，所述的监测结果具体包括雷达监测相对距离、位置相对变化角度，所述实时监测数据矩阵包括雷达监测相对距离、位置相对变化角度及对监测结果处理后得到的谷幅变形值、谷幅变形速率。
本发明的有益效果是：本发明效率高，成本低，实现谷幅变形自动化监测，减少了大风暴雨等极端自然天气对谷幅变形监测工作的影响，同时从建立用户交互系统，可以实时观测谷幅变形相关曲线并比较各测点变形特点，减少了人力投资，提高了观测效率，具有较好的时间、经济效益，为谷幅变形监测技术提供参考。
附图说明
图1为本发明的结构流程图；
图2为本发明中坝谷幅测线布设图；
图3为本发明中参考基准点的内圈及外圈组件结构示意图；
图4为本发明的参考基准点的结构示意图；
图5为本发明中自动监测系统的结构流程图；
图6为本发明中像素坐标系及图像坐标系的换算示意图；
图7为本发明中图像坐标系及相机坐标系的换算示意图；
图8为本发明中雷达坐标系及世界坐标系的换算示意图；
图9为本发明中用户交互系统的操作界面示意图；
图中1是强光灯串，2是反光材料，3是LED灯。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
一种高拱坝谷幅变形动态监测系统，包括参考基准点及自动监测系统；
所述的自动监测系统包括通过有线线路相互连接的监测装置及用户交互系统，其中，所述的监测装置包括视觉相机系统和毫米波雷达系统；
所述的参考基准点安置在自动监测系统的对岸位置，且初始布设位置为对岸观察监测装置的水平平面内垂直于河谷方向的对岸岸坡点。
进一步的，所述参考基准点为颜色可人为设定的发光装置，其包括内圈组件和外圈组件；所述的内圈组件包括反光材料2及若干个可人工选择颜色的LED灯3，所述的外圈组件包括反光材料2及位于外圈组件边缘的强光灯串1。
进一步的，所述的反光材料2为抛光氧化镜面铝。
进一步的，所述参考基准点设置于山体的左(右)岸，所述自动监测系统装置设置于参考基准点的对岸。
进一步的，一种高拱坝谷幅变形动态监测系统的监测方法，其具体操作步骤如下：
(5.1)、根据大坝工程建设的实际情况，参考水文地质情况、水库调度计划、位置特点(高程、上下游等)，确定测线位置，确定测线位置，在拱坝的一侧山体上安设有参考基准点，在其另一侧安设有自动监测系统；
(5.2)、根据季节特点，结合山体植被覆盖情况，设置内圈组件中的LED灯；
(5.3)、对于某一测线，基于视觉相机系统捕捉参考基准点的位置，结合相机坐标及图像坐标，确定参考基准点相对于视觉相机系统和毫米波雷达系统的角度坐标；
(5.4)、对于步骤(5.3)中所述的测线，基于毫米波雷达系统，结合其所获得的参考基准点的角度坐标，确定毫米波雷达系统与参考基准点的相对距离；
(5.5)、将步骤(5.3)、(5.4)计算得到的参考基准点的角度坐标、相对距离输入到用户交互系统中，并计算处理监测结果，更新实时监测数据矩阵，按照用户选择进行可视化展示；
其中，所述的监测结果具体包括雷达监测相对距离、位置相对变化角度，所述实时监测数据矩阵包括雷达监测相对距离、位置相对变化角度及对监测结果处理后得到的谷幅变形值、谷幅变形速率；
所述视觉相机系统捕捉基准点位置，得到监测目标方向信息，并将信息处理后输入毫米雷达系统；毫米波雷达按照确定方向，进行距离探测，得到距离信息，距离信息处理后输入用户交互系统，更新监测数据，用户可视化。
具体的，如图1所示，一种基于毫米波雷达及视觉信息的高拱坝谷幅变形动态监测系统，包括参考基准点，自动监测系统，参考基准点设置于其他设备装置对岸位置，且初始布设位置为对岸观察监测设备的水平平面内垂直于河谷方向的对岸岸坡点；自动监测系统包括视觉相机系统、毫米波雷达系统及用户交互系统；选用依据环境特点可变色的基准点标识，结合计算机视觉确定参考点角度，连接毫米波雷达并结合对岸参考点测量距离，输入用户交互系统更新变形矩阵并计算，最终进行可视化展示。
如图2所示，为实施例的坝区谷幅测线布设图，坝区按位置特点(高程、上下游等)不同共布设4条测线，其中一侧为参考基准点布设位置(1-4)，另一侧为自动监测系统布设位置(1′-4′)。
如图3-4所示，所述参考基准点由LED灯3、反光材料2、强光灯串1组成，可以根据季节特点，结合山体植被覆盖情况，设置合适的LED灯3颜色，实施例中，在植被茂盛的夏季选择对比色红色为LED颜色，在植被稀疏的冬季，选择与山体颜色(红土)对比度较高的绿色；所述参考基准点的外圈组件为反光材料2及设置在其边缘的强光灯串1，所述参考基准点装置的内圈组件为反光材料2与LED灯3组成，保证了光线不足的天气下计算机视觉计算的可靠性，有利于提高计算机视觉的运算准确率，每次重置灯色后需同步将当前当前参考基准点LED灯色彩的对应的像素编码值在自动监测系统中预设为目标色彩值。
如图5所示，所述自动监测系统的实施流程如图所示，视觉相机系统识别对岸基准点，并结合相机坐标及图像坐标，换算世界坐标系，确定参考基准点相对监测装置的角度坐标，得到监测目标方向信息(α″′，β″′)，并将信息处理后输入毫米波雷达系统。毫米波雷达按照参考基准点角度坐标，确定监测装置与参考基准点的相对方向，进行距离探测，确定雷达坐标，得到相对距离信息l，将相对距离等信息输入到用户交互系统，更新实时监测数据矩阵，按照用户选择进行可视化展示。
其中，所述参考基准点在图像坐标系的具体确定方法如下，相机拍摄图片通过像素点标记，以单位像素为计量单位通过数字信号进行储存，储存形式为二维数组，数组为像素色彩信息集合；首先通过对比设定的当前目标参考基准点目标色彩值确定目标参考点在像素坐标系的位置为(z′,y′)，而图像坐标系单位为长度计量单位mm，在具体计算时需按如下方式进行换算，两坐标系换算示意图如图6所示，其中，坐标系Z"O"Y"为像素坐标系，坐标系Z′O′Y′为图像坐标系，按照几何关系得目标参考点在图像坐标系的位置(z″,y″)为：
其中，所述基准点在雷达坐标系的方向信息(α″′，β″′)具体确定方法如下，参考图7，O点为相机光心，A-A’是相机平面，B-B’是图像平面，P(z,y)为参考基准点，P′(z′,y′)为成像像素点位置，q为相机焦距，α为所述坐标系X轴与OP连线的夹角，β为所述坐标系Z轴与O′P′的夹角；由图4可推到：
tanα＝t/q
tanβ＝y′/z′
可得空间中一点，由视觉相机可确定在相机坐标系中的坐标表示(α，β)，具体为：
α＝arctan t/q
β＝arctan y′/z′
对于雷达坐标系而言，与相机坐标系只有位置的差异，进一步推算，可得空间中一点，在雷达坐标系中的坐标表示(α″′，β″′)，具体为：
其中，R为关系旋转矩阵，T为平移矩阵，取决于视觉相机及雷达的布设相对位置。
其中，确定监测设备与参考基准点的相对方向后，进行距离探测，布设如图8所示，黑色山体表示变形前的山体剖面轮廓线，灰色山体表示受到坝区山体变形后的剖面轮廓线，谷幅变形值确定具体步骤如下：
第一步，人工获取对应参考基准点处雷达监测区域内的静态杂波基底图，具体如设置参考点的山体植被信息、山体地表信息、配套静态设施(护栏等)信息等；
第二步，人工获取记录所述参考基准点雷达监测波基底图；
第三步，雷达进行目标区域扫描获取回波图，对比静态杂波基底图滤除杂波信息，同时对目标区域进行多次扫描，山体变形属于微量变形，对于单次测量时段而言，可视为静止状态，所以对多次测量并判别为动态物体反射的杂波进行滤除操作；
第四步，对过滤后的回波图进行成像分析，对比
第五步，按照锁定目标的雷达回波，确定探测距离值L。换算世界坐标系，可计算出谷幅变形位移值(h为竖向位移、l为横向位移)，具体为：
h＝L·sinα″′sinβ″′
l＝L·sinα″′cosβ″′其中，相对距离等数据输入到用户交互系统后，更新实时监测数据矩阵后进行用户可视化处理，如图9，用户可以在左侧任务栏指定具体测线的不同监测数据进行展示，数据处理结果将通过时间序列曲线的形式绘图展示在界面右侧的图形展示区域内；实时监测数据矩阵为Wi，具体包括谷幅变形值hi0、li0、谷幅变形速率vi0、雷达监测相对距离Li0、位置相对变化角度(α″′i0，β″′i0)，单位监测时间同步于单位更新时间，依据实际工程需求设定，如24h，则第n次测量时单次测量数据矩阵为：
wn＝[hn ln vn Lnα″′nβ″′n]
其中，谷幅变形速率vi的确定方法为：
i为监测次数统计，即第i次监测，t为单位监测间隔时长，依据实际工程特点及需求设定；
实时监测数据矩阵为：
