本發(fā)明涉及庫岸危巖崩塌監(jiān)測，特別是指一種基于激光雷達(dá)定位與傾角測斜的危巖運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、危巖崩塌是常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，其成因復(fù)雜，分布廣泛，具有隱蔽性、突發(fā)性、致災(zāi)性等特征，致使早期有效預(yù)警一直難以實(shí)現(xiàn)。庫岸區(qū)危巖隱患早期識(shí)別、孕災(zāi)機(jī)制、監(jiān)測預(yù)警與治理，是學(xué)科前沿關(guān)注的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，同時(shí)也是行業(yè)的重大需求。危巖崩塌的早期預(yù)警技術(shù)一直是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，而有效的早期預(yù)警依賴于配套的監(jiān)測裝備，因此迫切需要開發(fā)一種危巖監(jiān)測方法及裝置，對危巖運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與預(yù)警。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，常規(guī)的基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的靜態(tài)坐標(biāo)定位方法一方面解算時(shí)間較長，難以及時(shí)獲取到運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，另一方面易受到雨水天氣影響，而危巖崩塌往往發(fā)生在連續(xù)暴雨天，致使定位精度存在較大的誤差，難以有效監(jiān)測危巖崩塌過程及早期預(yù)警。通過布設(shè)位移計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法雖然獲取了較高的精度，但局部的監(jiān)測無法實(shí)現(xiàn)危巖體整體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的解算，同時(shí)也存在地形適用性方面的限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光雷達(dá)定位與傾角測斜的危巖運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及方法，采用激光雷達(dá)測量距離，以及可重復(fù)使用的手持rtk測量儀對三個(gè)球形靶點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行一次定位，硬件設(shè)備造價(jià)較低，適合在庫岸危巖區(qū)域進(jìn)行大量布設(shè)；能夠?qū)崟r(shí)獲取危巖測點(diǎn)的三維運(yùn)動(dòng)軌跡和傾角變化，具有對運(yùn)動(dòng)姿態(tài)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)功能，從而實(shí)現(xiàn)庫岸危巖運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的監(jiān)測及預(yù)警。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一方面，提供了一種基于激光雷達(dá)定位與傾角測斜的危巖運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：坐標(biāo)定位裝置、傾角測量裝置、供電裝置與監(jiān)測基站；

4、所述坐標(biāo)定位裝置包括布置在危巖測點(diǎn)的激光雷達(dá)、布置在危巖變形區(qū)域外的三個(gè)球形靶點(diǎn)、以及手持rtk測量儀；所述激光雷達(dá)用于測量危巖測點(diǎn)與三個(gè)球形靶點(diǎn)的距離，所述手持rtk測量儀用于定位三個(gè)球形靶點(diǎn)的球心三維坐標(biāo)；

5、所述傾角測量裝置包括布置在危巖測點(diǎn)的傾角儀和加速度計(jì)；所述傾角儀用于測量危巖測點(diǎn)的傾斜角，所述加速度計(jì)用于測量危巖測點(diǎn)的加速度；

6、所述供電裝置用于給所述坐標(biāo)定位裝置及所述傾角測量裝置供電；

7、所述監(jiān)測基站安裝后處理軟件，所述后處理軟件包括激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)控模塊和預(yù)警模塊；

8、所述激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊用于生成球形靶點(diǎn)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并根據(jù)三球面定位法解算出危巖測點(diǎn)的三維坐標(biāo)；所述運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)控模塊用于根據(jù)不同時(shí)刻危巖測點(diǎn)的三維坐標(biāo)繪制運(yùn)動(dòng)軌跡，并結(jié)合測量的傾斜角生成危巖運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模型；所述預(yù)警模塊用于根據(jù)危巖運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模型計(jì)算出危巖的變形數(shù)據(jù)，并將加速度、變形數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行對比，當(dāng)其中任意一項(xiàng)超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)對危巖崩塌進(jìn)行預(yù)警。

9、可選地，所述激光雷達(dá)、所述傾角儀和所述加速度計(jì)安裝在第一支架上，所述第一支架包括萬向節(jié)、升降螺桿、緊固螺栓、支架下段、支架中段、支架上段、加勁板、固定板、基座、螺栓、調(diào)平螺帽、自攻螺絲、圓柱形銷釘；

10、所述激光雷達(dá)通過所述萬向節(jié)與所述升降螺桿連接，能夠?qū)崿F(xiàn)前、后、左、右轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)；所述激光雷達(dá)與所述萬向節(jié)通過所述圓柱形銷釘連接；所述激光雷達(dá)的輻射范圍能夠在危巖運(yùn)動(dòng)后仍然覆蓋所述球形靶點(diǎn)；

11、所述升降螺桿的上端擰入所述萬向節(jié)下方的螺絲孔進(jìn)行固定；所述升降螺桿的下端擰進(jìn)所述支架上段的螺絲孔內(nèi)，采用所述緊固螺栓進(jìn)行鎖定；單個(gè)或者多個(gè)所述支架中段將所述支架下段和所述支架上段連接；

12、所述支架下段底部設(shè)有所述固定板，并采用所述加勁板進(jìn)行加固；所述固定板通過所述螺栓與所述基座連接；所述螺栓在穿過所述固定板時(shí)上、下各布設(shè)一個(gè)所述調(diào)平螺帽，用于緊固和調(diào)平所述固定板；

13、所述傾角儀和所述加速度計(jì)采用所述自攻螺絲固定在所述支架下段。

14、可選地，所述球形靶點(diǎn)安裝在第二支架上，所述第二支架包括升降螺桿，所述球形靶點(diǎn)設(shè)有螺絲孔，所述升降螺桿擰入所述螺絲孔進(jìn)行固定；

15、所述球形靶點(diǎn)包括白色鋼球，所述白色鋼球能夠?qū)す膺M(jìn)行反射。

16、可選地，所述激光雷達(dá)搭載有測繪相機(jī)，所述激光雷達(dá)生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，所述測繪相機(jī)為所述三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)著色，使監(jiān)測基站的后處理軟件能夠識(shí)別出所述三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的球形靶點(diǎn)；

17、所述激光雷達(dá)的掃描模式為重復(fù)掃描，水平視角為180°，垂直視角為75°，所述激光雷達(dá)的量程大于50?m，誤差小于2?mm；所述激光雷達(dá)采用無線電通信，搭載有無線發(fā)射器，無線頻率為2.4?ghz；

18、所述傾角儀測量x和y兩個(gè)方向的傾斜角，用于呈現(xiàn)危巖傾斜方向；所述傾角儀采用無線電通信，配有無線發(fā)射器，無線頻率為2.4ghz；

19、所述加速度計(jì)測量x和y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)加速度，用于獲取危巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；所述加速度計(jì)采用無線電通信，配有無線發(fā)射器，無線頻率為2.4ghz。

20、可選地，所述供電裝置為太陽能供電裝置，包括太陽能電池組、蓄電池、逆變器和控制器；

21、所述監(jiān)測基站包括無線接收器和pc端，所述無線接收器采用usb接口與所述pc端連接；

22、所述pc端安裝所述后處理軟件，所述后處理軟件二次開發(fā)一個(gè)插件，所述插件能夠識(shí)別出所述三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的三個(gè)球形靶點(diǎn)；所述激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)三球面定位法解算出危巖測點(diǎn)的三維坐標(biāo)；

23、所述運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)控模塊根據(jù)不同時(shí)刻危巖測點(diǎn)的三維坐標(biāo)繪制運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)合測量的傾斜角生成危巖運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模型，并實(shí)時(shí)呈現(xiàn)；

24、所述預(yù)警模塊根據(jù)危巖運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模型計(jì)算出危巖的變形數(shù)據(jù)，并將加速度、變形數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值對比，當(dāng)其中任意一項(xiàng)超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)對危巖崩塌進(jìn)行預(yù)警。

25、另一方面，提供了一種基于激光雷達(dá)定位與傾角測斜的危巖運(yùn)動(dòng)監(jiān)測方法，所述方法基于上述任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟：

26、s1、在危巖測點(diǎn)布置激光雷達(dá)、傾角儀和加速度計(jì)，并在危巖變形區(qū)域外布置三個(gè)球形靶點(diǎn)；

27、s2、采用手持rtk測量儀定位三個(gè)球形靶點(diǎn)的球心三維坐標(biāo)，并利用激光雷達(dá)測量危巖測點(diǎn)與每個(gè)球形靶點(diǎn)的距離，根據(jù)三球面定位法解算出危巖測點(diǎn)的三維坐標(biāo)；

28、s3、利用傾角儀測量危巖測點(diǎn)的傾斜角，并利用加速度計(jì)測量危巖測點(diǎn)的加速度；

29、s4、根據(jù)不同時(shí)刻危巖測點(diǎn)的三維坐標(biāo)繪制運(yùn)動(dòng)軌跡，并結(jié)合測量的傾斜角生成危巖運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模型；

30、s5、根據(jù)危巖運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模型計(jì)算出危巖的變形數(shù)據(jù)，將加速度、變形數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行對比，當(dāng)其中任意一項(xiàng)超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)對危巖崩塌進(jìn)行預(yù)警。

31、可選地，所述步驟s1中，在現(xiàn)場選取一個(gè)危巖測點(diǎn)和三個(gè)球形靶點(diǎn)，設(shè)三個(gè)球形靶點(diǎn)分別為球形靶點(diǎn)1、球形靶點(diǎn)2、球形靶點(diǎn)3，四個(gè)點(diǎn)位滿足如下關(guān)系式：

32、

33、其中，l12、l13、l23分別為球形靶點(diǎn)1與球形靶點(diǎn)2的距離、球形靶點(diǎn)1與球形靶點(diǎn)3的距離、球形靶點(diǎn)2與球形靶點(diǎn)3的距離；r01、r02、r03分別為球形靶點(diǎn)1、球形靶點(diǎn)2、球形靶點(diǎn)3的初始半徑，即危巖測點(diǎn)與球形靶點(diǎn)1、球形靶點(diǎn)2、球形靶點(diǎn)3的初始距離。

34、可選地，所述步驟s2中，根據(jù)三球面定位法解算出危巖測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，過程如下：

35、

36、其中，xt、yt、zt為待求的危巖測點(diǎn)在不同時(shí)刻的三維坐標(biāo)；x1、y1、z1為球形靶點(diǎn)1的球心三維坐標(biāo)，x2、y2、z2為球形靶點(diǎn)2的球心三維坐標(biāo)，x3、y3、z3為球形靶點(diǎn)3的球心三維坐標(biāo)，三個(gè)球形靶點(diǎn)的球心三維坐標(biāo)由手持rtk測量儀測量，為不隨時(shí)間變化的定值；rt1、rt2、rt3分別為不同時(shí)刻球形靶點(diǎn)1、球形靶點(diǎn)2、球形靶點(diǎn)3與危巖測點(diǎn)的距離，即三球面定位法中的半徑。

37、可選地，所述三球面定位法解算危巖測點(diǎn)的三維坐標(biāo)采用解析法或數(shù)值近似解法。

38、可選地，所述步驟s4中，危巖運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模型包括運(yùn)動(dòng)軌跡和傾斜角；其中，運(yùn)動(dòng)軌跡包含x，y，z三個(gè)方向，傾斜角包含x，y兩個(gè)方向；

39、將不同時(shí)刻危巖測點(diǎn)放在對應(yīng)的三維空間坐標(biāo)位置，并賦予對應(yīng)的傾斜角，進(jìn)行渲染與展示，得到危巖運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模型。

40、另一方面，提供了一種電子設(shè)備，所述電子設(shè)備包括：

41、處理器；

42、存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)可讀指令，所述計(jì)算機(jī)可讀指令被所述處理器加載并執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)如上述基于激光雷達(dá)定位與傾角測斜的危巖運(yùn)動(dòng)監(jiān)測方法的步驟。

43、另一方面，提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有程序代碼，所述程序代碼可被處理器調(diào)用執(zhí)行如上述基于激光雷達(dá)定位與傾角測斜的危巖運(yùn)動(dòng)監(jiān)測方法的步驟。

44、本發(fā)明提供的技術(shù)方案帶來的有益效果至少包括：

45、本發(fā)明實(shí)施例中，采用手持rtk測量儀定位球形靶點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，再采用激光雷達(dá)定位危巖測點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)gnss實(shí)時(shí)定位技術(shù)易受天氣影響造成精度差、時(shí)效性低、易受干擾等問題；采用激光雷達(dá)測量距離，以及可重復(fù)使用的手持rtk測量儀對三個(gè)球形靶點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行一次定位，硬件設(shè)備造價(jià)較低，適合在庫岸危巖區(qū)域進(jìn)行大量布設(shè)；能夠?qū)崟r(shí)獲取危巖測點(diǎn)的三維運(yùn)動(dòng)軌跡、傾角變化及加速度變化，具有對運(yùn)動(dòng)姿態(tài)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)功能，從而實(shí)現(xiàn)庫岸危巖運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的監(jiān)測及預(yù)警。