多测点三维位移测量方法和测量系统与流程

1.本发明涉及工程位置变形测量技术领域，尤其涉及一种多测点三维位移测量方法和测量系统。


背景技术：

2.基坑监测是保证基坑健康运营和使用的必要工作，其中位移和沉降是重要的度量参数，准确测量基坑的相对位移和沉降对于施工有着极大的意义，可以有效地保障结构的安全、指导后续施工的进行。传统的位移监测方法可分为接触式测量与非接触式测量两大类。接触式测量主要有大地测量方法、物理传感器方法等，非接触式测量主要有gps测量法、激光扫描法、摄像法等。
3.目前使用较多的方法包括gps测量法、激光扫描技术等。其中，gps测量方法近十年来兴起的一种新方法，它的应用给测量技术带来了一场深刻的革命。gps测量法有很多优点，诸如观测精度高，监测不受天气条件限制，可进行全天候监测，监测、记录和计算全自动完成，监测点之间不需通视，选点不受地形条件限制等，不足之处在于观测点数量有限，因每个观测点都需要布设接收机造成的测量成本较高，无法实现室内或地下作业，容易受到卫星状态影响，测量精度低。激光扫描法是继gps测量法的又一次技术改革。激光测试精度高，所采集的数据是直接获取的数字信号，具有全数字特征，便于处理和输出等，不足之处在于激光扫描技术主要依赖于设备，这种专业设备成本较高，测试时会受到激光发射设备方向的限制，测量精度低，无法长期的监测。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中测量设备成本高，测量时容易受测量设备影响而给测量带来误差使得测量精度低的技术问题，本发明提供多测点三维位移测量方法和测量系统，在基坑监测区域测量时，在不与靶标接触的情况下，通过采集靶标的图像信息并进行处理分析，获取靶标的三维位移，测量时不受测量设备影响给测量带来误差，能够连续的、长期的以及实时的测量三维位移变化，测量精度高，测量设备成本低。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多测点三维位移测量方法，所述测量方法包括以下步骤：步骤s1：设备安装，在基坑监测区域设置至少两条监测路线，所述每条监测路线上安装有多个靶标，每条监测路线从起点靶标到终点靶标上设置有多个监测点lj，其中，j=1，2，
…
j，所述基坑监测区域安装有图像采集设备，每条监测路线上的每个监测点均在所述图像采集设备的采集范围内；步骤s2：建立测量坐标系，以靶标所在平面为测量坐标系的o-xy平面，垂直于o-xy平面方向为测量坐标系的z轴方向；步骤s3：图像信息采集和分析，通过转动所述图像采集设备对每条监测路线上的每个监测点依次进行图像采集，当一条监测路线的所述监测点的图像采集完成后，通过转
动所述图像采集设备，对所述基坑监测区域所有监测路线上的监测点进行图像采集，获取多张图像信息，每个图像信息上至少包括两个靶标，然后将所述图像信息传输至智能计算模块中；所述智能计算模块获取所述图像信息，并对图像信息进行处理和计算，获取每张图像信息中所述靶标的相对位移值和相对实际位移值；步骤s4：选择锚点，人工选取一个所述靶标为锚点，人工测量该锚点的绝对位置，所述锚点的绝对位置值为；步骤s5：靶标绝对位置计算，根据已知所述锚点的绝对位置值以及所述靶标的相对实际位移值计算所述靶标的绝对位置，所述靶标的绝对位置值为。
6.进一步，具体地，在步骤s1中，所述监测点lj具有两个相邻的靶标。
7.进一步，具体地，所述步骤s3包括以下步骤：步骤s31：所述图像采集设备对所述监测点lj进行图像采集，获取所述监测点lj的所述图像信息，所述图像信息包括所述两个相邻的靶标，所述两个相邻的靶标由固定靶标和相对靶标组成，将所述图像信息传输至所述智能计算模块中；步骤s32：所述智能计算模块获取所述图像信息，所述智能计算模块基于神经网络模型识别所述图像信息中的固定靶标11和相对靶标12，并获取所述固定靶标的像素坐标和所述相对靶标的像素坐标，所述固定靶标的像素坐标为，所述相对靶标的像素坐标为；步骤s33：根据所述固定靶标的像素坐标和所述相对靶标的像素坐标计算所述固定靶标和所述相对靶标在图像中的相对位移值，计算公式为：；步骤s34：所述智能计算模块获取在所述图像信息中所述相对靶标12的像素值piv和在测量坐标系的实际值acv，计算所述相对靶标12的像素值和实际值之间的转换参数p，计算公式为p=acv/piv；根据所述相对位移值和所述转换参数p得到所述固定靶标和所述相对靶标在水平方向和垂直方向的实际位移；步骤s35：通过多项式拟合和转换参数p，计算所述固定靶标和所述相对靶标在z轴方向的实际位移，所述相对实际位移值为；步骤s36：重复步骤s31至步骤s35，完成所述监测路线上所有监测点的图像采集，并对采集的图像信息进行处理和计算，获取每一个监测点上相对实际位移值。
8.进一步，具体地，所述步骤s5包括以下步骤：步骤s51：根据所述锚点的绝对位置值和所述相对实际位移值为
,计算所述靶标的绝对位置值；；步骤s52，迭代计算所述靶标的绝对位置值计算公式为：。
9.进一步，具体地，在步骤s1中，所述两条监测路线相交设置，所述图像采集设备靠近所述两条监测路线相交处安装，所述两条监测路线相交处安装有所述靶标。
10.作为优选，所述两条监测路线相交处的所述靶标为所述锚点。
11.进一步，具体地，在步骤s4中所述锚点的靶标比其他所述靶标的位移小。
12.进一步，具体地，在步骤s3中，所述图像采集设备包括可调节焦距参数的摄像机，图像信息获取时，设定每次拍摄的测量长度为两个相邻的靶标，对所述监测点图像采集一次，所述图像采集设备转动一次，所述可调节焦距参数的摄像机焦距调整一次；两个相邻的靶标间进行图像采集，n个监测点共获取（n-1）张图像信息。
13.一种如上所述的多测点三维位移测量方法中所使用的多测点三维位移测量系统，所述测量系统包括：靶标、图像采集设备和智能计算模块；所述靶标在所述基坑监测区域安装时，根据所述监测路线进行放置；所述图像采集设备包括可调节焦距参数的摄像机、云台和电源管理模块，所述可调节焦距参数的摄像机固定安装在所述云台上，所述云台为既能左右旋转又能上下旋转的全方位云台；所述可调节焦距参数的摄像机采集图像信息，并将图像信息传输到所述智能计算模块；所述智能计算模块获取所述图像信息，并对所述图像信息进行处理和计算，获取每张图像信息中所述靶标的相对位移值和相对实际位移值，并计算所述靶标的绝对位置值。
14.进一步，具体地，所述图像采集设备对所述监测路线进行图像采集时，根据所述监测路线上的所述监测点设置所述可调节焦距参数的摄像机焦距参数以及所述云台的转动角度。
15.本发明的有益效果是:（1）本发明的测量方法只需要在基坑监测区域安装靶标和图像采集设备，避免了图像采集设备与靶标直接接触，测量时不受测量设备影响给测量带来测量误差，有效防止在测量靶标时测量设备振动或测量设备偏移而给测量带来误差，提高了测量精度，测量设备成本低。
16.（2）本发明的测量方法基于图像采集设备对基坑监测区域的靶标进行非接触测量，通过智能计算模块计算位移信息，基于位移传递，可以得到靶标相对于锚点的位移变化，能够连续的、长期的以及实时的测量三维位移变化。
17.（3）本发明的测量方法中通过一个图像采集设备能够对多条监测路线进行测量，图像采集设备能够采集任意一条监测路线的多个监测点的图像信息，通过这种一对多的测
量方法，测量精度高，能够满足实际需求，具有很好的推广价值。另外，本发明的测量系统结构简单，测量结果准确度高，安全可靠、安装方便且安装成本低的优点。
附图说明
18.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
19.图1是本发明实施例测量系统结构示意图。
20.图2是本发明实施例一监测路线的图像采集示意图。
21.图3是本发明实施例图像采集设备存在偏移时成像状况示意图。
22.图4是本发明实施例的测量方法流程图。
23.图5是本发明实施例一监测点在图像坐标系示意图。
24.图6是本发明实施例一监测点在测量坐标系示意图。
25.图中1、靶标；2、图像采集设备；3、智能计算模块；11、固定靶标；12、相对靶标；l1、l2、l3、l4：监测点。
具体实施方式
26.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
27.如图1所示的一种多测点三维位移测量系统，测量系统包括靶标1、图像采集设备2和智能计算模块3。
28.靶标1在基坑监测区域安装时，根据监测路线进行放置，每条监测路线都安装有多个靶标1。在实际测量时，监测路线根据基坑监测区域环境提前设定，在监测路线安装靶标1，并从起点靶标到终点靶标上依次按顺序设置有多个监测点lj，其中，j=1，2，
…
j，监测点lj至少包括两个相邻的靶标，在本发明实施例中，监测点lj内有两个相邻的靶标。
29.图像采集设备2包括可调节焦距参数的摄像机、云台和电源管理模块，可调节焦距参数的摄像机与电源管理模块连接，电源管理模块用于给可调节焦距参数的摄像机和云台供电，可调节焦距参数的摄像机固定安装在云台上，云台为既能左右旋转又能上下旋转的全方位云台，云台内设置有控制模块，能够控制云台旋转到设定位置；可调节焦距参数的摄像机采集图像信息，并将图像信息传输到智能计算模块3；图像采集设备2对所述监测路线进行图像采集时，根据监测路线设置每次可调节焦距参数的摄像机的焦距参数以及每次云台的转动角度，使得监测路线上的每个监测点均在图像采集设备2的采集范围内，通过调整图像采集设备2的角度和焦距，图像采集设备2采集到的每个监测点的图像信息成像效果好。
30.智能计算模块3获取图像信息，并对图像信息进行处理和计算，获取每张图像信息中靶标1的相对位移值和相对实际位移值，并计算靶标1的绝对位置值。
31.靶标1的形状可以是矩形或圆形，但不仅限如此，靶标1的安装距离可以相等也可以不相等。在本发明实施例中标靶的形状为矩形。
32.在本发明实施例中，多测点三维位移测量系统在基坑监测区域测量时，不需要与靶标1接触，仅通过安装的图像采集设备2采集靶标1图像，通过智能计算模块3进行图像处理和计算，得到靶标1的绝对位置值，靶标1的绝对位置值为靶标1的三维位移坐标，测量时
不受测量设备影响给测量带来测量误差，避免了图像采集设备与靶标直接接触，有效防止在测量靶标时测量设备振动或测量设备偏移而给测量带来误差，提高了测量精度，测量设备成本低。
33.如图4-6所示，多测点三维位移测量方法，包括以下步骤：步骤s1：设备安装，在基坑监测区域设置至少两条监测路线，每条监测路线上安装有多个靶标1，每条监测路线从起点靶标到终点靶标上设置有多个监测点lj，其中，j=1,2
…
j,基坑监测区域安装有图像采集设备2，每条监测路线上的每个监测点均在图像采集设备2的采集范围内。
34.在本发明实施例中，如图1-2所示，基坑监测区域设置有两条监测路线，两条监测路线相交设置，两条监测路线分别为监测路线a和监测路线b，监测路线a依次安装有5个靶标1，监测路线b依次安装有6个靶标1，两条监测路线相交处有一共用靶标，以监测路线a为例，从监测路线a的起点靶标到终点靶标设置监测点，监测路线一共设置有4个监测点，4个监测点分别为监测点l1、监测点l2、监测点l3和监测点l4，每个监测点都有2个相邻的靶标，图像采集设备2靠近两条监测路线相交处安装。
35.在本发明一些实施例中，基坑监测区域设置的多条监测路线可以垂直设置、相交设置或平行设置，监测路线如何设置都需要保证通过转动图像采集设备2，每条监测路线的每个监测点都在所述图像采集设备2的采集范围内，且监测点无遮挡。
36.步骤s2：建立测量坐标系，以靶标1所在平面为测量坐标系的o-xy平面，垂直于o-xy平面方向为测量坐标系的z轴方向；步骤s3：图像信息采集和分析，通过转动图像采集设备2对每条监测路线的每个监测点依次进行图像采集，当一条监测路线的所有监测点的图像采集完成后，通过转动图像采集设备2，对所述基坑监测区域所有监测路线上的监测点进行图像采集，获取多张图像信息，每个图像信息上至少包括两个靶标，然后将图像信息传输至智能计算模块3中。
37.在本发明实施例中，图像采集设备2对监测路线a图像采集，可调节焦距参数的摄像机先对监测点l1进行图像采集，然后对监测点l2图像采集，在对监测点l2图像采集前，控制云台上下转动，以及对可调节焦距参数的摄像机焦距进行调整，使得监测点l2在图像采集设备2的采集范围内，依次对监测点l3和监测点l4图像采集，完成对监测路线a的所有监测点的图像采集后，再次控制云台左右转动，使得可调节焦距参数的摄像机再次对监测路线b的所有监测点进行图像采集，完成对监测路线a和监测路线b上所有监测点的图像采集，图像信息获取时，设定每次拍摄的测量长度为两个相邻的靶标，对监测点图像采集一次，可调节焦距参数的摄像机焦距就调整一次；两个相邻的靶标间进行图像采集，n个监测点共获取n-1张图像信息，若每条监测路线上安装的靶标数量相同，则m条监测路线共获取m*(n-1)张图像信息，每个图像信息有两个靶标。
38.智能计算模块3获取图像信息，并对图像信息进行处理和计算，获取每张图像信息中靶标1的相对位移值和相对实际位移值；步骤s3具体包括以下步骤：步骤s31：图像采集设备2对监测点l1进行图像采集，获取监测点l1的图像信息，图像信息有两个相邻的靶标，两个相邻的靶标由固定靶标11和相对靶标12组成，将图像信息
传输至智能计算模块3中。
39.步骤s32：智能计算模块3从智能设备中获取图像信息，智能计算模块3基于神经网络模型识别图像信息中的固定靶标11和相对靶标12，并获取固定靶标11的像素坐标和相对靶标12的像素坐标，固定靶标11的像素坐标为，相对靶标12的像素坐标为。
40.步骤s33：根据固定靶标11的像素坐标和相对靶标12的像素坐标计算固定靶标11和相对靶标12在图像中的相对位移值，计算公式为：。
41.步骤s34：智能计算模块3获取相对靶标12在图像信息中的像素值piv和在测量坐标系的实际值acv，计算相对靶标12的像素值piv获取对应的转换参数p，根据相对靶标12的像素值和实际值得到相对靶标12像素值和实际值之间的转换参数p=acv/piv，根据相对位移值和转换参数p可以得到固定靶标11和相对靶标12在水平方向和垂直方向的实际位移。
42.具体的，相对靶标12在测量坐标系的实际值acv通过测量获取，安装在基坑监测区域的靶标1为相同的靶标，在本发明实施例中只需测量一次靶标1的实际值，在本发明实施例中，由于拍摄角度不同，焦距不同，相对靶标12在图像坐标系中x、y轴方向的转换参数可能会相同，也有可能不同，为了提高测量方法的测量精度，分别计算相对靶标12在x轴方向的转换参数为和在y轴方向的转换参数为，计算公式为：；；其中，为在测量坐标系中相对靶标12在x轴方向的实际值，为在图像坐标系中相对靶标12在x轴方向的像素值，为在测量坐标系中相对靶标12在y轴方向的实际值，为在图像坐标系中相对靶标12在y轴方向的像素值。
43.计算固定靶标11和相对靶标12在水平方向（x轴方向）和垂直方向（y轴方向）的实际位移，计算公式为：。
44.步骤s35：通过多项式拟合和转换参数p，计算固定靶标11和相对靶标12在z轴方向的实际位移，则固定靶标11和相对靶标12之间相对实际位移值为。
45.在本发明实施例中，多测点三维位移测量系统在执行步骤1前获取多项式拟合计算公式，多项式拟合计算公式的获取具体包括以下步骤：在基坑监测区域，将图像采集设备2中可调节焦距参数的摄像机的焦距调至一固定值，在相同焦距情况下，通过调整一靶标1至可调节焦距参数的摄像机之间的距离，采集
该靶标在不同距离对应的图像信息，随着该靶标1的距离变大，每张图像上的靶标像素值会随距离变大而变小，智能计算模块3通过不同实际距离计算靶标1对应的转换参数，智能计算模块3基于神经网络训练，获取n阶的多项拟合计算公式：；其中，n为拟合次数，为多项式系数，p为转换参数，为通过多项拟合计算的图像采集设备2至靶标1的距离，为人工测量的图像采集设备2至靶标1的实际距离。
46.在本发明实施例中，使与实际测量的距离平方差最小，减少多项拟合计算的误差。
47.在步骤35中，通过多项拟合公式和转换参数p，计算固定靶标11和相对靶标12在z轴方向的实际位移，具体的，将相对靶标12的转换参数、或者转换参数代入n阶的多项拟合计算公式计算相对靶标与图像采集设备之间实际距离，将固定靶标11的转换参数转换参数为、或者转换参数代入n阶的多项拟合计算公式计算固定靶标与图像采集设备之间实际距离 ，从而计算固定靶标11和相对靶标12之间在z轴方向上（距离图像采集设备2方向上）的实际位移。
48.步骤s36：重复步骤s31至步骤s35，完成监测路线上所有监测点的图像采集，并对采集的图像信息的进行处理和计算，获取每一个监测点上相对实际位移值。
49.步骤s4：选择锚点，人工选取一个靶标1为锚点，人工测量该锚点的绝对位置，锚点的绝对位置值为。
50.在本发明实施例中，选择两条监测路线相交处一共用靶标为锚点，换而言之就是选择两条监测路线共同的靶标为锚点，人为测量该锚点的绝对位置时，主要测量一个锚点即可，能够提高测量效率。
51.在本发明的一些实施例中，可以选择位移小的靶标1为锚点的靶标，也可以是没有发生位移的靶标1为锚点的靶标。锚点选择的靶标1变形要小，或者没有发生变形，从而提高测量的准确度。
52.步骤s5：靶标绝对位置计算，根据已知锚点的绝对位置值以及靶标1的相对实际位移值计算靶标1的绝对位置值，靶标1的绝对位置值为。
53.在步骤s5中，图像采集设备转动时，云台在转动时会有轻微的角度偏移，使得采集的图像信息发生偏移，如图3所示，图3中实线为不会发生偏移的采集到靶标1的图像信息，
虚线为发生偏移的采集到靶标1的图像信息，计算的靶标绝对位置值会有误差，因此无法直接计算靶标1的绝对位置值，通过设定的锚点与靶标1的相对实际位移值可以准确计算出靶标1的绝对位置值，避免因云台自身的偏移角度，影响测量精度，图像采集时，云台不管角度偏移多少，相邻的两个靶标中的固定靶标11和相对靶标12之间的相对实际位移值时不会随角度偏移影响，通过锚点的绝对位置与靶标1的相对实际位移值来计算靶标的绝对位置值。
54.步骤s5包括以下步骤：步骤s51：根据锚点的绝对位置值和相对实际位移值为,计算相对靶标12的绝对位置值；。
55.在本发明实施例中，按拍摄顺序依次对图像信息进行处理，比如设定图2中监测点l1的图像中的第一个靶标为锚点，则该靶标为固定靶标，另一个靶标为相对靶标，当智能计算模块计算监测点l2的相对靶标的绝对位置值时，监测点l1的相对靶标为监测点l2的固定靶标，以此类推，通过这种一对多的测量方法，测量精度高，能够满足实际测量需求，具有很好的推广价值。
56.步骤s52，根据位移传递，迭代计算所有靶标1的绝对位置值计算公式为：。
57.在本发明实施例中，通过对靶标1的绝对位置进行测量，并通过上述测量方法在不同时间段对靶标1的绝对位置进行测量，根据靶标1在时间序列上的位移变化，判断靶标1是否发生水平位移、或者沉降、或者朝图像采集设备方向的形变，能够连续的、长期的以及实时的测量三维位移变化。
58.本发明的测量方法只需要在基坑监测区域安装靶标1和图像采集设备2，避免了图像采集设备2与靶标1直接接触，测量时不受测量设备影响给测量带来测量误差，有效防止在测量靶标1时因测量设备振动（图像采集设备固定点发生振动）或测量设备偏移（云台转动发生偏移）而给测量带来误差，提高了测量精度。图像采集设备2对基坑监测区域的靶标1进行非接触测量，通过智能计算模块3计算位移信息，基于位移传递，可以得到靶标1相对于锚点的位移变化，能够连续的、长期的以及实时的测量三维位移变化。且通过一个图像采集设备2能够对多条监测路线进行测量，图像采集设备2能够采集任意一条监测路线的多个监测点的图像信息，通过这种一对多的测量方法，测量精度高，能够满足实际需求，具有很好的推广价值。另外，本发明的测量系统结构简单，测量结果准确度高，安全可靠、安装方便且安装成本低的优点。
59.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。