一种非接触式滑坡灾害监测系统及其方法
一种非接触式滑坡灾害监测系统及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种滑坡灾害监测系统，尤其涉及一种非接触式滑坡灾害监测系统， 本发明同时涉及使用上述滑坡灾害监测系统实现的监测方法，属于地质灾害监测领域。
【背景技术】
[0002] 滑坡是在一定的自然条件与地质条件下，组成斜坡的部分岩土体在以重力为主的 作用下沿斜坡内部一定的软弱面发生剪切而产生的整体下滑破坏现象。近年来由于滑坡灾 害引发的事故频繁发生，严重威胁着人民的生命财产安全。
[0003] 现有的滑坡监测技术主要有以下三种：1)传统的滑坡监测技术;2)分布式光纤监 测技术;3)GNSS位移监测技术。上述三种监测技术均是接触式监测技术，在对滑坡进行监测 时分别存在以下优缺点。
[0004] 其中，传统的滑坡监测技术采用传感器技术，借助安装在坡体的振动式裂缝计，测 斜计，地下水位监测计，压力计等专门仪器对滑坡体进行监测，通过总线发送到中心，进行 软件分析处理。此种监测技术成本较低，精度较高，效果较好;但其容易受地下水、气候环境 的影响；而且仅能对坡体进行点的测量，非面的测量，测量准确性容易受到影响;并且施工 难度大，周期长。
[0005]分布式光纤监测技术是一种布里渊背向散射的分布式光纤应变传感技术。光波在 光纤中传播并与光纤中的声学声子相互作用发生布里渊散射。传感光纤在滑坡表面呈网状 布设，通过间隔一定距离将光纤固定在滑坡土体表面以下一定深度位置或直接附着在岩体 表面，使其跟岩土体的变形协调一致。分布式光纤传感技术具有如下优点：测量距离长、覆 盖范围大，能够很好的对大面积的滑坡体进行监测，可以测出光纤沿线任一点上的应变、温 度和损伤等信息，实现对监测对象的全方位监测。但同时也具有如下缺点：接触式测量，施 工麻烦，受温度、光纤老化等因素影响较大，误报率高，成本较高。
[0006] GNSS位移监测技术在对滑坡位移进行监测时应先设立GNSS监测点和基准点。其 中，在滑坡体的滑移速度较快或滑移量较大的关键位置布设GNSS监测点，在远离滑坡影响 区以外的稳定地段布设若干GNSS基准点。并在每个GNSS监测点或基准点上安装GNSS接收机 和GNSS天线。GNSS天线和接收机用于接收和记录北斗、GPS、GLONASS、Gal i Ieo等卫星信 号，并转换为数据流或数据文件，通过通信链路汇聚到安装有专用监测软件的服务器端，通 过监测软件进行高精度差分定位解算，得到每个高精度的位移数据。当位移数据超出预定 的阈值时，系统自动发出报警，提醒有关部门提前采取避险措施。GNSS位移监测技术，具有 监测精度较高，效果较好的优点；但其仍仅对坡体进行点的监测，非全方位监测;并且整个 监测技术的施工难度大，周期长，成本高。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种非接触式滑坡灾害监测系统。
[0008] 本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种非接触式滑坡灾害监测方法。
[0009]为了实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
[0010] 一种非接触式滑坡灾害监测系统，包括分别与监控处理主机连接的激光雷达扫描 仪、视频复核设备和监控中心处理平台；其中，
[0011]所述激光雷达扫描仪用于获取滑坡监控区域中各点到所述激光雷达扫描仪的距 离数据；
[0012] 所述视频复核设备用于采集滑坡监控区域的图像数据；
[0013] 所述监控处理主机用于接收所述激光雷达扫描仪所采集的距离数据、获取超限检 测结果并将超限检测结果发送给监控处理平台；当所述监控处理平台判断超限检测结果超 过数据门限后，所述监控处理主机还用于触发所述视频复核设备采集视频进行复核。
[0014] 其中较优地，所述激光雷达扫描仪内部的激光源可进行水平方向的角度旋转；
[0015] 所述激光雷达扫描仪设置在曲杆摇柄副平台上，所述曲杆摇柄副平台用于带动所 述激光雷达扫描仪进行垂直方向的角度旋转。
[0016] 其中较优地，所述曲杆摇柄副平台的仰角0:和俯角θ2分别与激光雷达扫描仪的安 装高度h和坡体的高度H之间满足下列公式：
[0018]其中较优地，所述曲杆摇柄副平台的俯仰角速度ω与曲杆摇柄副平台的控制角度 Φ之间满足下列公式：
[0020]其中，曲杆摇柄副平台的控制角度(6 = 为所述曲杆摇柄副平台的扫描周期。
[0021]其中较优地，所述监控处理主机包括激光雷达处理平台和视频复核平台；
[0022] 所述激光雷达处理平台用于控制电机驱动所述曲杆摇柄副平台进行旋转，并且， 所述激光雷达处理平台用于接收所述曲杆摇柄副平台的位置反馈信息;所述激光雷达处理 平台还用于根据所述激光雷达扫描仪扫描获得的距离数据建立所述滑坡监控区域的数字 表面模型，并获取超限检测结果；
[0023] 所述视频复核平台与所述视频复核设备连接;所述视频复核平台与所述视频复核 设备连接;所述视频复核平台用于启动所述视频复核设备采集视频数据，并将所述视频数 据发送至所述监测中心处理平台进行灾害复核。
[0024] 其中较优地，所述监控处理主机还包括用于与所述激光雷达处理平台、所述视频 复核平台和所述监测中心处理平台进行通信的交换机。
[0025] -种非接触式滑坡灾害监测方法，包括如下步骤：
[0026] (1)使用整个滑坡监控区域的标准点云数据建立基础的数字表面模型；
[0027] (2)激光雷达扫描仪对整个滑坡监控区域进行重复检测建立实时数字表面模型， 并根据实时数字表面模型与所述基础的数字表面模型的对比结果，确定超差区域的位置、 面积、体积以及超差平均高度和最大高度，并将超限检测结果传送回监控中心处理平台；
[0028] (3)所述监控中心处理平台对比所述超限检测结果与既定的数据门限，当所述超 限检测结果没有超过所述数据门限时，产生预警信号；当所述超限检测结果超过所述数据 门限时，产生报警信号，并触发视频复核设备进行灾害复核。
[0029] 其中较优地，在所述步骤(1)中，从所述激光雷达扫描仪的初次扫描结果或者定期 检修的扫描结果中获得整个滑坡监控区域的标准点云数据，所述标准点云数据中包括每个 监测点到所述激光雷达扫描仪的初始距离。
[0030] 其中较优地，在所述步骤(2)中包括如下步骤：
[0031] (21)获取每个实时扫描点的实际距离，并计算所述实际距离与所述初始距离之间 的差值；
[0032] (22)判断所述差值是否是正差值并同时大于设定阈值，如果是，则对该点后续扫 描的超限点云构建实时数字表面模型;如果否，则继续扫描；
[0033] (23)用实时数字表面模型与基础的数字表面模型进行数据对比，确定超差区域的 位置、面积、体积以及超差平均高度和最大高度。
[0034] 其中较优地，在所述步骤(2)中还包括步骤(24):根据超限点云的数据形态，识别 超限检测对象是否是人或动物，如果是，则忽略该检测结果，返回步骤(21)。
[0035]本发明所提供的非接触式滑坡灾害监测系统采用三级架构，分别是监控中心处理 平台，监控处理主机，激光雷达扫描仪及视频复核设备。该非接触式滑坡灾害监测系统，利 用三维立体扫描技术对滑坡监控区域的整个坡面进行监测，可以精确 监测滑坡地质灾害， 并通过与视频复核设备联动，实现预警一报警一复核的处理机制。该非接触式滑坡灾害监 测系统使用固定于滑坡监控区域附近的激光雷达扫描仪等设备对滑坡监控区域进行非接 触式监测，成本低，施工方便，便于维护;并且，精度高，误报率低。而且，该非接触式滑坡灾 害监测系统，可以根据实时数字表面模型与基础的数字表面模型的对比结果，近似计算滑 坡的土方量，便于后续抢险，可以大大减少由于滑坡地质灾害给人们带来的生命财产损失。
【附图说明】
[0036] 图1是本发明所提供的非接触式滑坡灾害监测系统的结构框图；
[0037] 图2是激光雷达扫描仪的测量分辨率的示意图；
[0038] 图3是激光雷达扫描仪的安装位置及曲杆摇柄副平台的控制角度的示意图；
[0039] 图4是本发明所提供的非接触式滑坡灾害监测系统的处理流程图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行进一步地详细说明。
[0041] 激光雷达扫描技术是最近十几年迅速发展起来的一项新型航空测量技术，在国内 外多个行业已经得到了较为广泛的应用，但在滑坡监测应用上并不多见。由于地面三维激 光扫描技术能够高速度、高精度、高密度的获取物体表面的三维空间坐标，且无需接触被测 物体，特别适合应用在滑坡等地质灾害监测领域。
[0042]本发明所提供的非接触式滑坡监测系统，采用三级架构，分别是监控中心处理平 台1、监控处理主机2、激光雷达扫描仪3及视频复核设备4。其中，如图1所示，激光雷达扫描 仪3、视频复核设备4和监控中心处理平台1分别与监控处理主机2连接;激光雷达扫描仪3用 于获取滑坡监控区域中各点到激光雷达扫描仪3的距离数据;视频复核设备4用于采集滑坡 监控区域的图像数据;监控处理主机2用于接收激光雷达扫描仪3所采集的距离数据、获取 超限检测结果并将超限检测结果发送给监控处理平台1;当监控处理平台1判断超限检测结 果超过数据门限后，监控处理主机2还用于触发视频复核设备4采集现场视频进行复核。该 非接触式滑坡监测系统，利用三维立体扫描技术对坡体崩塌的土方量进行计算，以便于抢 险施工，并将激光雷达扫描仪3的监测结果与视频复核设备4联动，实现预警一一报警一一 复核的处理机制。
[0043]下面对该非接触式滑坡监测系统的具体设置及其所涉及的监测原理和监测方法 进行详细介绍。
[0044] 结合图1、图2和图3可知，激光雷达扫描仪3设置在曲杆摇柄副平台30上。激光雷达 扫描仪3内部的激光源可进行水平方向的角度旋转，曲杆摇柄副平台30可以带动激光雷达 扫描仪3进行垂直方向上的角度旋转。如图3所示，曲杆摇柄副平台30的设置高度h小于滑坡 监控区域的坡面的高度H，从而曲杆摇柄副平台30可以带动激光雷达扫描仪3进行垂直方向 的上下摆动。通过激光雷达扫描仪3内部激光源的水平旋转，同时，曲杆摇柄副平台4带动激 光雷达扫描仪3进行垂直旋转，最终形成面的扫描。脉冲激光不断地扫描滑坡，就可以得到 滑坡上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到滑坡精确的三维立体图像。
[0045] 激光雷达扫描仪3以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到滑坡监控 区域的目标点上引起散射，一部分光波会反射到激光雷达扫描仪3的接收器上，根据激光测 距原理计算，就得到从激光雷达扫描仪3到目标点的距离。
[0046] 如图2所示，假设激光雷达扫描仪3的最远扫描距离为R，角分辨率为Θ，则可以计算 出测量分辨率d为：
[0047] 如图3所示，假设激光雷达扫描仪3的安装高度为h，坡体的高度为H，h〈H，则可以计 算出曲杆摇柄副平台30的仰角Q1*:
俯角92为：
曲杆摇柄副 平台30的控制角度为A = Qr^2c3
[0048]当角分辨率θ = 0.5°时，可以设置激光雷达扫描仪3的扫描频率为50Hz;当角分辨 率Θ = 0.25°时，可以设置激光雷达扫描仪3的扫描频率为25Hz。
[0049] 假设扫描坡面的周期为七(根据报警的时间要求确定），则曲杆摇柄副平台30的俯
仰角速度为 以θ = 0.5°来计算，则曲杆摇柄副平台30的角分辨率为 )
[0050] 从而可以计算，激光雷达扫描仪3扫描的面积精度为（当分辨率较小时）：S?a XcU 即当面积大于S的区域发生滑坡时，便会产生超限检测结果，从而产生预警或报警信息。
[0051] 如图1所示，监控处理主机2还包括交换机20、激光雷达处理平台21和视频复核平 台22;交换机20用于与激光雷达处理平台21、视频复核平台22和监测中心处理平台1进行通 信。激光雷达处理平台21用于控制电机驱动曲杆摇柄副平台30进行旋转，并且，激光雷达处 理平台21用于接收曲杆摇柄副平台30的位置反馈信息。激光雷达处理平台21还用于根据激 光雷达扫描仪3扫描获得的距离数据建立滑坡监控区域的数字表面模型，并获取超限检测 结果;激光雷达处理平台21和激光雷达扫描仪3之间可以通过RJ45接口连接。视频复核平台 22与视频复核设备4通过RJ45接口连接，视频复核平台22用于启动视频复核设备4采集视频 数据，并将采集到的视频数据通过交换机20发送至监测中心处理平台1进行灾害复核。
[0052] 如图4所示，在使用上述非接触式滑坡灾害监测系统进行灾害监测时，具体包括如 下步骤：（1)使用整个滑坡监控区域的标准点云数据建立基础的数字表面模型；（2)激光雷 达扫描仪对整个滑坡监控区域进行重复检测建立实时数字表面模型，并根据实时数字表面 模型与基础的数字表面模型的对比结果，确定超差区域的位置、面积、体积以及超差平均高 度和最大高度，并将超限检测结果传送回监控中心处理平台；（3)监控中心处理平台对比超 限检测结果与既定的数据门限，当超限检测结果没有超过数据门限时，产生预警信号；当超 限检测结果超过数据门限时，产生报警信号，并触发视频复核设备进行灾害复核。
[0053] 其中，在步骤（1)中，通过激光雷达扫描仪3对滑坡监控区域的扫描建立基础数据 库。初次使用时，激光雷达扫描仪3对滑坡监控区域进行精确扫描，获取标准的点云数据，标 准的点云数据中包括每个监测点到激光雷达扫描仪3的初始距离，该点云数据经处理可以 建立基础的数字表面模型(DSM)，该数据表面模型作为后期自动监测的基础数据。定期检修 时，根据需要，激光雷达扫描仪对滑坡监控区域再次扫描后更新基础数据。也即，在步骤(1) 中，可以从激光雷达扫描仪的初次扫描结果或者定期检修时的扫描结果中获得整个滑坡监 控区域的标准点云数据，并建立基础的数字表面模型。
[0054] 在步骤(2)中，通过激光雷达扫描仪3对滑坡监控区域进行实时快速扫描，进行滑 坡检测。具体来说，获取每个实时扫描点的实际距离，并计算该实际距离与基础的数字表面 模型中的初始距离之间的差值;如果是正差值，并且大于设定阈值，那么将对该点后续扫描 的超限点云构建实时数字表面模型;然后用该实时数字表面模型与基础数字表面模型进行 变换检测，确定超限检测结果，并把超限检测结果传送回监控中心。
[0055]具体包括如下步骤：
[0056] (21)获取每个实时扫描点的实际距离，并计算实际距离与初始距离之间的差值；
[0057] (22)判断该差值是否是正差值并同时大于设定阈值，如果是，则 对该点后续扫描 的超限点云构建实时数字表面模型;如果否，则继续扫描;超限点云是指距离差值超过设定 阈值的多个点的集合。
[0058] (23)用实时数字表面模型与基础的数字表面模型进行数据对比，确定超差区域的 位置、面积、体积以及超差平均高度和最大高度。其中，超差区域是指由距离差值超过设定 阈值的超限点云所形成的区域;超差区域的位置、面积、体积以及超差平均高度和最大高度 等信息构成超限检测结果。
[0059] 在步骤(2)中，由于激光雷达扫描仪对固定场合的滑坡监控区域进行扫描，因此可 以进行动态自主标定。本系统扫描目标为固定场合，被监测区内位置尺寸均固定，故可作为 动态自主标定参考物，可以用来提高系统的运行稳定性，减少误报。
[0060] 此外，在步骤(2)中还可以包括步骤(24)，根据超限点云的数据形态，识别超限检 测对象是否是人或动物，如果是，则忽略该检测结果，返回步骤(21)，如果否，则将该超限检 测结果发送至监控中心处理平台。也就是说，可以通过前期分析形成的点云数据形态，自动 判断出超限检测对象是人或者动物，从而对这种情况不予误报。
[0061] 在步骤(3)中，还可以实现报警信息与视频联动。当监测数据在低于数据门限的范 围内变化时，可以提前预警；当监测数据超过既定的数据门限时，产生报警信号，触发视频 复核设备联动，获取滑坡监控区域的视频数据，用以复核灾害发生的情况。
[0062] 综上所述，本发明所提供的非接触式滑坡灾害监测系统，利用三维立体扫描技术 对滑坡监控区域的整个坡面进行监测，可以精确监测滑坡地质灾害，并通过与视频复核设 备联动，实现预警一报警一复核的处理机制。该非接触式滑坡灾害监测系统使用固定于滑 坡监控区域附近的激光雷达扫描仪等设备对滑坡监控区域以监测面的方式进行非接触式 监测，成本低，施工方便，便于维护;并且，精度高，误报率低。而且，该非接触式滑坡灾害监 测系统，可以根据实时数字表面模型与基础的数字表面模型的对比结果，近似计算滑坡的 土方量，便于后续抢险，可以大大减少由于滑坡地质灾害给人们带来的生命财产损失。
[0063]以上对本发明所提供的非接触式滑坡灾害监测系统及其方法进行了详细的说明。 对本领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的 改动，都将属于本发明专利权的保护范围。
【主权项】
1. 一种非接触式滑坡灾害监测系统，其特征在于： 包括分别与监控处理主机连接的激光雷达扫描仪、视频复核设备和监控中心处理平 台；其中， 所述激光雷达扫描仪用于获取滑坡监控区域中各点到所述激光雷达扫描仪的距离数 据； 所述视频复核设备用于采集滑坡监控区域的图像数据； 所述监控处理主机用于接收所述激光雷达扫描仪所采集的距离数据、获取超限检测结 果并将超限检测结果发送给监控处理平台；当所述监控处理平台判断超限检测结果超过数 据门限后，所述监控处理主机还用于触发所述视频复核设备采集视频进行复核。2. 如权利要求1所述的非接触式滑坡灾害监测系统，其特征在于： 所述激光雷达扫描仪内部的激光源可进行水平方向的角度旋转； 所述激光雷达扫描仪设置在曲杆摇柄副平台上，所述曲杆摇柄副平台用于带动所述激 光雷达扫描仪进行垂直方向的角度旋转。3. 如权利要求2所述的非接触式滑坡灾害监测系统，其特征在于： 所述曲杆摇柄副平台的仰角θι和俯角Θ2分别与激光雷达扫描仪的安装高度h和坡体的 高度H之间满足下列公式：4. 如权利要求3所述的非接触式滑坡灾害监测系统，其特征在于： 所述曲杆摇柄副平台的俯仰角速度ω与曲杆摇柄副平台的控制角度φ之间满足下列公 式：其中，曲杆摇柄副平台的控制角度Φ= 9^02; t为所述曲杆摇柄副平台的扫描周期。5. 如权利要求2所述的非接触式滑坡灾害监测系统，其特征在于： 所述监控处理主机包括激光雷达处理平台和视频复核平台； 所述激光雷达处理平台用于控制电机驱动所述曲杆摇柄副平台进行旋转，并且，所述 激光雷达处理平台用于接收所述曲杆摇柄副平台的位置反馈信息;所述激光雷达处理平台 还用于根据所述激光雷达扫描仪扫描获得的距离数据建立所述滑坡监控区域的数字表面 模型，并获取超限检测结果； 所述视频复核平台与所述视频复核设备连接;所述视频复核平台用于启动所述视频复 核设备采集视频数据，并将所述视频数据发送至所述监测中心处理平台进行灾害复核。6. 如权利要求5所述的非接触式滑坡灾害监测系统，其特征在于： 所述监控处理主机还包括用于与所述激光雷达处理平台、所述视频复核平台和所述监 测中心处理平台进行通信的交换机。7. -种非接触式滑坡灾害监测方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 使用整个滑坡监控区域的标准点云数据建立基础的数字表面模型； (2) 激光雷达扫描仪对整个滑坡监控区域进行重复检测建立实时数字表面模型，并根 据实时数字表面模型与所述基础的数字表面模型的对比结果，确定超差区域的位置、面积、 体积以及超差平均高度和最大高度，并将超限检测结果传送回监控中心处理平台； (3)所述监控中心处理平台对比所述超限检测结果与既定的数据门限，当所述超限检 测结果没有超过所述数据门限时，产生预警信号；当所述超限检测结果超过所述数据门限 时，产生报警信号，并触发视频复核设备进行灾害复核。8. 如权利要求7所述的非接触式滑坡灾害监测方法，其特征在于： 在所述步骤（1)中，从所述激光雷达扫描仪的初次扫描结果或者定期检修的扫描结果 中获得整个滑坡监控区域的标准点云数据，所述标准点云数据中包括每个监测点到所述激 光雷达扫描仪的初始距离。9. 如权利要求8所述的非接触式滑坡灾害监测方法，其特征在于在所述步骤(2)中包括 如下步骤： (21) 获取每个实时扫描点的实际距离，并计算所述实际距离与所述初始距离之间的差 值； (22) 判断所述差值是否是正差值并同时大于设定阈值，如果是，则对该点后续扫描的 超限点云构建实时数字表面模型;如果否，则继续扫描； (23) 用实时数字表面模型与基础的数字表面模型进行数据对比，确定超差区域的位 置、面积、体积以及超差平均高度和最大高度。10. 如权利要求9所述的非接触式滑坡灾害监测方法，其特征在于在所述步骤(2)中还 包括步骤(24):根据超限点云的数据形态，识别超限检测对象是否是人或动物，如果是，则 忽略该检测结果，返回步骤(21)。
【专利摘要】本发明公开了一种非接触式滑坡灾害监测系统，包括分别与监控处理主机连接的激光雷达扫描仪、视频复核设备和监控中心处理平台；其中，激光雷达扫描仪用于获取滑坡监控区域中各点到激光雷达扫描仪的距离数据；监控处理主机用于接收激光雷达扫描仪所采集的距离数据、获取超限检测结果并将超限检测结果发送给监控处理平台；当监控处理平台判断超限检测结果超过数据门限后，监控处理主机还用于触发视频复核设备采集视频进行复核。该非接触式滑坡灾害监测系统，利用三维立体扫描技术对整个滑坡监控区域进行监测，可以精确监测滑坡地质灾害，并通过与视频复核设备联动，实现了预警—报警—复核的处理机制。本发明同时公开了相应的监测方法。
【IPC分类】G08B21/10, G01S17/89
【公开号】CN105488958
【申请号】CN201510874775
【发明人】高秀伟
【申请人】北京佳讯飞鸿电气股份有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月2日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种滑坡灾害监测系统，尤其涉及一种非接触式滑坡灾害监测系统， 本发明同时涉及使用上述滑坡灾害监测系统实现的监测方法，属于地质灾害监测领域。
【背景技术】
[0002] 滑坡是在一定的自然条件与地质条件下，组成斜坡的部分岩土体在以重力为主的 作用下沿斜坡内部一定的软弱面发生剪切而产生的整体下滑破坏现象。近年来由于滑坡灾 害引发的事故频繁发生，严重威胁着人民的生命财产安全。
[0003] 现有的滑坡监测技术主要有以下三种：1)传统的滑坡监测技术;2)分布式光纤监 测技术;3)GNSS位移监测技术。上述三种监测技术均是接触式监测技术，在对滑坡进行监测 时分别存在以下优缺点。
[0004] 其中，传统的滑坡监测技术采用传感器技术，借助安装在坡体的振动式裂缝计，测 斜计，地下水位监测计，压力计等专门仪器对滑坡体进行监测，通过总线发送到中心，进行 软件分析处理。此种监测技术成本较低，精度较高，效果较好;但其容易受地下水、气候环境 的影响；而且仅能对坡体进行点的测量，非面的测量，测量准确性容易受到影响;并且施工 难度大，周期长。
[0005]分布式光纤监测技术是一种布里渊背向散射的分布式光纤应变传感技术。光波在 光纤中传播并与光纤中的声学声子相互作用发生布里渊散射。传感光纤在滑坡表面呈网状 布设，通过间隔一定距离将光纤固定在滑坡土体表面以下一定深度位置或直接附着在岩体 表面，使其跟岩土体的变形协调一致。分布式光纤传感技术具有如下优点：测量距离长、覆 盖范围大，能够很好的对大面积的滑坡体进行监测，可以测出光纤沿线任一点上的应变、温 度和损伤等信息，实现对监测对象的全方位监测。但同时也具有如下缺点：接触式测量，施 工麻烦，受温度、光纤老化等因素影响较大，误报率高，成本较高。
[0006] GNSS位移监测技术在对滑坡位移进行监测时应先设立GNSS监测点和基准点。其 中，在滑坡体的滑移速度较快或滑移量较大的关键位置布设GNSS监测点，在远离滑坡影响 区以外的稳定地段布设若干GNSS基准点。并在每个GNSS监测点或基准点上安装GNSS接收机 和GNSS天线。GNSS天线和接收机用于接收和记录北斗、GPS、GLONASS、Gal i Ieo等卫星信 号，并转换为数据流或数据文件，通过通信链路汇聚到安装有专用监测软件的服务器端，通 过监测软件进行高精度差分定位解算，得到每个高精度的位移数据。当位移数据超出预定 的阈值时，系统自动发出报警，提醒有关部门提前采取避险措施。GNSS位移监测技术，具有 监测精度较高，效果较好的优点；但其仍仅对坡体进行点的监测，非全方位监测;并且整个 监测技术的施工难度大，周期长，成本高。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种非接触式滑坡灾害监测系统。
[0008] 本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种非接触式滑坡灾害监测方法。
[0009]为了实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
[0010] 一种非接触式滑坡灾害监测系统，包括分别与监控处理主机连接的激光雷达扫描 仪、视频复核设备和监控中心处理平台；其中，
[0011]所述激光雷达扫描仪用于获取滑坡监控区域中各点到所述激光雷达扫描仪的距 离数据；
[0012] 所述视频复核设备用于采集滑坡监控区域的图像数据；
[0013] 所述监控处理主机用于接收所述激光雷达扫描仪所采集的距离数据、获取超限检 测结果并将超限检测结果发送给监控处理平台；当所述监控处理平台判断超限检测结果超 过数据门限后，所述监控处理主机还用于触发所述视频复核设备采集视频进行复核。
[0014] 其中较优地，所述激光雷达扫描仪内部的激光源可进行水平方向的角度旋转；
[0015] 所述激光雷达扫描仪设置在曲杆摇柄副平台上，所述曲杆摇柄副平台用于带动所 述激光雷达扫描仪进行垂直方向的角度旋转。
[0016] 其中较优地，所述曲杆摇柄副平台的仰角0:和俯角θ2分别与激光雷达扫描仪的安 装高度h和坡体的高度H之间满足下列公式：
[0018]其中较优地，所述曲杆摇柄副平台的俯仰角速度ω与曲杆摇柄副平台的控制角度 Φ之间满足下列公式：
[0020]其中，曲杆摇柄副平台的控制角度(6 = 为所述曲杆摇柄副平台的扫描周期。
[0021]其中较优地，所述监控处理主机包括激光雷达处理平台和视频复核平台；
[0022] 所述激光雷达处理平台用于控制电机驱动所述曲杆摇柄副平台进行旋转，并且， 所述激光雷达处理平台用于接收所述曲杆摇柄副平台的位置反馈信息;所述激光雷达处理 平台还用于根据所述激光雷达扫描仪扫描获得的距离数据建立所述滑坡监控区域的数字 表面模型，并获取超限检测结果；
[0023] 所述视频复核平台与所述视频复核设备连接;所述视频复核平台与所述视频复核 设备连接;所述视频复核平台用于启动所述视频复核设备采集视频数据，并将所述视频数 据发送至所述监测中心处理平台进行灾害复核。
[0024] 其中较优地，所述监控处理主机还包括用于与所述激光雷达处理平台、所述视频 复核平台和所述监测中心处理平台进行通信的交换机。
[0025] -种非接触式滑坡灾害监测方法，包括如下步骤：
[0026] (1)使用整个滑坡监控区域的标准点云数据建立基础的数字表面模型；
[0027] (2)激光雷达扫描仪对整个滑坡监控区域进行重复检测建立实时数字表面模型， 并根据实时数字表面模型与所述基础的数字表面模型的对比结果，确定超差区域的位置、 面积、体积以及超差平均高度和最大高度，并将超限检测结果传送回监控中心处理平台；
[0028] (3)所述监控中心处理平台对比所述超限检测结果与既定的数据门限，当所述超 限检测结果没有超过所述数据门限时，产生预警信号；当所述超限检测结果超过所述数据 门限时，产生报警信号，并触发视频复核设备进行灾害复核。
[0029] 其中较优地，在所述步骤(1)中，从所述激光雷达扫描仪的初次扫描结果或者定期 检修的扫描结果中获得整个滑坡监控区域的标准点云数据，所述标准点云数据中包括每个 监测点到所述激光雷达扫描仪的初始距离。
[0030] 其中较优地，在所述步骤(2)中包括如下步骤：
[0031] (21)获取每个实时扫描点的实际距离，并计算所述实际距离与所述初始距离之间 的差值；
[0032] (22)判断所述差值是否是正差值并同时大于设定阈值，如果是，则对该点后续扫 描的超限点云构建实时数字表面模型;如果否，则继续扫描；
[0033] (23)用实时数字表面模型与基础的数字表面模型进行数据对比，确定超差区域的 位置、面积、体积以及超差平均高度和最大高度。
[0034] 其中较优地，在所述步骤(2)中还包括步骤(24):根据超限点云的数据形态，识别 超限检测对象是否是人或动物，如果是，则忽略该检测结果，返回步骤(21)。
[0035]本发明所提供的非接触式滑坡灾害监测系统采用三级架构，分别是监控中心处理 平台，监控处理主机，激光雷达扫描仪及视频复核设备。该非接触式滑坡灾害监测系统，利 用三维立体扫描技术对滑坡监控区域的整个坡面进行监测，可以精确 监测滑坡地质灾害， 并通过与视频复核设备联动，实现预警一报警一复核的处理机制。该非接触式滑坡灾害监 测系统使用固定于滑坡监控区域附近的激光雷达扫描仪等设备对滑坡监控区域进行非接 触式监测，成本低，施工方便，便于维护;并且，精度高，误报率低。而且，该非接触式滑坡灾 害监测系统，可以根据实时数字表面模型与基础的数字表面模型的对比结果，近似计算滑 坡的土方量，便于后续抢险，可以大大减少由于滑坡地质灾害给人们带来的生命财产损失。
【附图说明】
[0036] 图1是本发明所提供的非接触式滑坡灾害监测系统的结构框图；
[0037] 图2是激光雷达扫描仪的测量分辨率的示意图；
[0038] 图3是激光雷达扫描仪的安装位置及曲杆摇柄副平台的控制角度的示意图；
[0039] 图4是本发明所提供的非接触式滑坡灾害监测系统的处理流程图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行进一步地详细说明。
[0041] 激光雷达扫描技术是最近十几年迅速发展起来的一项新型航空测量技术，在国内 外多个行业已经得到了较为广泛的应用，但在滑坡监测应用上并不多见。由于地面三维激 光扫描技术能够高速度、高精度、高密度的获取物体表面的三维空间坐标，且无需接触被测 物体，特别适合应用在滑坡等地质灾害监测领域。
[0042]本发明所提供的非接触式滑坡监测系统，采用三级架构，分别是监控中心处理平 台1、监控处理主机2、激光雷达扫描仪3及视频复核设备4。其中，如图1所示，激光雷达扫描 仪3、视频复核设备4和监控中心处理平台1分别与监控处理主机2连接;激光雷达扫描仪3用 于获取滑坡监控区域中各点到激光雷达扫描仪3的距离数据;视频复核设备4用于采集滑坡 监控区域的图像数据;监控处理主机2用于接收激光雷达扫描仪3所采集的距离数据、获取 超限检测结果并将超限检测结果发送给监控处理平台1;当监控处理平台1判断超限检测结 果超过数据门限后，监控处理主机2还用于触发视频复核设备4采集现场视频进行复核。该 非接触式滑坡监测系统，利用三维立体扫描技术对坡体崩塌的土方量进行计算，以便于抢 险施工，并将激光雷达扫描仪3的监测结果与视频复核设备4联动，实现预警一一报警一一 复核的处理机制。
[0043]下面对该非接触式滑坡监测系统的具体设置及其所涉及的监测原理和监测方法 进行详细介绍。
[0044] 结合图1、图2和图3可知，激光雷达扫描仪3设置在曲杆摇柄副平台30上。激光雷达 扫描仪3内部的激光源可进行水平方向的角度旋转，曲杆摇柄副平台30可以带动激光雷达 扫描仪3进行垂直方向上的角度旋转。如图3所示，曲杆摇柄副平台30的设置高度h小于滑坡 监控区域的坡面的高度H，从而曲杆摇柄副平台30可以带动激光雷达扫描仪3进行垂直方向 的上下摆动。通过激光雷达扫描仪3内部激光源的水平旋转，同时，曲杆摇柄副平台4带动激 光雷达扫描仪3进行垂直旋转，最终形成面的扫描。脉冲激光不断地扫描滑坡，就可以得到 滑坡上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到滑坡精确的三维立体图像。
[0045] 激光雷达扫描仪3以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到滑坡监控 区域的目标点上引起散射，一部分光波会反射到激光雷达扫描仪3的接收器上，根据激光测 距原理计算，就得到从激光雷达扫描仪3到目标点的距离。
[0046] 如图2所示，假设激光雷达扫描仪3的最远扫描距离为R，角分辨率为Θ，则可以计算 出测量分辨率d为：
[0047] 如图3所示，假设激光雷达扫描仪3的安装高度为h，坡体的高度为H，h〈H，则可以计 算出曲杆摇柄副平台30的仰角Q1*:
俯角92为：
曲杆摇柄副 平台30的控制角度为A = Qr^2c3
[0048]当角分辨率θ = 0.5°时，可以设置激光雷达扫描仪3的扫描频率为50Hz;当角分辨 率Θ = 0.25°时，可以设置激光雷达扫描仪3的扫描频率为25Hz。
[0049] 假设扫描坡面的周期为七(根据报警的时间要求确定），则曲杆摇柄副平台30的俯
仰角速度为 以θ = 0.5°来计算，则曲杆摇柄副平台30的角分辨率为 )
[0050] 从而可以计算，激光雷达扫描仪3扫描的面积精度为（当分辨率较小时）：S?a XcU 即当面积大于S的区域发生滑坡时，便会产生超限检测结果，从而产生预警或报警信息。
[0051] 如图1所示，监控处理主机2还包括交换机20、激光雷达处理平台21和视频复核平 台22;交换机20用于与激光雷达处理平台21、视频复核平台22和监测中心处理平台1进行通 信。激光雷达处理平台21用于控制电机驱动曲杆摇柄副平台30进行旋转，并且，激光雷达处 理平台21用于接收曲杆摇柄副平台30的位置反馈信息。激光雷达处理平台21还用于根据激 光雷达扫描仪3扫描获得的距离数据建立滑坡监控区域的数字表面模型，并获取超限检测 结果;激光雷达处理平台21和激光雷达扫描仪3之间可以通过RJ45接口连接。视频复核平台 22与视频复核设备4通过RJ45接口连接，视频复核平台22用于启动视频复核设备4采集视频 数据，并将采集到的视频数据通过交换机20发送至监测中心处理平台1进行灾害复核。
[0052] 如图4所示，在使用上述非接触式滑坡灾害监测系统进行灾害监测时，具体包括如 下步骤：（1)使用整个滑坡监控区域的标准点云数据建立基础的数字表面模型；（2)激光雷 达扫描仪对整个滑坡监控区域进行重复检测建立实时数字表面模型，并根据实时数字表面 模型与基础的数字表面模型的对比结果，确定超差区域的位置、面积、体积以及超差平均高 度和最大高度，并将超限检测结果传送回监控中心处理平台；（3)监控中心处理平台对比超 限检测结果与既定的数据门限，当超限检测结果没有超过数据门限时，产生预警信号；当超 限检测结果超过数据门限时，产生报警信号，并触发视频复核设备进行灾害复核。
[0053] 其中，在步骤（1)中，通过激光雷达扫描仪3对滑坡监控区域的扫描建立基础数据 库。初次使用时，激光雷达扫描仪3对滑坡监控区域进行精确扫描，获取标准的点云数据，标 准的点云数据中包括每个监测点到激光雷达扫描仪3的初始距离，该点云数据经处理可以 建立基础的数字表面模型(DSM)，该数据表面模型作为后期自动监测的基础数据。定期检修 时，根据需要，激光雷达扫描仪对滑坡监控区域再次扫描后更新基础数据。也即，在步骤(1) 中，可以从激光雷达扫描仪的初次扫描结果或者定期检修时的扫描结果中获得整个滑坡监 控区域的标准点云数据，并建立基础的数字表面模型。
[0054] 在步骤(2)中，通过激光雷达扫描仪3对滑坡监控区域进行实时快速扫描，进行滑 坡检测。具体来说，获取每个实时扫描点的实际距离，并计算该实际距离与基础的数字表面 模型中的初始距离之间的差值;如果是正差值，并且大于设定阈值，那么将对该点后续扫描 的超限点云构建实时数字表面模型;然后用该实时数字表面模型与基础数字表面模型进行 变换检测，确定超限检测结果，并把超限检测结果传送回监控中心。
[0055]具体包括如下步骤：
[0056] (21)获取每个实时扫描点的实际距离，并计算实际距离与初始距离之间的差值；
[0057] (22)判断该差值是否是正差值并同时大于设定阈值，如果是，则 对该点后续扫描 的超限点云构建实时数字表面模型;如果否，则继续扫描;超限点云是指距离差值超过设定 阈值的多个点的集合。
[0058] (23)用实时数字表面模型与基础的数字表面模型进行数据对比，确定超差区域的 位置、面积、体积以及超差平均高度和最大高度。其中，超差区域是指由距离差值超过设定 阈值的超限点云所形成的区域;超差区域的位置、面积、体积以及超差平均高度和最大高度 等信息构成超限检测结果。
[0059] 在步骤(2)中，由于激光雷达扫描仪对固定场合的滑坡监控区域进行扫描，因此可 以进行动态自主标定。本系统扫描目标为固定场合，被监测区内位置尺寸均固定，故可作为 动态自主标定参考物，可以用来提高系统的运行稳定性，减少误报。
[0060] 此外，在步骤(2)中还可以包括步骤(24)，根据超限点云的数据形态，识别超限检 测对象是否是人或动物，如果是，则忽略该检测结果，返回步骤(21)，如果否，则将该超限检 测结果发送至监控中心处理平台。也就是说，可以通过前期分析形成的点云数据形态，自动 判断出超限检测对象是人或者动物，从而对这种情况不予误报。
[0061] 在步骤(3)中，还可以实现报警信息与视频联动。当监测数据在低于数据门限的范 围内变化时，可以提前预警；当监测数据超过既定的数据门限时，产生报警信号，触发视频 复核设备联动，获取滑坡监控区域的视频数据，用以复核灾害发生的情况。
[0062] 综上所述，本发明所提供的非接触式滑坡灾害监测系统，利用三维立体扫描技术 对滑坡监控区域的整个坡面进行监测，可以精确监测滑坡地质灾害，并通过与视频复核设 备联动，实现预警一报警一复核的处理机制。该非接触式滑坡灾害监测系统使用固定于滑 坡监控区域附近的激光雷达扫描仪等设备对滑坡监控区域以监测面的方式进行非接触式 监测，成本低，施工方便，便于维护;并且，精度高，误报率低。而且，该非接触式滑坡灾害监 测系统，可以根据实时数字表面模型与基础的数字表面模型的对比结果，近似计算滑坡的 土方量，便于后续抢险，可以大大减少由于滑坡地质灾害给人们带来的生命财产损失。
[0063]以上对本发明所提供的非接触式滑坡灾害监测系统及其方法进行了详细的说明。 对本领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的 改动，都将属于本发明专利权的保护范围。
【主权项】
1. 一种非接触式滑坡灾害监测系统，其特征在于： 包括分别与监控处理主机连接的激光雷达扫描仪、视频复核设备和监控中心处理平 台；其中， 所述激光雷达扫描仪用于获取滑坡监控区域中各点到所述激光雷达扫描仪的距离数 据； 所述视频复核设备用于采集滑坡监控区域的图像数据； 所述监控处理主机用于接收所述激光雷达扫描仪所采集的距离数据、获取超限检测结 果并将超限检测结果发送给监控处理平台；当所述监控处理平台判断超限检测结果超过数 据门限后，所述监控处理主机还用于触发所述视频复核设备采集视频进行复核。2. 如权利要求1所述的非接触式滑坡灾害监测系统，其特征在于： 所述激光雷达扫描仪内部的激光源可进行水平方向的角度旋转； 所述激光雷达扫描仪设置在曲杆摇柄副平台上，所述曲杆摇柄副平台用于带动所述激 光雷达扫描仪进行垂直方向的角度旋转。3. 如权利要求2所述的非接触式滑坡灾害监测系统，其特征在于： 所述曲杆摇柄副平台的仰角θι和俯角Θ2分别与激光雷达扫描仪的安装高度h和坡体的 高度H之间满足下列公式：4. 如权利要求3所述的非接触式滑坡灾害监测系统，其特征在于： 所述曲杆摇柄副平台的俯仰角速度ω与曲杆摇柄副平台的控制角度φ之间满足下列公 式：其中，曲杆摇柄副平台的控制角度Φ= 9^02; t为所述曲杆摇柄副平台的扫描周期。5. 如权利要求2所述的非接触式滑坡灾害监测系统，其特征在于： 所述监控处理主机包括激光雷达处理平台和视频复核平台； 所述激光雷达处理平台用于控制电机驱动所述曲杆摇柄副平台进行旋转，并且，所述 激光雷达处理平台用于接收所述曲杆摇柄副平台的位置反馈信息;所述激光雷达处理平台 还用于根据所述激光雷达扫描仪扫描获得的距离数据建立所述滑坡监控区域的数字表面 模型，并获取超限检测结果； 所述视频复核平台与所述视频复核设备连接;所述视频复核平台用于启动所述视频复 核设备采集视频数据，并将所述视频数据发送至所述监测中心处理平台进行灾害复核。6. 如权利要求5所述的非接触式滑坡灾害监测系统，其特征在于： 所述监控处理主机还包括用于与所述激光雷达处理平台、所述视频复核平台和所述监 测中心处理平台进行通信的交换机。7. -种非接触式滑坡灾害监测方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 使用整个滑坡监控区域的标准点云数据建立基础的数字表面模型； (2) 激光雷达扫描仪对整个滑坡监控区域进行重复检测建立实时数字表面模型，并根 据实时数字表面模型与所述基础的数字表面模型的对比结果，确定超差区域的位置、面积、 体积以及超差平均高度和最大高度，并将超限检测结果传送回监控中心处理平台； (3)所述监控中心处理平台对比所述超限检测结果与既定的数据门限，当所述超限检 测结果没有超过所述数据门限时，产生预警信号；当所述超限检测结果超过所述数据门限 时，产生报警信号，并触发视频复核设备进行灾害复核。8. 如权利要求7所述的非接触式滑坡灾害监测方法，其特征在于： 在所述步骤（1)中，从所述激光雷达扫描仪的初次扫描结果或者定期检修的扫描结果 中获得整个滑坡监控区域的标准点云数据，所述标准点云数据中包括每个监测点到所述激 光雷达扫描仪的初始距离。9. 如权利要求8所述的非接触式滑坡灾害监测方法，其特征在于在所述步骤(2)中包括 如下步骤： (21) 获取每个实时扫描点的实际距离，并计算所述实际距离与所述初始距离之间的差 值； (22) 判断所述差值是否是正差值并同时大于设定阈值，如果是，则对该点后续扫描的 超限点云构建实时数字表面模型;如果否，则继续扫描； (23) 用实时数字表面模型与基础的数字表面模型进行数据对比，确定超差区域的位 置、面积、体积以及超差平均高度和最大高度。10. 如权利要求9所述的非接触式滑坡灾害监测方法，其特征在于在所述步骤(2)中还 包括步骤(24):根据超限点云的数据形态，识别超限检测对象是否是人或动物，如果是，则 忽略该检测结果，返回步骤(21)。
【专利摘要】本发明公开了一种非接触式滑坡灾害监测系统，包括分别与监控处理主机连接的激光雷达扫描仪、视频复核设备和监控中心处理平台；其中，激光雷达扫描仪用于获取滑坡监控区域中各点到激光雷达扫描仪的距离数据；监控处理主机用于接收激光雷达扫描仪所采集的距离数据、获取超限检测结果并将超限检测结果发送给监控处理平台；当监控处理平台判断超限检测结果超过数据门限后，监控处理主机还用于触发视频复核设备采集视频进行复核。该非接触式滑坡灾害监测系统，利用三维立体扫描技术对整个滑坡监控区域进行监测，可以精确监测滑坡地质灾害，并通过与视频复核设备联动，实现了预警—报警—复核的处理机制。本发明同时公开了相应的监测方法。
【IPC分类】G08B21/10, G01S17/89
【公开号】CN105488958
【申请号】CN201510874775
【发明人】高秀伟
【申请人】北京佳讯飞鸿电气股份有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月2日
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