基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统及方法
阅读说明：本技术 基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统及方法 (Slope displacement monitoring system and method based on three-point distance measurement intersection principle ) 是由 周泽林 张发平 孙兴华 李吉 夏孝军 张正阳 白皓 王定泽 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及边坡位移监测技术领域,提供了一种基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统,包括无线通讯模块、基准点定位装置和监测点定位装置；基准点定位装置的数量为三个,监测点定位装置的数量至少为一个；每个监测点定位装置包括监测点定位杆,安装在监测点定位杆上的基座,安装在基座上、且与三个基准点定位装置一一配合的三个自动对准与测距装置,与三个自动对准与测距装置通讯连接的监测点坐标分析模块；无线通讯模块与监测点坐标分析模块通讯连接。本发明具有不受地形条件限制、系统结构合理、现场安装方便、监测精度高、适用范围广等优点,适用于施工期间和运维期间的土质、岩质等各类边坡工程的位移、变形、滑坡等项目监控。(The invention relates to the technical field of slope displacement monitoring, and provides a slope displacement monitoring system based on a three-point distance measurement intersection principle, which comprises a wireless communication module, a datum point positioning device and a monitoring point positioning device; the number of the reference point positioning devices is three, and the number of the monitoring point positioning devices is at least one; each monitoring point positioning device comprises a monitoring point positioning rod, a base arranged on the monitoring point positioning rod, three automatic alignment and distance measurement devices which are arranged on the base and matched with the three reference point positioning devices one by one, and a monitoring point coordinate analysis module in communication connection with the three automatic alignment and distance measurement devices; the wireless communication module is in communication connection with the monitoring point coordinate analysis module. The invention has the advantages of no limitation of terrain conditions, reasonable system structure, convenient field installation, high monitoring precision, wide application range and the like, and is suitable for monitoring projects such as displacement, deformation, landslide and the like of various slope projects such as soil texture, rock texture and the like during construction and operation and maintenance.)
技术领域
本发明涉及边坡位移监测技术领域，特别涉及一种基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统及方法。
背景技术
随着我国铁路、公路和水利水电等基建工程的大量修建，将会遇到很多地质条件复杂的边坡工程，边坡失稳、坍塌所引发的地质灾害会对工程建设和运维带来巨大损失。因此，有效、快速地对边坡位移进行实时监测，并对失稳风险提前进行准确的预警具有巨大的工程实用价值和重大的安全使用意义。
传统的监测手段是通过频繁的人工外业采集监测预埋点处的坐标数据来判断边坡位移状态，该方法费时费力、效率低，且无法实现24h动态位移监测。
授权公告号为CN207763863U的专利申请中，公开了一种边坡监控装置，它是通过变形活塞在液压仓产生的压力变化来自动获知边坡变形，虽然提高了监测效率，但是该边坡监控装置需要将定位杆***稳定岩层，仅适用于稳定岩层埋深较小的边坡，针对稳定岩层和潜在滑面埋深较大的边坡不适用。
授权公告号为CN206210063U的专利申请中，公开了一种基于北斗一代的公路高危边坡监控系统，通过北斗一代卫星导航技术和光纤通信技术对公路边坡状况进行实时的监控，但是这类监测手段普遍存在受山区信号不良或信号盲区的影响，且实施成本高。
授权公告号为CN208254411U的专利申请中，公开了一种边坡综合监测系统，通过雷达扫描、遥感技术和次声波技术对边坡状况进行监测，但是这类手段存在设站受地形条件限制、监测精度低、安装操作诸多不便等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适用范围广的基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统，包括无线通讯模块、基准点定位装置和监测点定位装置；所述基准点定位装置的数量为三个，所述监测点定位装置的数量至少为一个；
每个监测点定位装置包括监测点定位杆，安装在监测点定位杆上的基座，安装在基座上、且与三个基准点定位装置一一配合的三个自动对准与测距装置，与三个自动对准与测距装置通讯连接的监测点坐标分析模块；所述无线通讯模块与监测点坐标分析模块通讯连接。
进一步的，所述监测点定位装置的数量至少为两个。
进一步的，还包括终端监测数据分析模块和报警模块；所述监测点坐标分析模块通过无线通讯模块与终端监测数据分析模块通讯连接；所述终端监测数据分析模块与报警模块通讯连接。
进一步的，还包括太阳能供电模块；所述太阳能供电模块分别与自动对准与测距装置、监测点坐标分析模块、无线通讯模块、和报警模块电连接。
进一步的，所述太阳能供电模块包括蓄电池、以及与蓄电池电连接的光伏面板。
进一步的，所述基准点定位装置包括基准点定位杆、以及安装在基准点定位杆上的反射棱镜。
基于三点测距交汇原理的边坡位移监测方法，采用基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统对边坡位移进行监测，包括以下步骤：
S1、在被测边坡外设置三个基准点J1、J2、J3，在被测边坡上设置至少一个监测点P；
S2、组装边坡位移监测系统，并将三个基准点定位装置分别布置在三个基准点处，在每个监测点处埋设一个监测点定位杆；
S3、调整每个监测点定位装置中的三个自动对准与测距装置，使三个自动对准与测距装置与三个基准点定位装置一一对准；
S4、现场检查、调试合格后，启动边坡位移监测系统对边坡位移进行监测。
本发明的有益效果是：本发明实施例的基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统及监测方法，通过自动对准与测距装置可测得监测点与三个基准点之间的距离，进而利用三点测距交汇原理计算监测点的空间坐标，实现对公路、铁路和水利工程的边坡位移的监测。根据边坡上多个监测点的空间坐标在不同时刻的变化情况可判断边坡的整体安全性，划分边坡失稳风险评价区域。与现有技术相比，本发明具有不受地形条件限制、系统结构合理、现场安装方便、监测精度高、适用范围广等优点，适用于施工期间和运维期间的土质、岩质等各类边坡工程的位移、变形、滑坡等项目监控。
附图说明
图1是本发明实施例的基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统的结构示意图；
图2是在边坡上设置一个监测点的简化示意图；
图3是在边坡上设置多个监测点的简化示意图。
图中附图标记为：1-无线通讯模块，2-基准点定位装置，3-监测点定位装置，4-终端监测数据分析模块，5-报警模块，6-太阳能供电模块，21-基准点定位杆，22-反射棱镜，31-监测点定位杆，32-基座，33-自动对准与测距装置，34-监测点坐标分析模块，61-蓄电池，62-光伏面板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；对本领域技术人员来说，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例的基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统，包括无线通讯模块1、基准点定位装置2和监测点定位装置3；所述基准点定位装置2的数量为三个，所述监测点定位装置3的数量至少为一个；每个监测点定位装置3包括监测点定位杆31，安装在监测点定位杆31上的基座32，安装在基座32上、且与三个基准点定位装置2一一配合的三个自动对准与测距装置33，与三个自动对准与测距装置33通讯连接的监测点坐标分析模块34；所述无线通讯模块1与监测点坐标分析模块34通讯连接。
所述自动对准与测距装置33是一种能自动对准基准点、并测量监测点与基准点之间的距离的装置。该自动对准与测距装置33主要由自动旋转式基盘、自动对准控制器、激光测距仪和信号传输电缆等组成；工作时，将自动对准与测距装置33设置在监测点，激光测距仪发射激光信号对准基准点、并测量监测点与基准点之间的距离，距离数据经信号传输电缆传至监测点坐标分析模块34；当监测点的位置发生变动时，通过自动旋转式基座和自动对准控制器实时控制激光测距仪自动对准基准点，保证能实时测量监测点与基准点之间的距离。该自动对准与测距装置33可以采用现有技术中的产品，直接从市场上购买。
如图1所示，三个自动对准与测距装置33安装在基座32上，基座32安装在监测点定位杆31上；所述基座32和监测点定位杆31均可以为混凝土结构，它们还可以一体成型。所述监测点坐标分析模块34可以布置在边坡上，优选的，监测点坐标分析模块34安装在监测点定位杆31上。
安装在基座32上、且与三个基准点定位装置2一一配合的三个自动对准与测距装置33指的是：如图1所示，每个基座32上安装有三个自动对准与测距装置33，三个自动对准与测距装置33分别是A1、A2、A3，三个基准点定位装置2分别是B1、B2、B3，工作时，A1与B1自动对准、并测量A1到B1的距离D1，A2与B2自动对准、并测量A2到B2的距离D2，A3与B3自动对准、并测量A3到B3的距离D3。
所述监测点坐标分析模块34是一种信号处理装置；该监测点坐标分析模块34通过信号传输电缆与每个监测点定位装置3中的三个自动对准与测距装置33通讯连接。工作时，监测点坐标分析模块34内嵌的处理程序依据三四按测距交汇原理，将从三个自动对准与测距装置33传输至该监测点坐标分析模块34内的距离数据转换为监测点的空间坐标。
所述无线通讯模块1通过信号传输电缆与监测点坐标分析模块34通讯连接，用于将监测点坐标分析模块34处理后的监测点的空间坐标通过无线的方式传输至上位机控制模块。上位机控制模块可以为个人电脑、服务器或手持终端等，其通常位于远离现场的控制室或工作人员手中，用于实时接收监测点的空间坐标，工作人员可以结合监测点在不同时刻的空间坐标来有效判断边坡的实际变形活动状态。
基于三点测距交汇原理的边坡位移监测方法，采用上述实施例的基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统对边坡位移进行监测，包括以下步骤：
S1、在被测边坡外设置三个基准点，在被测边坡上设置至少一个监测点；
S2、组装边坡位移监测系统，并将三个基准点定位装置2分别布置在三个基准点处，在每个监测点处埋设一个监测点定位杆31；
S3、调整每个监测点定位装置3中的三个自动对准与测距装置33，使三个自动对准与测距装置33与三个基准点定位装置2一一对准；
S4、现场检查、调试合格后，启动边坡位移监测系统对边坡位移进行监测。
步骤S1中，三个基准点应设置在被测边坡附近视野开阔且变形稳定的地基上，监测点可以设置在被测边坡的坡顶、坡中或坡脚。
步骤S2中，组装边坡位移监测系统，并将三个基准点定位装置2布置在三个基准点处，将监测点定位杆31埋设在每个监测点，所述监测点定位杆31可为混凝土结构，监测点定位杆31应具有一定的埋深以满足稳定性的要求。
步骤S3中，边坡位移监测系统安装完成后，调整每个监测点定位装置3中的三个自动对准与测距装置33，使三个自动对准与测距装置33与三个基准点定位装置2一一对准，进而测得监测点到每个基准点的距离。
步骤S4中，现场检查、调试合格后，就可通过该边坡位移监测系统实时测得监测点处的空间坐标。
下面结合图2对本发明的原理进行说明，如图2所示，在被测边坡附近视野开阔且变形稳定的地基上设置三个基准点，分别是J1、J2、J3，在被测边坡上设置一个监测点P，在同一空间坐标系下，测得基准点J1的空间坐标为(x1，y1，z1)，测得基准点J2的空间坐标为(x2，y2，z2)，测得基准点J3的空间坐标为(x3，y3，z3)；然后通过设置在监测点P处的三个激光测距仪分别测得监测点P到基准点J1的距离为D1，测得监测点P到基准点J2的距离为D2，测得监测点P到基准点J3的距离为D3，然后就可根据空间三点距离交汇原理计算得到监测点P处的空间坐标为(x，y，z)。当边坡变形引起监测点P的位置发生变化时，则监测点P到基准点J1、J2、J3的距离D1、D2、D3也将发生变化，进而使计算得到的监测点P的空间坐标(x，y，z)也发生变化，此时工作人员可以结合监测点P在不同时刻的空间坐标来有效判断边坡的实际变形活动状态，进而判断边坡是否处于稳定状态。
本发明实施例的基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统及方法，通过自动对准与测距装置33可测得监测点与三个基准点之间的距离，进而利用三点测距交汇原理计算监测点的空间坐标，实现对公路、铁路和水利工程的边坡位移的监测。与现有技术相比，本发明具有不受地形条件限制、系统结构合理、现场安装方便、监测精度高、适用范围广等优点。
作为优选的方案，所述监测点定位装置3的数量至少为两个。采用本实施例的基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统对边坡位移进行监测时，如图3所示，可以在被测边坡的坡顶、坡中、坡脚等区域设置多处边坡位移监测点P1、P2、P3……Pn，通过对各个监测点的空间坐标在不同时刻的变化情况进行分析，实现对边坡整体性变形的全方位实时监控，并划分边坡变形失稳风险评价区域为：安全区域、变形不稳定区域、危险区域。
作为优选的方案，基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统还包括终端监测数据分析模块4和报警模块5；所述监测点坐标分析模块34通过无线通讯模块1与终端监测数据分析模块4通讯连接；所述终端监测数据分析模块4与报警模块5通讯连接。
所述终端监测数据分析模块4时一种数据存储和分析装置，其能根据监测点的空间坐标的变化来实时判断边坡位移大小、变形速率和变形收敛情况，进而得出边坡的稳定情况。例如，所述终端监测数据分析模块4可以是内置了边坡稳定性分析软件的电脑、服务器或手持终端等。所述报警模块5是一种通过声音、光等形式来提醒或警示的报警装置。该终端监测数据分析模块4可以布置在远离边坡的控制室内，该报警模块9可以布置在被测边坡上。
如图1所示，工作时，监测点坐标分析模块34将其处理好的监测点的空间坐标通过无线通讯模块1实时传输至终端监测数据分析模块4中进行存储，同时该终端监测数据分析模块4根据监测点的实时空间坐标的变化来实时判断边坡位移大小、变形速率和变形收敛情况，一旦边坡位移大小、变形速率超过预警阀值，或变形出现不收敛趋势，则表明边坡存在失稳的风险，此时，终端监测数据分析模块4以无线电波信号方式将报警信号发送至报警模块9，报警模块9发出声光报警信号，以提醒边坡现场危险区域内的人员马上撤离。
本发明实施例的基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统，通过设置终端监测数据分析模块4和报警模块5，实现了边坡位移测量、稳定性判别和智能预警的有效联动，进而达到对边坡灾害提前预警和事前主动防治的目的。
为了节约电能，作为优选的方案，如图1所示，基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统还包括太阳能供电模块6；所述太阳能供电模块6分别与自动对准与测距装置33、监测点坐标分析模块34、无线通讯模块1、和报警模块5电连接。所述太阳能供电模块6用于在太阳光下实现自动充电功能，并对其他各个模块进行供电，以节约电能。优选的，所述太阳能供电模块6包括蓄电池61以及与蓄电池61电连接的光伏面板62。工作时，光伏面板62用于将光能转换为电能，并在蓄电池61中进行存储，通过蓄电池61为其他各个模块进行供电。
所述基准点定位装置2可以仅为定位杆，工作时，当激光测距仪发射的激光信号对准定位杆时，会由于漫反射问题而降低反射脉冲激光信号的强度。图1中示出了一种基准点定位装置2的优选实施例，所述基准点定位装置2包括基准点定位杆21、以及安装在基准点定位杆21上的反射棱镜22。工作时，将基准点定位杆21埋设在基准点处，并使激光测距仪对准反射棱镜22。通过将激光测距仪发射的激光信号对准反射棱镜22，可解决激光的漫反射问题，并能确保垂直反射脉冲激光信号的强度，实现精密测距。
本发明的基于三点测距交汇原理的边坡位移监测系统及方法，当边坡位移监测系统完成布设后，即可实现24小时自动监测和智能预警，省去了人工测量的时间和人力成本，提高了工作效率，适用于施工期间和运维期间的土质、岩质等各类边坡工程的位移、变形、滑坡等项目监控。