【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及库岸危岩崩塌监测，特别是指一种基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测系统及方法。
技术介绍
1、危岩崩塌是常见的地质灾害之一，其成因复杂，分布广泛，具有隐蔽性、突发性、致灾性等特征，致使早期有效预警一直难以实现。库岸区危岩隐患早期识别、孕灾机制、监测预警与治理，是学科前沿关注的热点与难点，同时也是行业的重大需求。危岩崩塌的早期预警技术一直是亟待解决的关键技术问题之一，而有效的早期预警依赖于配套的监测装备，因此迫切需要开发一种危岩监测方法及装置，对危岩运动姿态进行监测与预警。
2、现有技术中，常规的基于全球卫星导航系统的静态坐标定位方法一方面解算时间较长，难以及时获取到运动数据，另一方面易受到雨水天气影响，而危岩崩塌往往发生在连续暴雨天，致使定位精度存在较大的误差，难以有效监测危岩崩塌过程及早期预警。通过布设位移计进行数据采集的方法虽然获取了较高的精度，但局部的监测无法实现危岩体整体运动姿态的解算，同时也存在地形适用性方面的限制。
技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测系统及方法，采用激光雷达测量距离，以及可重复使用的手持rtk测量仪对三个球形靶点的坐标进行一次定位，硬件设备造价较低，适合在库岸危岩区域进行大量布设；能够实时获取危岩测点的三维运动轨迹和倾角变化，具有对运动姿态实时呈现功能，从而实现库岸危岩运动姿态的监测及预警。
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：p>
3、一方面，提供了一种基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测系统，所述系统包括：坐标定位装置、倾角测量装置、供电装置与监测基站；
4、所述坐标定位装置包括布置在危岩测点的激光雷达、布置在危岩变形区域外的三个球形靶点、以及手持rtk测量仪；所述激光雷达用于测量危岩测点与三个球形靶点的距离，所述手持rtk测量仪用于定位三个球形靶点的球心三维坐标；
5、所述倾角测量装置包括布置在危岩测点的倾角仪和加速度计；所述倾角仪用于测量危岩测点的倾斜角，所述加速度计用于测量危岩测点的加速度；
6、所述供电装置用于给所述坐标定位装置及所述倾角测量装置供电；
7、所述监测基站安装后处理软件，所述后处理软件包括激光雷达数据处理模块、运动姿态监控模块和预警模块；
8、所述激光雷达数据处理模块用于生成球形靶点的三维点云数据，并根据三球面定位法解算出危岩测点的三维坐标；所述运动姿态监控模块用于根据不同时刻危岩测点的三维坐标绘制运动轨迹，并结合测量的倾斜角生成危岩运动姿态模型；所述预警模块用于根据危岩运动姿态模型计算出危岩的变形数据，并将加速度、变形数据与预设阈值进行对比，当其中任意一项超出预设阈值时对危岩崩塌进行预警。
9、可选地，所述激光雷达、所述倾角仪和所述加速度计安装在第一支架上，所述第一支架包括万向节、升降螺杆、紧固螺栓、支架下段、支架中段、支架上段、加劲板、固定板、基座、螺栓、调平螺帽、自攻螺丝、圆柱形销钉；
10、所述激光雷达通过所述万向节与所述升降螺杆连接，能够实现前、后、左、右转动调节；所述激光雷达与所述万向节通过所述圆柱形销钉连接；所述激光雷达的辐射范围能够在危岩运动后仍然覆盖所述球形靶点；
11、所述升降螺杆的上端拧入所述万向节下方的螺丝孔进行固定；所述升降螺杆的下端拧进所述支架上段的螺丝孔内，采用所述紧固螺栓进行锁定；单个或者多个所述支架中段将所述支架下段和所述支架上段连接；
12、所述支架下段底部设有所述固定板，并采用所述加劲板进行加固；所述固定板通过所述螺栓与所述基座连接；所述螺栓在穿过所述固定板时上、下各布设一个所述调平螺帽，用于紧固和调平所述固定板；
13、所述倾角仪和所述加速度计采用所述自攻螺丝固定在所述支架下段。
14、可选地，所述球形靶点安装在第二支架上，所述第二支架包括升降螺杆，所述球形靶点设有螺丝孔，所述升降螺杆拧入所述螺丝孔进行固定；
15、所述球形靶点包括白色钢球，所述白色钢球能够对激光进行反射。
16、可选地，所述激光雷达搭载有测绘相机，所述激光雷达生成三维点云数据后，所述测绘相机为所述三维点云数据实时着色，使监测基站的后处理软件能够识别出所述三维点云数据中的球形靶点；
17、所述激光雷达的扫描模式为重复扫描，水平视角为180°，垂直视角为75°，所述激光雷达的量程大于50 m，误差小于2 mm；所述激光雷达采用无线电通信，搭载有无线发射器，无线频率为2.4 ghz；
18、所述倾角仪测量x和y两个方向的倾斜角，用于呈现危岩倾斜方向；所述倾角仪采用无线电通信，配有无线发射器，无线频率为2.4ghz；
19、所述加速度计测量x和y两个方向的运动加速度，用于获取危岩运动状态；所述加速度计采用无线电通信，配有无线发射器，无线频率为2.4ghz。
20、可选地，所述供电装置为太阳能供电装置，包括太阳能电池组、蓄电池、逆变器和控制器；
21、所述监测基站包括无线接收器和pc端，所述无线接收器采用usb接口与所述pc端连接；
22、所述pc端安装所述后处理软件，所述后处理软件二次开发一个插件，所述插件能够识别出所述三维点云数据中的三个球形靶点；所述激光雷达数据处理模块根据三球面定位法解算出危岩测点的三维坐标；
23、所述运动姿态监控模块根据不同时刻危岩测点的三维坐标绘制运动轨迹，结合测量的倾斜角生成危岩运动姿态模型，并实时呈现；
24、所述预警模块根据危岩运动姿态模型计算出危岩的变形数据，并将加速度、变形数据与预设阈值对比，当其中任意一项超出预设阈值时对危岩崩塌进行预警。
25、另一方面，提供了一种基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测方法，所述方法基于上述任一项所述的系统，所述方法包括以下步骤：
26、s1、在危岩测点布置激光雷达、倾角仪和加速度计，并在危岩变形区域外布置三个球形靶点；
27、s2、采用手持rtk测量仪定位三个球形靶点的球心三维坐标，并利用激光雷达测量危岩测点与每个球形靶点的距离，根据三球面定位法解算出危岩测点的三维坐标；
28、s3、利用倾角仪测量危岩测点的倾斜角，并利用加速度计测量危岩测点的加速度；
29、s4、根据不同时刻危岩测点的三维坐标绘制运动轨迹，并结合测量的倾斜角生成危岩运动姿态模型；
30、s5、根据危岩运动姿态模型计算出危岩的变形数据，将加速度、变形数据与预设阈值进行对比，当其中任意一项超出预设阈值时对危岩崩塌进行预警。
31、可选地，所述步骤s1中，在现场选取一个危岩测点和三个球形靶点，设三个球形靶点分别为球形靶点1、球形靶点2、球形靶点3，四个点位满足如下关系式：
32、
33、其中，l12、l13、l23分别为球形靶点1与球形靶点2本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测系统，其特征在于，所述系统包括：坐标定位装置、倾角测量装置、供电装置与监测基站；
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测系统，其特征在于，所述激光雷达、所述倾角仪和所述加速度计安装在第一支架上，所述第一支架包括万向节、升降螺杆、紧固螺栓、支架下段、支架中段、支架上段、加劲板、固定板、基座、螺栓、调平螺帽、自攻螺丝、圆柱形销钉；
3.根据权利要求1所述的基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测系统，其特征在于，所述球形靶点安装在第二支架上，所述第二支架包括升降螺杆，所述球形靶点设有螺丝孔，所述升降螺杆拧入所述螺丝孔进行固定；
4.根据权利要求1所述的基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测系统，其特征在于，所述激光雷达搭载有测绘相机，所述激光雷达生成三维点云数据后，所述测绘相机为所述三维点云数据实时着色，使监测基站的后处理软件能够识别出所述三维点云数据中的球形靶点；
5.根据权利要求1所述的基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测系统，其特征在于，所述供电装置为
6.一种基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测方法，所述方法基于权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，在现场选取一个危岩测点和三个球形靶点，设三个球形靶点分别为球形靶点1、球形靶点2、球形靶点3，四个点位满足如下关系式：
8.根据权利要求6所述的基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据三球面定位法解算出危岩测点的三维坐标，过程如下：
9.根据权利要求6所述的基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测方法，其特征在于，所述三球面定位法解算危岩测点的三维坐标采用解析法或数值近似解法。
10.根据权利要求6所述的基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测方法，其特征在于，所述步骤S4中，危岩运动姿态模型包括运动轨迹和倾斜角；其中，运动轨迹包含x，y，z三个方向，倾斜角包含x，y两个方向；
...【技术特征摘要】
1.一种基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测系统，其特征在于，所述系统包括：坐标定位装置、倾角测量装置、供电装置与监测基站；
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测系统，其特征在于，所述激光雷达、所述倾角仪和所述加速度计安装在第一支架上，所述第一支架包括万向节、升降螺杆、紧固螺栓、支架下段、支架中段、支架上段、加劲板、固定板、基座、螺栓、调平螺帽、自攻螺丝、圆柱形销钉；
3.根据权利要求1所述的基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测系统，其特征在于，所述球形靶点安装在第二支架上，所述第二支架包括升降螺杆，所述球形靶点设有螺丝孔，所述升降螺杆拧入所述螺丝孔进行固定；
4.根据权利要求1所述的基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测系统，其特征在于，所述激光雷达搭载有测绘相机，所述激光雷达生成三维点云数据后，所述测绘相机为所述三维点云数据实时着色，使监测基站的后处理软件能够识别出所述三维点云数据中的球形靶点；
5.根据权利要求1所述的基于激光雷达定位与倾角测斜的危岩运动监测系统，其特征在于，所述供...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱杰兵，金志豪，卢波，周华敏，朱瑜劼，汪斌，胡伟，徐栋栋，吴勇进，郭紫锦，刘小红，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：
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