边坡安全监测预警装置和预警方法

技术领域

本发明实施例涉及边坡安全技术领域，具体涉及边坡安全监测预警装置和预警方法。

背景技术

随着公路建设的快速发展，公路边坡地质灾害也时有发生，地域上主要集中在西南等地质环境复杂的地区，易出现崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝等自然灾害。其他地区边坡安全隐患多沿公路、铁路两侧及坝区两岸分布，线路工程跨度大的特性也增加了对边坡监测的难度。因边坡灾害造成的损失巨大，边坡失稳引发的地质灾害造成公路设施毁坏，损失惨重；边坡失稳严重影响公路正常营运，造成重大社会影响。

传统边坡监测方法需要的传感器数量多，费用高，安装复杂，维护困难。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供边坡安全监测预警装置和预警方法，用以解决现有传统边坡监测方法需要的传感器数量多，费用高，安装复杂，维护困难的问题。

为实现上述目的，本发明实施例主要提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种边坡安全监测预警装置，包括：

云台；

设置在所述云台上的激光雷达，用于实时获取目标边坡的点云数据；

设置在所述云台上的相机，用于实时获取所述目标边坡的图像数据，所述激光雷达和所述相机进行了预标定；

控制器，用于对所述点云数据进行滤波处理，剔除离群点，所述控制器还用于对剔除离群点后的点云数据和所述图像数据通过换算矩阵运算融合，得到附带三维坐标的彩色图像数据；所述控制器还用于根据所述彩色图像数据对边坡表面进行深度变化监测，当监测到所述目标边坡发生灾害或形变时向云端进行预警。

根据本发明的一个实施例，所述激光雷达和所述相机的视野相差在预设范围内。

根据本发明的一个实施例，所述云台上设置有固定所述激光雷达和所述相机相对位置的云台盒子。

根据本发明的一个实施例，还包括用于支撑并稳定所述云台盒子的支撑架。

第二方面，本发明实施例还提供一种边坡安全监测预警方法，包括：

通过激光雷达实时获取目标边坡的点云数据，并通过相机实时获取所述目标边坡的图像数据；

对所述点云数据进行滤波处理，剔除离群点后，对剔除离群点后的点云数据和所述图像数据通过换算矩阵运算融合，得到附带三维坐标的彩色图像数据；

根据所述彩色图像数据对边坡表面进行深度变化监测，当监测到所述目标边坡发生灾害或形变时向云端进行预警。

根据本发明的一个实施例，在通过相机实时获取所述目标边坡的图像数据之前，还包括：

提供标准黑白棋盘格；

采集所述相机在不同位姿的多个棋盘格图像；

利用张正友标定法，算取所述相机的外参和内参。

根据本发明的一个实施例，在算取所述相机的外参和内参之后，且在通过激光雷达实时获取目标边坡的点云数据和通过相机实时获取所述目标边坡的图像数据之前，还包括：

在云台盒子中固定所述激光雷达和所述相机的相对位置；

获取所述目标边坡的彩色图像和包括多个点位的点云数据；

获取所述包括多个点位的点云数据实际位置的三维坐标，和所述包括多个点位的点云数据在所述彩色图像中对应的像素坐标；

根据所述三维坐标和所述像素坐标解相机坐标系和雷达坐标系之间的变换关系矩阵。

根据本发明的一个实施例，根据所述彩色图像数据对边坡表面进行深度变化监测，当监测到所述目标边坡发生灾害或形变时向云端进行预警，包括：

使用预设背景建模算法，用深度数据替换原始的灰度数据；

根据深度变化信息监测所述目标边坡是否发生灾害或形变；

当监测到所述目标边坡发生灾害或形变时向云端进行预警，并将发视频片段上传至所述云端。

根据本发明的一个实施例，还包括：对所述目标边坡的固定点位进行位移监控，每小时记录一次点位的三维坐标并进行八邻域均值滤波和离群点滤波。

根据本发明的一个实施例，还包括：对点位历史坐标进行分析，在30天变化量大于阈值时进行滑坡预警。

本发明实施例提供的技术方案至少具有如下优点：

本发明实施例提供的边坡安全监测预警装置和预警方法，相比于传统边坡监测手段，边坡建模精度高、装置布设方便、费用低。

附图说明

图1为本发明实施例的边坡安全监测预警装置的结构框图。

图2为本发明实施例的边坡安全监测预警方法的流程图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例的边坡安全监测预警装置的结构框图。如图1所示，本发明实施例的边坡安全监测预警装置，包括：云台100、设置在云台100上的激光雷达200和相机300，以及控制器400。其中，激光雷达200和相机300进行了预标定。激光雷达200用于实时获取目标边坡的点云数据。相机300用于实时获取目标边坡的图像数据。控制器400可以采用工控机，通过交换机和路由器联网，并通过开关电源供电。

进一步地，激光雷达200和相机300的选型需保证视野相近，使雷达数据和彩色图像能够更好的融合。

进一步地，云台100上设置有固定激光雷达200和相机300相对位置的云台盒子，以能够进行联合标定。

进一步地，边坡安全监测预警装置还包括用于支撑并稳定云台盒子的支撑架，使云台100稳定，不受大风恶劣天气干扰。

进一步地，边坡安全监测预警装置还设置有配电箱，统一存放开关电源、交换机、路由器、工控机服务器等设备，使其不受雨雪天气和阳光暴晒的影响。

具体地，在目标边坡对面合适位置选取安装点位，点位的选取视边坡长度和相机视野而定，使相机视野覆盖整个边坡并于图像中心对称分布。

在选取点位用混凝土建筑一个平台，用于打桩安装云台支架，将激光雷达和相机封装在云台内，调整好视角并固定于支架上。支架旁安放配电箱，内装工控机、交换机、4G路由器、开关电源，连接走线完毕，装置即可上电运行。

在装置开始进行监控预警之前，需要对相机和激光雷达进行标定。

在进行监测预警时，控制器400用于对实时获取的点云数据进行滤波处理，剔除离群点，然后对剔除离群点后的点云数据和图像数据通过换算矩阵运算融合，得到附带三维坐标的彩色图像数据，简称六维点云(XYZRGB)。具体地，对三维坐标点P(x,y,z),经变换矩阵换算，投影到二维图像位置Q(u,v),此时点Q在原先具有RGB彩色信息的基础上，具有了三维坐标。对传统背景建模算法(vibe)进行改进，在vibe模型中，背景模型为每个背景点存储了一个样本集，然后将每一个新的像素值和样本集进行比较来判断是否属于背景点。可以知道如果一个新的观察值属于背景点那么它应该和样本集中的采样值比较接近。具体地，记V(x)为x点处的像素值；M(x)＝{V

需要说明的是，本发明实施例的边坡安全监测预警装置的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

图2为本发明实施例的边坡安全监测预警方法的流程图。如图2所示，本发明实施例的边坡安全监测预警方法，包括：

S0：对激光雷达和相机进行标定。

具体地，首先对彩色相机进行标定，打印标准黑白棋盘格，采集相机下不同位姿的棋盘格图像20张，利用张正友标定法，算取相机外参和内参。

在云台盒子中，安装好雷达和相机设备，相对位置固定不动，对监控边坡分别采集一张彩色图像和5s的点云数据，选取10个以上点位，获取实际位置的三维坐标和其在彩色图像中对应的像素坐标，根据以下方程求解相机坐标系和雷达坐标系之间的变换关系矩阵M，式中(u,v)表示图像坐标，(x,y,z)表示三维坐标，f

S1：通过激光雷达实时获取目标边坡的点云数据，并通过相机实时获取目标边坡的图像数据。

S2：对点云数据进行滤波处理，剔除离群点后，对剔除离群点后的点云数据和图像数据通过换算矩阵运算融合，得到附带三维坐标的彩色图像数据，简称六维点云(XYZRGB)。

S3：根据六维点云数据对边坡表面进行深度变化监测，当监测到目标边坡发生灾害或形变时向云端进行预警。即使用改进型的vibe背景建模算法，用深度数据替换原始的灰度数据，利用深度变化检测落石、滑坡等运动目标，并进行报警处理，记录事发视频片段上传云端，便于溯源。该算法具有检出准确、抗干扰能力强的优点。

在本发明的一个实施例中，还包括：对固定点位进行位移监控，每一小时记录一次点位的三维坐标并进行8邻域均值滤波，离群点滤波，减少数据的抖动。

在本发明的一个实施例中，还包括：对点位历史坐标进行分析，30天变化量大于阈值则会进行滑坡预警。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。