一种基于激光测距技术的干滩监测方法

技术领域

本发明属于干滩监测技术领域，具体涉及一种基于激光测距技术的干滩监测方法。

背景技术

干滩相关参数的监测是尾矿库在线安全监测系统的重要组成部分。干滩长度是指滩顶到水边线之间的水平距离，安全超高是滩顶到库水位的高差，其数值若低于阈值可能引起水位漫顶等安全事故。干滩坡度是安全超高和干滩长度的比，是复核干滩长度、安全超高等数据的重要参数。滩顶高程是干滩最高点的海拔高度，是尾矿库安全运行的重要参数。水位高程是库水位平面的海拔高度，是尾矿库防洪安全的重要指标。

目前，尾矿库干滩监测主要有坡度推算法、图像识别法、激光扫描法。坡度推算法是根据滩面上两测量点间距和高程计算干滩坡度，再根据滩顶高程，得到干滩长度。该方法对测量点的选取有较高要求，测量数据非常少，导致测量精度低，同时随着尾矿的增加，测量点的直杆逐渐被埋没，造成资源浪费的同时，由于沉积滩松软，容易沉陷，重新更换和安装设备不便。图像识别法是利用图像识别算法解析光学摄像头获取的干滩图像，获得干滩边界、水边线、重要标记物等特征区域，再对比实际和图像上标记点之间的方位距离，最后获取干滩长度等信息。该方法受气候和光线条件影响较大，尤其是在沙尘、夜间等环境下，测量精度更低，甚至计算结果完全偏离实际。激光扫描法是利用三维激光扫描仪扫描干滩及水边线附近库水位区域而获得距离数据，结合自身空间位置，生成扫描覆盖的实体区域的高程模型，进而获得滩顶高程、干滩长度、干滩坡度等。该方法对扫描仪定位精度和敏感度要求较高；支撑扫描仪的塔杆需要被安装在干滩区域和库水位区域，随着堆积坝的前移和上升，人工重新安装成本高，同时由于安装高度和距离有限，不适用于建立大型干滩的高程模型，也就无法准确获取干滩相关参数。于此同时，上述已有方法均无法同时获取干滩长度、干滩坡度、安全超高、滩顶高程、水位高程等参数值。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于激光测距技术的干滩监测方法，以解决目前的干滩监测方法无法进行多参数的监测，不够准确的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

本发明提供一种基于激光测距技术的干滩监测方法，包括：

S1：激光测距系统的布置；激光测距系统安装在干滩一侧的山坡上；激光测距系统包括控制模块、第一塔杆、激光测距仪、索道和第二塔杆；第一塔杆通过索道与第二塔杆连接，索道上挂有激光测距仪，第一塔杆中上部固定有控制模块；

S2：初始化设置；

S3：利用立体几何法，确定滩顶轴线和水位线位置

S4：计算出各项数据对应的干滩长度、干滩坡度和安全超高的干滩相关参数；

S5：计算出各项数据对应的滩顶高程、水位高程的干滩相关参数；

S6：解析出S4和S5的各项相关参数的均值、极值或其他运算值。

进一步的，所述激光测距仪主要包括激光发送装置、接收装置、无线收发模块、第一控制板、俯仰电机及其对应的旋转编码器、扫描电机及其对应的旋转编码器；激光发送装置、接收装置和无线收发模块均与控制模块相连；第一控制板与控制模块、俯仰电机和扫描电机相连；俯仰电机用于控制激光测距仪机头作上下转动的俯仰运动；扫描电机用于控制激光测距仪机头作垂直俯仰运动面的扫描运动；旋转编码器用于记录机头的俯仰和扫描旋转角度；第一控制板主要实现俯仰电机和扫描电机、数据通信和初始化参数的设置和控制。

进一步的，所述控制模块包括索道电机、线性编码器、无线收发模块和第二控制板；索道电机、线性编码器和无线收发模块均与激光测距仪相连，第二控制板与激光测距仪和索道电机相连；通过索道电机控制激光测距仪在索道往复运动；通过无线收发模块可以实现接收激光测距仪测量的数据，向激光测距仪发送俯仰、扫描控制命令，与后台存储和计算服务器进行通信；第二控制板主要实现索道电机、数据通信和初始化参数的设置和控制。

进一步的，所述第一塔杆和第二塔杆固定在干滩一侧的山坡上，第一塔杆靠近滩顶堆积坝方向，第二塔杆靠近水位线方向。

进一步的，所述初始化设置具体包括：

S21：测量第一塔杆到滩顶轴线铅垂面的水平距离；

S22：利用全站仪测量索道与第一塔杆连接点的第一塔杆杆顶高程H

S23：利用自准直仪测量索道的直线方向，包括索道与空间水平面xOy的夹角

S24：利用手持测距仪测量第一塔杆和第二塔杆之间索道的长度；

S25：调节激光测距仪的方位，使滩面剖断线垂直于激光测距仪的0度俯仰活动平面；

S26：通过控制模块中的索道电机将激光测距仪移动到索道上靠近第一塔杆位置处，控制模块计算并记录激光测距仪到索道与第一塔杆连接点的直线距离；

S27：随着滩顶堆积坝的抬升和前移，激光测距仪沿着索道向第二塔杆移动；

S28：根据干滩宽度和激光测距仪到干滩的距离，限定激光测距仪中俯仰电机的运动范围。

进一步的，所述S25中激光测距仪的调节方法为：

S251：分别调节激光测距仪的俯仰电机到0度俯仰角，激光测距仪的扫描电机到0度扫描角；

S252：调节激光测距仪使激光发送装置发射的激光可以竖直射向地面调节目标点E；

S253：给定一个小的俯仰角度，再调节激光测距仪使激光可以射到ED直线上靠近E点的调节目标点。

进一步的，所述滩顶轴线和水位线确定具体包括：

S31：测距仪水线方向扫描角β

S32：测距仪滩顶方向扫描角β

S33：在一个测距仪俯仰角α下，激光测距仪从0度扫描角开始以固定扫描角Δβ大小递增，分别向水位线方向和滩顶堆积坝方向转动激光测距仪机头，并测量激光测距距离；

S34：水位扫描角

S35：在两个方向上，激光测距仪均转动了i个Δβ，激光线与某一滩面剖断线分别相较于点A

S36：在滩面剖断线上A

否则，认为A

S37：在不同俯仰角的条件下，通过扫描测距，得到大量滩顶轴线或水位线上的不同样点，光滑拟合这些样点，得到滩顶轴线和水位线。

进一步的，所述干滩坡度、干滩长度、安全超高计算具体包括：

S43：干滩坡度计算

干滩坡度

式中，

式中，

S44：干滩长度计算

干滩长度

S45：安全超高计算

安全超高

进一步的，所述滩顶高程和水位高程计算具体包括：

S52：计算滩顶高程和水位高程

滩顶高程

式中

式中

其中

式中

进一步的，每测定一次数据，激光测距仪需从最小俯仰角α

本发明至少具有以下有益效果：

本发明包括测距系统的布置、仪器的调整及参数初始化、激光扫描测距，滩顶轴线和水位线的识别和干滩监测值计算，监测参数多，监测范围大，获取数据多，计算结果准，能够实现无线在线自动化干滩监测。设备安装对地形结构要求低，采样数据多、采样范围广，计算结果准确，能够真实获取整个干滩区域的相关实时数据和变化状况，性价比高、效率高。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为基于激光测距技术的干滩相关参数测量系统结构示意图；

图2为水边线和滩顶轴线识别示意图；

图3为干滩长度、干滩坡度、安全超高计算示意图；

图4为激光测距仪在三维坐标系下的位置示意图；

图5为滩顶高程、水位高程计算示意图；

附图标记：1、滩顶堆积坝；2、控制模块；3、第一塔杆；4、激光测距仪；5、索道；6、第二塔杆；7、水位线；8、滩顶轴线铅垂面；

α、测距仪俯仰角；β

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

如图1-5所示，一种基于激光测距技术的干滩监测方法，包括：

S1：激光测距系统的布置；激光测距系统安装在干滩一侧的山坡上；

激光测距系统包括控制模块2、第一塔杆3、激光测距仪4、索道5和第二塔杆6。第一塔杆3通过索道5与第二塔杆6连接，索道5上挂有激光测距仪4，第一塔杆3中上部固定有控制模块2。

控制模块2包括索道电机、线性编码器、无线收发模块和第二控制板等。索道电机、线性编码器和无线收发模块与激光测距仪4通过信号相连，第二控制板与激光测距仪4和索道电机通过信号相连；通过索道电机控制激光测距仪4在索道5往复运动，实现激光测距仪4的移动；通过线性编码器，实现激光测距仪4在索道5上移动距离的精确记录；通过无线收发模块可以实现接收激光测距仪4测量的数据，向激光测距仪4发送俯仰、扫描控制命令，与后台存储和计算服务器进行通信；第二控制板主要实现索道电机、数据通信和初始化参数等的设置和控制。

激光测距仪4主要包括激光发送装置、接收装置、无线收发模块、第一控制板、俯仰电机及其对应的旋转编码器、扫描电机及其对应的旋转编码器等；激光发送装置、接收装置和无线收发模块均与控制模块2通过信号相连；第一控制板与控制模块2、俯仰电机和扫描电机通过信号相连；俯仰电机用于控制激光测距仪4机头作上下转动的俯仰运动；扫描电机用于控制激光测距仪4机头作垂直俯仰运动面的扫描运动；旋转编码器用于记录机头的俯仰和扫描旋转角度；第一控制板主要实现俯仰电机和扫描电机、数据通信和初始化参数等的设置和控制。

在干滩一侧的山坡上固定第一塔杆3和第二塔杆6，第一塔杆3靠近滩顶堆积坝1方向，第二塔杆6靠近水位线7方向，索道5由两塔杆拉直；考虑实际地形情况，索道5直线方向不做要求。

S2：初始化设置；测量各项数据，调整激光测距仪4方位，设定激光测距仪4的空间位置；

S21：测量第一塔杆3到滩顶轴线铅垂面8的水平距离。由于滩顶堆积坝1侧面非常陡峭、高度偏低，故每次新的堆积坝侧面近似为滩顶轴线铅垂面8，滩顶轴线铅垂面8到第一塔杆3的水平距离近似为常数。

S22：利用全站仪测量索道5与第一塔杆3连接点的第一塔杆杆顶高程H

S23：利用自准直仪测量索道5的直线方向，包括索道5与空间水平面xOy的夹角

S24：利用手持测距仪测量第一塔杆3和第二塔杆6之间索道5的长度。索道5长度值是为了限定激光测距仪4的有效活动范围。

S25：调节激光测距仪4的方位，使滩面剖断线垂直于激光测距仪4的0度俯仰活动平面。如图1所示，激光测距仪4的调节方法为：

S251：分别调节激光测距仪4的俯仰电机到0度俯仰角，激光测距仪4的扫描电机到0度扫描角；

S252：调节激光测距仪4上的高低方位调节旋钮，使激光发送装置发射的激光可以竖直射向地面调节目标点E；

S253：给定一个小的俯仰角度，再调节激光测距仪4上的水平旋转方位的旋钮，使激光可以射到ED直线上靠近E点的某一调节目标点。

S254：基于以上设置的目的是为了确保在任意俯仰角下，扫描电机扫描时，滩面上激光回波点的连线是直线且垂直于滩顶轴线。

S26：通过控制模块中的索道电机将激光测距仪4移动到索道5上适当位置(靠近第一塔杆3)，此时控制模块计算并记录激光测距仪4到索道5与第一塔杆3连接点的直线距离。

S27：随着滩顶堆积坝1的抬升和前移，激光测距仪4需沿着索道5向第二塔杆6移动。

S28：根据干滩宽度和激光测距仪4到干滩的距离，限定激光测距仪4中俯仰电机的运动范围。

S3：滩顶轴线和水位线7确定；利用立体几何法，确定滩顶轴线和水位线位置；

S31：测距仪水线方向扫描角β

S32：测距仪滩顶方向扫描角β

滩顶轴线和水位线7确定思路。干滩表面是具有一定小坡度的斜面，滩顶堆积坝1侧面为一接近90度的陡斜面，库水位表面为一个水平面，因此激光测距仪4到干滩表面激光回波点的距离与扫描角具有特定的规律性关系，而在滩顶轴线外和水位线7外，激光测距距离和扫描角的特定关系会被打破，通过关系的突变，确定滩顶轴线和水位线7。

S33：在一个特定的测距仪俯仰角α下，激光测距仪4从0度扫描角开始以固定扫描角Δβ大小递增，分别向水位线7方向和滩顶堆积坝1方向转动激光测距仪4机头，并测量激光测距距离。

S34：如图2所示，假设在两个方向上，激光测距仪4均转动了i个Δβ，最后激光线与某一滩面剖断线分别相较于点A

S35：考虑实际干滩表面局部是不平整的，若在滩面剖断线上A

则认为这些采集点在干滩表面；式中σ为一距离阈值。

否则，认为A

S36：在大量不同俯仰角的条件下，通过扫描测距，得到大量滩顶轴线或水位线上的不同样点，光滑拟合这些样点，即可得到滩顶轴线和水位线7。

S4：干滩坡度、干滩长度、安全超高计算；计算出各项数据对应的干滩长度、干滩坡度和安全超高的干滩相关参数；

S41：作辅助线；

如图3所示，点A和点B分别为滩顶轴线和水位线7上的一点，直线AB垂直于滩顶轴线，

S42：证明四边形AGCM为矩形；

S421：∵线CM⊥面W；

根据几何性质——如果一条直线垂直于一个平面，那么该直线垂直于平面内的所有直线；

∴线CM与面W上的线MA垂直；

S422：∵坝顶轴线⊥线AD，又∵坝顶轴线为水平线，GD为铅垂线，∴坝顶轴线⊥线GD；

根据几何性质——如果一条直线垂直于一个平面上的两条相交直线，那么，这条直线垂直于该平面；

∴坝顶轴线⊥面AGD，即坝顶轴线⊥线AG；

∵坝顶轴线垂直面W与面AGD垂直；

根据几何性质——两个平面垂直，一个平面内一条直线垂直于另一个面内一条直线，则该直线与另一个面垂直；

∴线AG垂直于面W，即线AG⊥线MA

S423：∵面CDG∥面W∴根据上述几何性质，可得线AG⊥线CG

S424：综合S422-S423，CM⊥MA，MA⊥AG，AG⊥GC，根据矩形判定定理——有三个角是直角的四边形是矩形，即证明得到四边形ACGM为矩形。

S43：干滩坡度计算

S431：计算过程分析

过第一塔杆3与索道5连接点O作垂直于线CM的垂直线，垂足为F。

干滩坡度

式中，

式中，

预求出干滩坡度，获得

S432：求解

S4321：建立三维直角坐标系。图4为激光测距仪在三维坐标系下的位置示意图。以O点为原点，通过O点且平行于

S4322：确定激光测距仪的位置。激光测距仪点C在xOz平面上的投影即为点F，在xOy平面上的投影为点C′。直线OC与xOy平面的夹角为

S4323：计算

S44：干滩长度计算

干滩长度

S45：安全超高计算

安全超高

S5：滩顶高程和水位高程计算；计算出各项数据对应的滩顶高程、水位高程的干滩相关参数；

S51：作辅助线

图5为滩顶高程、水位高程计算示意图。过点C作铅垂线CE，过D点作DE⊥CE，∠DCE为激光测距仪的俯仰角α，通过俯仰电机及其编码器可以计算得到俯仰角。过D点作铅垂线DK交BN于K点。

S52：计算滩顶高程和水位高程

滩顶高程

式中

式中

其中

式中

S6：通过数据服务器，解析出S4和S5的各项相关参数的均值、极值或其他运算值。

当新的滩顶堆积坝1形成后，激光测距仪4沿索道5移动一定距离。

每测定一次数据，激光测距仪4需从最小俯仰角α

在每一次固定俯仰角，激光测距仪4扫描干滩一次，计算并记录干滩长度、干滩坡度、安全超高、滩顶高程、水位高程。

干滩参数采集频率由控制模块2决定。

按照国家或矿山企业规定，通过服务器灵活显示特定干滩剖断面的相关干滩参数数值，比如

该方法实现了多参数监测集为一体的远程无线在线自动化监测功能。设备安装对地形结构要求低，采样数据多、采样范围广，计算结果准确，能够真实获取整个干滩区域的相关实时数据和变化状况，是目前行业内高性价比、高效率的干滩监测方法。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。