技术领域
[0001] 本
发明涉及一种水库坝体变形自动监测方法和系统，属于水库安全监测技术领域。
背景技术
[0002]
混凝土坝和砌石坝建成蓄水运用后，在水、泥沙、浪、扬压
力、
温度以及
地震等作用下，必然发生变形，严重导致塌陷，案例不胜枚举。大坝安全监测技术是国际关注问题。
[0003] 大坝结构安全监测系统涉及光学、
传感器、
电子等多个学科领域，发展经历两个阶段：
[0004] 1、观测阶段(1891～1964年)，也称
原型观测。因为该阶段的监测水平较低，只是对放置在大坝结构上的监测仪器进行人工观察和检测，记录大坝实时状态。
[0005] 2、安全观测向安全监测转变和发展的阶段(1965年至今)。国内外监测领域逐渐意识到仪器检测的局限性，便对大坝采用人工巡查与仪器观测相结合。其中日本、美国是最早进行巡视检查的国家，随后法国、意大利加拿大以及挪威等国家也都规定必须对大坝进行人工巡检，从而有效的避免了只用观测仪器对大坝进行安全监测的
缺陷。但由于人工巡查只能观察大坝表面的变化，而对其内部的复杂结构变化以及安全隐患难以辨别，因此必须发明一种能够随时、随地、及时、高效的反映和检测大坝安全问题的监测技术。60年代后期，国外许多国家对自动监测大坝安全的仪器设备进行研究和制造：日本首先实现了在拱坝上对监测数据进行自动采集；之后，意大利先后实现了垂线仪变形自动监测和集中式采集数据系统；1989年，加拿大将能够进行
数据采集、存储、处理、远程以及分析等功能的自动化检测系统安装在大坝上。我国从80年代开始对坝体变形实行监测，也研制了分布式智能检测数据采集系统、无线通信模
块以及维护大坝网络安全信息的
软件系统。
[0006] 目前对坝体变形监测基本上采用两种方式：
[0007] 1、根据基点高程和
位置，使用经纬仪、水准仪、电子测距仪或激光
准直仪、GPS、智能全站仪等来测量坝体表面标点、觇标处高程和位置变化，可实现测点的三维位移数据测量。
[0008] 2、在坝体表面安装或埋设一些监测位移的仪器，通常只能测量测点的单项位移数据(水平位移或垂直位移)。常用的位移监测仪器有位移计、测缝计、倾斜仪、沉降仪、垂线坐标仪、引张线仪、多点位移计和应变计等。
[0009] 就变形监测设备而言，从
精度、
稳定性、安装工程量、维护、价格等几方面说,能满足各项要求的设备几乎没有。坝体内部位移监测还只能使用传统的单项位移监测设备，需要预先埋设或钻孔安装，施工不便，目前还没有好的替代方法；坝体表面位移使用的三维数据监测设备安装方便、性能稳定、精度高，但受地理环境影响大，安装条件受到限制，且成本高。
[0010] 由此，研发一种低成本，不受地理环境影响，响应时间快，测量精度高，可实现自校准，便于实现智能数字化管理的坝体变形自动监测系统意义重大。
[0011] 发明
专利《水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置及检测方法》(专利号ZL201410450657.8)和《水库坝体沉陷与水平位移监测系统》(专利号ZL201410450695.3)阐述了基于激光原理监测坝体变形的原理和方法。关键技术是利用激光光束通过观测点的“十字架”折射产生清晰图形获取纵轴的特征值—弦长及截距来推算坝体变形程度。其优点是在识别图像“十字架”的截距时相对比较容易，
图像处理起来简单；是一种好的方法，缺点是对激光平整度要求高，测长距离的坝体需要较高的成本。
发明内容
[0012] 针对上述不足，本发明提供了一种水库坝体变形自动监测方法和系统，其能够对水库坝体沉陷与水平位移进行有效监测，不仅产品成本低、测量精度高、性能稳定，而且安装方便、不受地理环境影响、维护成本低、实用性强。
[0013] 本发明解决其技术问题采取的技术方案是：
[0014] 本发明提供一种水库坝体变形自动监测方法，其包括以下步骤：
[0015] 1)设置检测点及水库坝体集中监测装置
[0016] 将若干检测点等间距依次排列在坝体上且位于同一直线上，水库坝体集中监测装置设置在靠近坝体头尾侧不变形的一端可对所有坝体上检测点进行检测，用以获取设置在检测点上的监测装置图像信息，所有检测点上的监测装置大小相同，获取的所有检测点上的监测装置图像中的监测装置图像大小相同；
[0017] 2)获取检测点的基准图像信息
[0018] 水库坝体集中监测装置从近到远依次对所有检测点进行检测，通过放大不同检测点监测装置图像的倍数来获取每个检测点监测装置的基准图像信息；
[0019] 3)水库坝体变形检测
[0020] 31)水库坝体集中监测装置获取上位机的检测命令后进行自启动，获取现场环境参数，根据现场环境参数确定是否对检测点进行检测，如果对检测点进行检测则进行下一步，否则退出检测进入休眠状态；
[0021] 32)水库坝体集中监测装置首先控制第一个检测点监测装置出现在水库坝体集中监测装置拍摄范围内，然后对第一个检测点监测装置进行拍摄并保存第一个检测点监测装置的监测图像；
[0022] 33)水库坝体集中监测装置首先控制第二个检测点监测装置出现在水库坝体集中监测装置拍摄范围内且不受前面的检测点监测装置影响，然后对第二个检测点监测装置进行拍摄并保存第二个检测点监测装置的监测图像，以此类推获取其它检测点监测装置的监测图像；
[0023] 34)水库坝体集中监测装置对获取的所有检测点监测装置图像进行处理，通过与对应的基准图像比较获取水库坝体变形特征值，并计算水库坝体的沉陷和/或水平位移的数值，并将水库坝体的沉陷和/或水平位移的数值上传给上位机；
[0024] 35)水库坝体集中监测装置进入休眠状态。
[0025] 上述方法中，所述检测点监测装置包括发光体和检测点
控制器，且水库坝体集中监测装置对检测点进行检测时靠近水库坝体集中监测装置侧检测点的发光体不影响水库坝体集中监测装置获取其它检测点发光体的图像信息，所述检测点控制器用以控制发光体工作。
[0026] 上述方法中，所述发光体包括无点阵导光体、
光源、供电电源和光源控制
电路，所述无点阵导光体的上下两端分别连接有光源，所述光源与供电电源电连接，所述光源控制电路设置在光源的供电电路中且可控光源的光亮程度，所述无点阵导光体的两端设置有遮光物体且遮光物体位于光源的周围。
[0027] 上述方法中，对每个检测点参照物图像进行处理过程中，水库坝体的沉陷和水平位移的计算过程为：
[0028] 从检测点监测装置的基准图像中获取检测点监测装置的原始位置为(WL0,WH0)；
[0029] 从检测点监测装置的监测图像中获取检测点监测装置的监测位置为(WL1,WH1)；
[0030] 计算该检测点水平位移的距离：
[0031] ΔX=|WL0-WL1|
[0032] 式中，△X为检测点监测装置从原始位置的水平位移值；
[0033] 计算该检测点沉陷的距离：
[0034] ΔY＝|WH0-WH1|
[0035] 式中，△Y为检测点监测装置从原始位置的沉陷值；
[0036] 得到该检测点的变形特征值为(△X,△Y)，即该检测点的坝体变形状态为既位移又沉陷。
[0037] 本发明还提供一种水库坝体变形自动监测系统，其包括水库坝体集中监测装置和若干检测点监测装置，所述的若干检测点监测装置等间距依次排列在坝体上且位于同一直线上，水库坝体集中监测装置设置在靠近坝体头尾侧不变形的一端可对所有坝体上检测点进行检测，用以获取设置在检测点上的监测装置图像信息；所有检测点上的监测装置大小相同，水库坝体集中监测装置获取的所有检测点上的监测装置图像中的监测装置图像大小相同；水库坝体集中监测装置依次对每个检测点监测装置进行检测，并将获取的每个检测点监测装置监测图像与预先获取每个检测点监测装置的基准图像信息进行比较来获取水库坝体变形特征值，并计算水库坝体的沉陷和/或水平位移的数值。
[0038] 优选地，所述检测点监测装置包括发光体和检测点控制器，且水库坝体集中监测装置对检测点进行检测时靠近水库坝体集中监测装置侧检测点的发光体不影响水库坝体集中监测装置获取其它检测点发光体的图像信息，所述检测点控制器用以控制发光体工作；所述发光体包括无点阵导光体、光源、供电电源和光源控制电路，所述无点阵导光体的上下两端分别连接有光源，所述光源与供电电源电连接，所述光源控制电路设置在光源的供电电路中且可控光源的光亮程度，所述无点阵导光体的两端设置有遮光物体且遮光物体位于光源的周围。
[0039] 优选地，所述检测点监测装置还包括检测点监测装置壳体、第一通孔
开关机构和第二通孔开关机构，所述检测点监测装置壳体对应的两侧面分别设置有通孔，在检测点监测装置壳体两个通孔处的内
侧壁上分别设置有第一通孔开关机构和第二通孔开关机构，所述发光体和检测点控制器设置在检测点监测装置壳体内，所述检测点控制器分别与光源控制电路、第一通孔开关机构和第二通孔开关机构连接；所述的第一通孔开关机构和第二通孔开关机构均包括固定在检测点监测装置壳体内侧壁上的
支架板，在支架板一端设置有与通孔相应大小的通光孔，支架板另一端设置有水平的轨道孔，轨道孔与通光孔联通，在支架板靠近检测点监测装置壳体侧壁一侧设置有滑槽，在滑槽内设置有左右移动的挡光板，所述挡光板背面设置有在轨道孔左右移动的
齿条，所述齿条与设置在旋
转轴上的
齿轮啮合，所述
旋转轴的上端与固定在支架板上的步进
电机的
输出轴连接，旋转轴的下端设置在固定在支架板上的
轴承座内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关；所述支架板上还设置有拉式电磁
铁，当挡光板遮挡通光孔和通孔时拉式电
磁铁的挡头下落在齿条远离通光孔的一端；所述限位开关的输出端与检测点控制器连接，所述步进电机的控制端与检测点控制器连接，所述拉式电磁铁的控制端与检测点控制器连接。
[0040] 优选地，所述水库坝体集中监测装置包括固定底座、可调底座总成、摄像仪器底座和摄像装置，所述固定底座固定在水库坝体上，固定底座上设置有底座
导轨，所述可调底座总成包括上
底板和下底板，所述下底板通过水平移动螺
丝杆设置在固定底座上且下底板在水平移动螺丝杆驱动下沿底座导轨方向水平移动，所述上底板通过四组平衡螺丝设置在下底板上方，在上底板和下底板之间设置有垂直移动螺丝杆，上底板在垂直移动螺丝杆的驱动下沿平衡螺丝方向上下移动；所述摄像仪器底座固定在上底板上，所述摄像装置设置在摄像仪器底座上；所述摄像装置包括封闭壳体以及设置在封闭壳体内的摄像机、目镜和物镜，所述摄像机设置在封闭壳体后端，所述物镜设置在封闭壳体内靠近前端位置，所述目镜设置在摄像机和物镜之间且前后位置可调，所述摄像机的镜头与目镜和物镜的中心线同轴；所述目镜设置在目镜底座上，目镜底座通过目镜导轨固定在封闭壳体内，目镜底座上还设置有螺丝导轨，所述螺丝导轨的一端设置有目镜
驱动电机，所述螺丝导轨在目镜驱动电机驱动下带动目镜底座前后移动，所述封闭壳体的前端侧面板为通明玻璃板。
[0041] 优选地，所述水库坝体集中监测装置还包括可移动
挡板，所述可移动挡板连接有挡板驱动电机，在螺丝导轨的两端设置在目镜行程开关；在上底板上还设置有挡板行程开关，用以限定可移动挡板的移动范围。
[0042] 优选地，所述水库坝体集中监测装置还包括监测控制器、振动传感器、
雨量传感器和光
亮度检测传感器，所述监测控制器包括STM8L151
单片机、Cort ex-A7处理器、摄像机电源控制电路、无线射频通信模块、无线模块电源控制电路、电机驱动电路和电源模块，所述STM8L151单片机通过UART通讯电路电路与Cortex-A7处理器连接，所述摄像机电源控制电路分别与STM8L151单片机和Cortex-A7处理器、连接，所述Cortex-A7处理器通过USB
接口与摄像机摄像头连接，所述无线射频通信模块与STM8L151单片机连接，所述无线模块电源控制电路分别与STM8L 151单片机、无线射频通信模块和电源模块连接，所述振动传感器设置在水库坝体集中监测装置内部且与STM8L151单片机连接，所述的雨量传感器和
光亮度检测传感器设置在水库坝体集中监测装置外部且与STM8L151单片机连接，所述电源模块与STM8L151单片机连接；所述STM8L 151单片机通过电机驱动电路分别与目镜驱动电机和挡板驱动电机连接，STM8L151单片机还分别与目镜行程开关和挡板行程开关连接；所述无线射频通信模块采用LoRa SX1278芯片，所述LoRa SX1278芯片通过SPI接口与STM8L151单片机连接，LoRa SX1278芯片还连接有晶振芯片；所述STM8L151单片机通过无线射频通信模块分别与检测点监测装置连接。
[0043] 本发明的有益效果是：
[0044] 本发明选取坝体N个检测点逐一产生光源，水库坝体集中监测装置采用渐远放大
定位拍摄方法，获取各检测点光源图像，进而逐一进行各检测点变形特征值的提取，确定沉陷与水平位移。本发明采用望远镜成像原理，逐步定点放大拍摄坝体基点(检测点)可发光携带校准、特征值信息的标志性物体的图像，经图像处理求得特征值—坝体沉陷和水平位移，进而上传给上位计算机进行数据归纳、数值模型求解获得坝体变形程度和未来趋势。
[0045] 本发明的水库坝体变形自动监测系统能够对水库坝体进行沉陷与水平位移自动监测，不仅产品成本低、测量精度高、测量坝体距离长、性能稳定，而且安装方便、不受地理环境影响、可实现变形
跟踪调整、维护成本低、实用性强。监测控制器采用超低功耗的STM8L单片机构成，功耗较低，整个系统满足实际现场要求。本发明提供方法对水库坝变形进行检测，不仅
算法简单，而且测量精度高。
附图说明
[0047] 图2为本发明坝体变形图像形成的原理示意图；
[0048] 图3为本发明坝体变形特征值获取方法的示意图；
[0049] 图4为本发明的系统结构示意图；
[0050] 图5为本发明所述发光体的示意图；
[0051] 图6为本发明所述检测点监测装置的机构示意图；
[0052] 图7为本发明所述通孔开关机构(支架板背离壳体侧壁一侧)的结构示意图；
[0053] 图8为本发明所述通孔开关机构(支架板靠近壳体侧壁一侧)的结构示意图；
[0054] 图9为本发明所述检测点控制器的电气原理示意图；
[0055] 图10为本发明所述水库坝体集中监测装置的整体结构示意图；
[0056] 图11为本发明所述摄像装置的俯视图；
[0057] 图12为本发明所述摄像装置的立体图；
[0058] 图13为本发明所述水库坝体集中监测装置底座部分的俯视图；
[0059] 图14为本发明所述水库坝体集中监测装置底座部分的立体图；
[0060] 图15为本发明所述监测控制器的电气原理示意图。
具体实施方式
[0061] 为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合其附图对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的
实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
[0062] 如图1所示，本发明的一种水库坝体变形自动监测方法，它包括以下步骤：
[0063] 1)设置检测点及水库坝体集中监测装置
[0064] 将若干检测点等间距依次排列在坝体上且位于同一直线上，水库坝体集中监测装置设置在靠近坝体头尾侧不变形的一端可对所有坝体上检测点进行检测，用以获取设置在检测点上的监测装置图像信息，所有检测点上的监测装置大小相同，获取的所有检测点上的监测装置图像中的监测装置图像大小相同；
[0065] 2)获取检测点的基准图像信息
[0066] 水库坝体集中监测装置从近到远依次对所有检测点进行检测，通过放大不同检测点监测装置图像的倍数来获取每个检测点监测装置的基准图像信息；
[0067] 3)水库坝体变形检测
[0068] 31)水库坝体集中监测装置获取上位机的检测命令后进行自启动，获取现场环境参数，根据现场环境参数确定是否对检测点进行检测，如果对检测点进行检测则进行下一步，否则退出检测进入休眠状态；
[0069] 32)水库坝体集中监测装置首先控制第一个检测点监测装置出现在水库坝体集中监测装置拍摄范围内，然后对第一个检测点监测装置进行拍摄并保存第一个检测点监测装置的监测图像；
[0070] 33)水库坝体集中监测装置首先控制第二个检测点监测装置出现在水库坝体集中监测装置拍摄范围内且不受前面的检测点监测装置影响，然后对第二个检测点监测装置进行拍摄并保存第二个检测点监测装置的监测图像，以此类推获取其它检测点监测装置的监测图像；
[0071] 34)水库坝体集中监测装置对获取的所有检测点监测装置图像进行处理，通过与对应的基准图像比较获取水库坝体变形特征值，并计算水库坝体的沉陷和/或水平位移的数值，并将水库坝体的沉陷和/或水平位移的数值上传给上位机；
[0072] 35)水库坝体集中监测装置进入休眠状态。
[0073] 本发明通过上述方法对水库坝体变形进行检测，不仅算法简单，而且测量精度高。
[0074] 在上述方法中，所述检测点监测装置包括发光体和检测点控制器，且水库坝体集中监测装置对检测点进行检测时靠近水库坝体集中监测装置侧检测点的发光体不影响水库坝体集中监测装置获取其它检测点发光体的图像信息，所述检测点控制器用以控制发光体工作。
[0075] 在上述方法中，所述发光体包括无点阵导光体、光源、供电电源和光源控制电路，所述无点阵导光体的上下两端分别连接有光源，所述光源与供电电源电连接，所述光源控制电路设置在光源的供电电路中且可控光源的光亮程度，所述无点阵导光体的两端设置有遮光物体且遮光物体位于光源的周围。
[0076] 为了便于摄像机能够获得更好的检测点图像效果，所述无点阵导光体采用无点阵导光柱或无点阵导光板。
[0077] 为了能够使导光体发出的均匀明亮光，所述光源采用白光光源和激光光源。
[0078] 在具体实施过程中，为了便于采集各个检测点图像，将无点阵导光体竖直设置在检测点上，每个检测点上的无点阵导光体在获取的检测点发光体图像中依次左右排列且互不重叠，如图2所示；或者将无点阵导光体水平设置在检测点上，每个检测点上的无点阵导光体在获取的检测点发光体图像中依次左右排列且互不重叠。这种将无点阵导光体固定设置在检测点监测装置上，能够保证在检测点为发生坝体变形时使获得的监测图像与初始基准图像位置一致，提高了监测精度。
[0079] 另外，无点阵导光体也可以采用活动式设置在检测点的监测装置开启通孔板上，当检测该检测点时，通过推进或者提升机构将无点阵导光体放置在检测点监测装置的开孔板上且与获取初始基准图像时位置一致，当检测完成后再将携带无点阵导光体的开孔板移走，给下一个检测点的检测让位。
[0080] 为获取水库坝体沉陷与水平位移的特征值，本发明采用发光体，该发光体光源可采用一般白光和激光做两端光源，光柱采用国际最先进的无点阵导光柱，当光源通电后产生光，该两端光将通过导光柱传递，使发光体产生均匀明亮的光柱。这样白天晚上均可以看到(远处采用一体化装置放大方式观测)，且有N种(暂且定位3种)光亮的控制端，实现明亮、灰暗、夜间的光亮的控制。为确保光的平整性，在导光柱两端增加了与CCD拍摄方向一致的遮光体，这样进行图像处理时可以获取很好的边缘。
[0081] 本发明设定反光柱的尺寸一定，在具体实施过程中暂且设置高度h＝30mm,宽度w＝4mm。在坝体上拍摄各个基点(检测点)的发光柱大小也许稍微有差别，但通过已知光柱大小可以求得图像
像素点的的实际尺寸，这样可以进行实时校准，而不受距离远近和环境影响。该发光体的测量精度跟坝体长远和CCD点阵数量有关。如果我们用100万的像素1152×864摄像头拍摄，该图像的发光体长度点阵行120，则测量精度为约0.4mm，小于1mm，满足要求。采用高清摄像头，效果更好。
[0082] 上述方法中，如图3所示，图3(A)是安装固定或原始校准后的基点(检测点)原始图像从孔观测的示意图，图3(B)和图3(C)分别是基点(检测点)原始图像发生位移和沉陷的观测示意图；由于拍摄的位置不变，所以对基点(检测点)原始位置和变形位置拍摄的图如图3(a)、图3(b)和图3(c)所示。对每个检测点参照物图像进行处理过程中，水库坝体的沉陷和水平位移的计算过程为：
[0083] 从检测点监测装置的基准图像中获取检测点监测装置的原始位置为(WL0,WH0)；
[0084] 从检测点监测装置的监测图像中获取检测点监测装置的监测位置为(WL1,WH1)；
[0085] 计算该检测点水平位移的距离：
[0086] ΔX＝|WL0-WL1|
[0087] 式中，△X为检测点监测装置从原始位置的水平位移值；
[0088] 计算该检测点沉陷的距离：
[0089] ΔY＝|WH0-WH1|
[0090] 式中，△Y为检测点监测装置从原始位置的沉陷值；
[0091] 得到该检测点的变形特征值为(△X,△Y)，即该检测点的坝体变形状态为既位移又沉陷。
[0092] 如图4所示，一种水库坝体变形自动监测系统，它包括水库坝体集中监测装置和若干检测点监测装置，所述的若干检测点监测装置等间距依次排列在坝体上且位于同一直线上，水库坝体集中监测装置设置在靠近坝体头尾侧不变形的一端可对所有坝体上检测点进行检测，用以获取设置在检测点上的监测装置图像信息；所有检测点上的监测装置大小相同，水库坝体集中监测装置获取的所有检测点上的监测装置图像中的监测装置图像大小相同；水库坝体集中监测装置依次对每个检测点监测装置进行检测，并将获取的每个检测点监测装置监测图像与预先获取每个检测点监测装置的基准图像信息进行比较来获取水库坝体变形特征值，并计算水库坝体的沉陷和/或水平位移的数值。
[0093] 水库坝体较长，一个检测点的特征值不能反映坝体变形情况，应需要选择多个基点(检测点)进行监测，每个检测点安装一个发光柱，但各个检测点的发光柱不在一条直线上，但相互平行。拍摄图像过程：首先拍摄第一个基点(检测点)的发光柱，此时检测点监测装置正对CCD摄像机侧的通孔打开，而另一侧关闭，作为拍摄背景(黑色)，拍摄后两侧均打开，同时第二个检测点监测装置正对CCD侧的通孔也打开…以此类推。这样经放大摄像装置的CCD通过不同时刻拍照后形成图像。每一幅图像只有一个变形特征值，光柱只有在拍摄该基点时候发亮。不发亮的光柱即使在图像区域内也很容易剔除。
[0094] 优选地，所述检测点监测装置包括发光体和检测点控制器，且水库坝体集中监测装置对检测点进行检测时靠近水库坝体集中监测装置侧检测点的发光体不影响水库坝体集中监测装置获取其它检测点发光体的图像信息，所述检测点控制器用以控制发光体工作。
[0095] 如图5所示，所述发光体包括无点阵导光体、光源、供电电源和光源控制电路，所述无点阵导光体的上下两端分别连接有光源，所述光源与供电电源电连接，所述光源控制电路设置在光源的供电电路中且可控光源的光亮程度，所述无点阵导光体的两端设置有遮光物体且遮光物体位于光源的周围。
[0096] 所述发光体包括无点阵导光体、光源、供电电源和光源控制电路，所述无点阵导光体的上下两端分别连接有光源，所述光源与供电电源电连接，所述光源控制电路设置在光源的供电电路中且可控光源的光亮程度，所述无点阵导光体的两端设置有遮光物体且遮光物体位于光源的周围。
[0097] 为了便于摄像机能够获得更好的检测点图像效果，所述无点阵导光体采用无点阵导光柱或无点阵导光板。
[0098] 为了能够使导光体发出的均匀明亮光，所述光源采用白光光源和激光光源。
[0099] 在具体实施过程中，为了便于采集各个检测点上发光柱的图像，将无点阵导光体竖直设置在检测点上，每个检测点上的无点阵导光体在获取的检测点发光体图像中依次左右排列且互不重叠，如图2所示。或者将无点阵导光体水平设置在检测点上，每个检测点上的无点阵导光体在获取的检测点发光体图像中依次上下排列且互不重叠(此种情形与图2类似，所有未在附图中示出)。这种将无点阵导光体固定设置在检测点上，能够保证在检测点为发生坝体变形时使获得的监测图像与基准图像一致，提高了监测精度。
[0100] 另外，无点阵导光体也可以采用活动式设置在检测点上，当检测该检测点时，通过推进或者提升机构将无点阵导光体放置在检测点上且与获取基准图像时位置一致，当检测完成后在将无点阵导光体移走。
[0101] 为获取水库坝体沉陷与水平位移的特征值，本发明采用发光体，该发光体光源可采用一般白光和激光做两端光源，光柱采用国际最先进的无点阵导光柱，当光源通电后产生光，该两端光将通过导光柱传递，使发光体产生均匀明亮的光柱。这样白天晚上均可以看到(远处采用一体化装置放大方式观测)，且有N种(暂且定位3种)光亮的控制端，实现明亮、灰暗、夜间的光亮的控制。为确保光的平整性，在导光柱两端增加了与CCD拍摄方向一致的遮光体，这样进行图像处理时可以获取很好的边缘。
[0102] 本发明设定反光柱的尺寸一定，在具体实施过程中暂且设置高度h＝30mm,宽度w＝4mm。在坝体上拍摄基点(检测点)的光柱大小也许稍微有差别，但通过已知光柱大小可以求得图像像素点的的实际尺寸，这样可以进行实时校准，而不受距离远近和环境影响。该发光体的测量精度跟坝体长度和CCD点阵数量有关。如果我们用100万的像素1152×864摄像头拍摄，该图像的发光体长度点阵行120，则测量精度为约0.4mm，小于1mm，满足要求。采用高清摄像头，效果更好。
[0103] 优选地，如图6所示，所述检测点监测装置还包括检测点监测装置壳体1、第一通孔开关机构3和第二通孔开关机构5，所述检测点监测装置壳体1对应的两侧面分别设置有通孔，在检测点监测装置壳体两个通孔处的内侧壁上分别设置有第一通孔开关机构3和第二通孔开关机构5，所述发光体2通过发光体固定装置6设置在检测点监测装置壳体1内，所述检测点控制器5设置在检测点监测装置壳体1内且分别与光源控制电路、第一通孔开关机构3和第二通孔开关机构5连接；所述的第一通孔开关机构3和第二通孔开关机构5结构相同，以第二通孔开关机构5为例，如图7和8所示，第二通孔开关机构5包括固定在检测点监测装置壳体内侧壁上的支架板501，在支架板501一端设置有与通孔相应大小的通光孔502，支架板另一端设置有水平的轨道孔503，轨道孔503与通光孔502联通，在支架板靠近检测点监测装置壳体侧壁一侧设置有滑槽504，在滑槽504内设置有左右移动的挡光板505，所述挡光板
505背面设置有在轨道孔左右移动的齿条506，所述齿条506与设置在旋转轴507上的齿轮
508啮合，所述旋转轴507的上端与固定在支架板上的步进电机509的输出轴连接，旋转轴
507的下端设置在固定在支架板上的轴承座510内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关511和512；所述支架板501上还设置有拉式电磁铁513，当挡光板遮挡通光孔和通孔时拉式电磁铁513的挡头下落在齿条506远离通光孔的一端；所述限位开关511和512的输出端与检测点控制器4连接，所述步进电机509的控制端与检测点控制器4连接，所述拉式电磁铁513的控制端与检测点控制器4连接。
[0104] 所述遮挡板505背离支架板的一面紧靠在发射器壳体41内侧壁上；所述发射器壳体41为防水壳体；所述遮挡板505采用聚乙烯板。增加了发射器壳体的
密封性和防水性。
[0105] 如图9所示，所述检测点控制器包括STM8L151单片机(1)、无线射频通信模块、无线模块电源控制电路、振动传感器、步进电机驱动电路和电源模块，所述无线射频通信模块与STM8L151单片机(1)连接，所述无线模块电源控制电路分别与STM8L151单片机(1)、无线射频通信模块和电源模块连接，所述振动传感器设置在检测点监测装置壳体内且与STM8L151单片机(1)连接，所述STM8L151单片机(1)通过步进电机驱动电路与步进电机的控制端连接，所述电源模块与STM8L 151单片机连接。
[0106] 本发明的检测点监测装置通过设置通孔开关机构实现了检测点监测装置的通孔自动开启和关闭，通孔开关机构中遮挡板采用高
密度聚乙烯板加工制成，成本较低，耐用抗
腐蚀，且不变型。
[0107] 为获取沉陷与水平位移的特征值，本发明采用了发光体，该发光体光源采用一般白光和激光做两端光源，光柱采用国际最先进的无点阵导光柱，当光源通电后产生光，该两端光将通过导光柱传递，使发光体产生均匀明亮的光柱。这样白天晚上均可以看到(远处采用一体化装置放大方式观测)，且有N种(暂且定位3种)光亮的控制端，实现明亮、灰暗、夜间的光亮的控制。为确保光的平整性，在导光柱两端增加了与拍摄机方向一致的遮光体，这样进行图像处理时可以获取很好的边缘。
[0108] 本发明设定反光柱的尺寸一定，暂且设置高度h＝30mm,宽度w＝4mm。在坝体上拍摄基点(检测点)的光柱大小也许稍微有差别，但通过已知光柱大小可以求得图像像素点的的实际尺寸，这样可以进行实时校准，而不受距离远近和环境影响。该发光体的测量精度跟坝体长度和CCD点阵数量有关。如果采用用100万的像素1152×864摄像头拍摄，该图像的发光体长度点阵行120，则测量精度为约0.4mm，小于1mm，满足要求。采用高清摄像头，效果更好。
[0109] 如图10至图14所示，所述水库坝体集中监测装置包括固定底座219、可调底座总成220、摄像仪器底座208和摄像装置，所述固定底座219固定在水库坝体上，固定底座219上设置有底座导轨218，所述可调底座总成220包括上底板和下底板，所述下底板通过水平移动螺丝杆216设置在固定底座上且下底板在水平移动螺丝杆驱动下沿底座导轨方向水平移动，所述上底板通过四组平衡螺丝设置在下底板上方，在上底板和下底板之间设置有垂直移动螺丝杆217，上底板在垂直移动螺丝杆的驱动下沿平衡螺丝方向上下移动；所述摄像仪器底座208固定在上底板上，所述摄像装置设置在摄像仪器底座上；所述摄像装置包括封闭壳体以及设置在封闭壳体内的摄像机201、目镜203和物镜207，所述摄像机201设置在封闭壳体后端，所述物镜207设置在封闭壳体内靠近前端位置，所述目镜203设置在摄像机和物镜之间且前后位置可调，所述摄像机201的镜头与目镜和物镜三者的中心线同轴；所述目镜
203设置在目镜底座204上，目镜底204座通过目镜导轨205固定在封闭壳体内，目镜底座上还设置有螺丝导轨202，所述螺丝导轨的一端设置有目镜驱动电机206，所述螺丝导轨在目镜驱动电机驱动下带动目镜底座前后移动，所述封闭壳体的前端侧面板为通明玻璃板209。
[0110] 为了保护摄像装置，所述水库坝体集中监测装置还包括可移动挡板210，所述可移动挡板连接有挡板驱动电机212，在螺丝导轨的两端设置在目镜行程开关221。为了便于控制可移动挡板210，在上底板上还设置有挡板行程开关211，用以限定可移动挡板的移动范围。
[0111] 为了能够准确调整摄像装置的位置，所述水库坝体集中监测装置还包括位移标尺214，所述位移标尺214包括水平刻度尺和垂直刻度尺，所述水平刻度尺设置在固定底座且与底座导轨平行，所述垂直刻度尺设置在下底板上，上底板上下移动距离在垂直刻度尺的刻度范围内。
[0112] 为了能够快速将水库坝体集中监测装置调节水平，所述上底板的上表面上设置有两个水平仪215，其中一个水平仪沿摄像机摄像方向设置，另一个水平仪沿底座导轨方向且与摄像机摄像方向垂直设置。
[0113] 众所周知，用望远镜可以观测远处物体的细节，把这一原理应用到坝体观测中，可实现坝体变形的自动检测。放大镜原理可以采用望远镜开普勒和伽利略望远镜都行。开普勒式望远镜原理由两个凸透镜构成，这种望远镜成像是上下左右颠倒的,把图像的点阵重新排布，让图像90度翻转即可形成正像。
[0114] 该装置的拍摄点和放大倍数可以根据坝体长度的而定。如果坝体1000米，采用50-100倍的放大倍数即可满足要求。可以在整个坝体安装N个基点(检测点)，每个基点(检测点)采用的放大倍数不同，从第一个基点(检测点)开始调整好放大倍数：5、10、15、20、25、
30、35、40、45、50倍以及相对应的调整焦距位置X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10，此聚焦位置通过控制步进电机旋转带动目镜移动而确定。在控制器顺序控制步进电机
进程下，按不同放大倍数拍摄各基点(检测点)标志性物体的照片，用图像处理求得特征值，即可求得变形值。为保证放大镜内不会有水汽
凝结和灰尘进入，确保放大镜的使用性能，可在一体化装置摄像部分内部充氮气。坝体检测点安装后经过一段时间，如果坝体整体变形，则通过调整一体化控制的底座来抵消坝体变形情况，如果是坝体沉陷，可以调整底座的16-垂直移动螺旋杆以及基于水平仪仪的该平面的四个平衡螺丝来调整；如果是水平位移可以通过调整
15-水平移动螺旋杆来调整，垂直和水平调整的大小可以通过对应的标尺读出，同时输入到管理计算机里作为基数。这样定期调整底座的基准位置以便适应坝体的沉陷和水平位移，而不必调整坝体基点(检测点)位置。
[0115] 如图15所示，所述水库坝体集中监测装置还包括监测控制器、振动传感器、雨量传感器和光亮度检测传感器，所述监测控制器包括STM8L151单片机(2)、Cortex-A7处理器、摄像机电源控制电路、无线射频通信模块、无线模块电源控制电路、电机驱动电路和电源模块，所述STM8L151单片机(2)通过UART通讯电路电路与Cortex-A7处理器连接，所述摄像机电源控制电路分别与STM8L151单片机(2)和Cortex-A7处理器、连接，所述Cort ex-A7处理器通过USB接口与摄像机摄像头连接，所述无线射频通信模块与STM8L151单片机(2)连接，所述无线模块电源控制电路分别与STM8L151单片机(2)、无线射频通信模块和电源模块连接，所述振动传感器设置在水库坝体集中监测装置内部且与STM8L151单片机(2)连接，所述的雨量传感器和光亮度检测传感器设置在水库坝体集中监测装置外部且与STM8L151单片机(2)连接，所述电源模块与STM8L151单片机(2)连接；所述STM8L151单片机(2)通过电机驱动电路分别与目镜驱动电机和挡板驱动电机连接，STM8L151单片机(2)还分别与目镜行程开关和挡板行程开关连接；所述无线射频通信模块采用LoRa SX 1278芯片，所述LoRa SX1278芯片通过SPI接口与STM8L151单片机连接，LoRa SX1278芯片还连接有晶振芯片。所述STM8L151单片机(2)通过无线射频通信模块与检测点的光源控制电路连接。
[0116] SX1278无线芯片通过SPI接口与STM8L151单片机(2)连接，该芯片采用了LoRa扩频技术，具有高效的接收灵敏度和超强的抗干扰性能。无线芯片负责接收计算机下发的控制指令，并将测得的位移数据上传到上位机，其电源通过单片机控制，周期打开和关闭无线模块，这样大大降低系统功耗。
[0117] 所述监测控制器还包括GPRS通信模块，所述GPRS通信模块与STM8L151单片机(2)连接。当测试点与上位机距离较远时，还可以使用GPRS与
服务器通信，保证数据传输。
[0118] 所述电源模块包括
太阳能电池板、太阳能充电器和锂电池，所述的
太阳能电池板、太阳能充电器和锂电池依次相连接，所述锂电池分别与摄像机电源控制电路和STM8L151单片机(2)电连接。系统使用太阳能板和锂电池的供电方案，现场施工方便，不需要额外市电，绿色节能。太阳能充电器与太能板和锂电池连接，实时给锂电池充电，保证系统供电稳定。
[0119] 电源模块还可以采用交直流转换模块，交直流转换模块的输入端接入市电，输出端分别与摄像机电源控制电路和STM8L151单片机(2)电连接。本发明的整个系统主要由水库坝体集中监测装置和若干检测点监测装置组成。水库坝体集中监测装置一般固定在不易发生移动的平台上，保证基准点的准确性；检测点监测装置负责坝体沉陷和水平位移的检测，安装在坝体上的平台上，一般每隔100米安装一套，检测该点的沉陷和水平位移情况；管理
计算机系统由计算机、无线模块、GPRS模块组成，通过计算机软件发送检测命令和接受检测坝体变形的数据，对数据保存、查询、统计、分析等。
[0120] 利用该系统对水库坝体进行监测过程如下：
[0121] 1、上位机通过无线模块或GPRS发出检测命令给监测控制器；
[0122] 2、监测控制器唤醒进入检测管理状态，对各功能模块进行通电；首先测试环境情况-雨量、明暗程度等外界参数。如果可以，则进行对坝体第一检测点控制器发出命令测试命令(含发光体的亮度指令)；
[0123] 3、检测点控制器唤醒进入测试管理状态，对各功能模块进行通电，打开对应CCD侧的通孔，根据命令开通及控制导光柱光亮；完毕发出准备好命令给监测控制器；
[0124] 4、监测控制器接到命令后进行拍摄，将图像储存；监测控制器开启步进电机，将目镜移动焦距到第二个基点(检测点)拍摄的位置；同时给第一检测点控制器发出拍摄结束命令，并发出准备拍摄第二个检测点检测拍摄命令；
[0125] 5、第一检测点控制器得到监测控制器拍摄完毕命令后，则开启相对应的另一侧通孔；第二检测点控制器接到命令后，检测点控制器被唤醒进入准备状态，对各功能模块进行通电，打开对应CCD侧的通孔，开通发光体光亮度；完毕发出准备好命令给监测控制器；
[0126] 6、以此类推拍摄所有检测点发光体的图像后，对所有的检测点控制器发出结束命令，检测点控制器关闭所有通孔，进入休眠状态。
[0127] 7、监测控制器对所有图像进行处理，求得特征值-沉陷和水平位移，将该值保存并通过无线模块或GPRS上传给上位机，完毕进入休眠特征。
[0128] 与
现有技术相比，本发明具有以下特点：
[0129] 1)形成图像方式不同：传统形成图像方法是通过拦截“激光”而形成图像，是二维方式；而本
申请的方法是仅产生发光源，产生一维图像。
[0130] 2)拍摄图像方式不同：传统监测系统是每个检测点均有CCD摄像头，各
自拍摄各自的二维图像，而本申请是基于基准点远程逐步拍摄坝体检测点导光柱图像，采用一维方式，求得沉陷和水平位移。
[0131] 3)图像包含信息量不同：传统监测系统仅含有沉陷和水平位移特征值，而本申请图像处理含有变形值外，还含有确定的高度宽度基准信息，以此获取准确的沉陷和水平位移值。
[0132] 3)图像处理不同：传统监测系统是每个基点(检测点)的监测控制器处理，而本申请是水库坝体集中监测装置的监测控制器进行统一处理。
[0133] 4)精确测量：每个基点(检测点)的图像是有差异的，即每个基点(检测点)图像具有特定性，每次获取图像首先求得导光柱的高度h和宽度w，由此算出图像点阵的大小，从而确定变形程度。精度的高低跟放大摄像一体机镜头
质量、焦距以及坝体长度有关。自动测量不受时间和一般
气候影响。
[0134] 5)通孔开启机构不同：传统监测系统的检测点监测装置通孔开启采用收缩移动方式打开，而本申请的是采用内外封闭的平移开启方式。
[0135] 6)集中监测装置的移动平台不同：传统监测系统的的集中监测装置移动平台基于粗略的调整机构，而本申请采用精密的XY轴移动平台。
[0136] 此外，本发明的应用范围不局限于
说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附
权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
