一种基于GNSS及热成像技术的炭质岩边坡监测系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于GNSS及热成像技术的炭质岩边坡监测系统及方法，属于炭质岩边坡监测技术领域，包括热成像装置、GNSS监测装置、数据处理模块和中央数据控制分析系统，热成像装置和GNSS监测装置均与数据处理模块连接，数据处理模块与中央数据控制分析系统连接。本发明监测不受时间、地域等的限制，可实现远程监控，且采用的5G/4G等通信技术，能做到实时监测与预警，采用的数据处理模块，可进行多点任务数据的协同处理，可开发的前景较大，采用的热成像技术可以对监测人员难易到达且危险的坡面进行监测，降低人员作业的风险，提高监测的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及炭质岩边坡监测技术领域，尤其涉及一种基于GNSS及热成像技术的炭质岩边坡监测系统及方法。

背景技术

GNSS(Global Navigation Satellite System)简称全球卫星导航系统，具有精度高，功耗低、不受天气影响、可24h工作(全天候)等优点，在工程领域，如边坡动态监测等上的应用较为常见。

热成像技术是将不可见的红外辐射能量转换成可视温度场图像的技术，该技术具有作用距离较远、全天候动态实时监测、全场性(可在电脑设备上直观显示目标体表面温度场分布)、被动式(利用目标自身热辐射成像，不需要单独配置辐射源)等多种优点，广泛使用在混凝土、建筑结构、工程建筑等领域。

炭质岩是一种对光、热、水比较敏感的特殊岩质体，且自身含碳成分较高，对外吸收的热能较强，导致裸露的炭质岩边坡坡面温度与周围土体的温度存在差别。炭质岩受水的影响变化较大，具有遇水软化、崩解等特性，常常会引起边坡的滑动坍塌、表层崩解脱落等，是边坡监测关注的重要对象。

在对边坡的监测当中，一般采用GNSS技术对边坡进行表面位移监测、深部位移监测等方面的动态监测，由于数据处理和工作模式不一样，GNSS一般是独立监测，布设的监测点通常也是固定不能移动的，且不能完全覆盖整个坡体，只能选取特殊部位来进行重点监测，导致监测的目标体不够全面。边坡产生滑坡是多种因素共同作用的结果，比如降雨过后，坡面的湿润程度、裂缝的开展程度、土质特性的交替变化等，都使得坡体发生滑坡的可能性加大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于GNSS及热成像技术的炭质岩边坡监测系统及方法，解决GNSS技术对炭质岩边坡进行监测不够全面的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于GNSS及热成像技术的炭质岩边坡监测系统，包括热成像装置、GNSS监测装置、数据处理模块和中央数据控制分析系统，热成像装置和GNSS监测装置均与数据处理模块连接，数据处理模块与中央数据控制分析系统连接，热成像装置用于采集炭质岩边坡的热成像数据并传给数据处理模块，GNSS监测装置用于采集炭质岩边坡的三维动态坐标以及坡土体内部的倾斜数据并传给数据处理模块，数据处理模块把炭质岩边坡的三维动态坐标以、坡土体内部的倾斜数据和热成像数据进行处理得到坡体位移、加速度、倾斜变化、边坡表层处的热像、温度的变化情况，然后传输至中央数据控制分析系统。

进一步的，热成像装置包括热成像装置体、热成像数据采集模块和无线通信模块，热成像数据采集模块内置于热成像装置体内，热成像装置体设立在可覆盖整个边坡的平台位置处，实时监测整个边坡的热像分布数据及数据变化情况，并将采集到的数字红外视频信号传输至无线通信模块，无线通信模块用于将热成像采集模块采集到的数字红外视频信号处理为无线数字红外视频信号，发送至数据处理模块中进行处理。

进一步的，GNSS监测装置包括GNSS天线、数据接收器和GNSS基站，GNSS天线与数据接收器连接，数据接收器与数据处理模块连接，所述的GNSS天线分别单独设置在若干监测点的平台上，实时监测边坡的三维动态坐标以及坡土体内部的倾斜数据，并将数据传输至数据接收器内，所述的GNSS基站设置在监测区域外上的监测墩上，通过有线电缆与数据处理模块进行连接并将监测到的数据传输至数据处理模块进行处理。

进一步的，中央数据控制分析系统包括图像识别模块、中央控制分析系统和监控显示屏，所述的图像识别模块内置于中央控制分析系统内，在电脑上根据红外热像图与现场实拍照片进行图像识别标记，自动标注边坡温度异常区域，并在相对应的现场照片上进行同步标记，标记结果同步显示于监控显示屏上，所述的中央控制分析系统，安装有数据分析软件、内置有图像识别模块以及提前设置有边坡安全系数阀值，并将从前端获取的数据自动与预先设置在软件内的安全系数阀值进行自动对比，并实时做好报警的准备，该系统可结合GNSS监测所得数据对热成像仪进行自动调节，实现对监测异常区域的精准监测，数据分析软件还可以实现边坡的动态滑坡预测、计算滑坡体的土方量、天气预报提醒的功能，在经过数据分析软件分析以后，外接于监控显示屏上进行显示，监控显示屏实时显示并绘制边坡土体位移、加速度、倾斜的数据曲线的变化情况，同时显示边坡整体的红外热像图及其数据，并根据图像识别模块自动标注坡体温度异常区域，方便监测人员实时了解整个坡体的表面及其内部变化情况。

进一步的，GNSS基站的检测方式包括GPS、BDS、GAL和GLO中的一种或几种。

进一步的，无线通信模块为5G通信模块、4G通信模块、GSM通信模块或者CDMA2000通信模块。

一种基于GNSS及热成像技术的炭质岩边坡监测系统的方法，GNSS天线分别单独设置在若干监测点的平台上，实时监测边坡的三维动态坐标以及坡土体内部的倾斜数据，并将数据传输至数据接收器内，热成像数据采集模块内置于热成像装置内，热成像装置设立在可以覆盖整个边坡的平台位置处，实时监测整个边坡的热像分布情况及数据变化情况，并将采集到的数字红外视频信号传输至无线通信模块；无线通信模块将由热成像采集模块采集到的数字红外视频信号处理为无线数字红外视频信号，发送至数据处理模块中进行处理，GNSS基站设置在监测区域外上的监测墩上，通过有线电缆与数据处理模块进行连接并将监测到的数据传输至数据处理模块进行处理，数据处理模块分别接收来自GNSS天线与热成像数据采集模块采集到的三维动态坐标、坡土体内部倾斜变化数据以及数字红外测量数据，并分别进行集中计算处理，得到坡体位移、加速度、倾斜变化、边坡表层处的热像、温度的变化情况，然后传输至中央控制分析系统，图像识别模块内置于中央控制分析系统内，在电脑上根据红外热像图与现场实拍照片进行图像识别标记，自动标注边坡温度异常区域，并在相对应的现场照片上进行同步标记，标记结果同步显示于监控显示屏上，中央控制分析系统安装有数据分析软件及提前设置有边坡安全系数阀值，并将从前端获取的数据自动与预先设置在软件内的安全系数阀值进行自动对比，并实时做好报警的准备，该系统可结合GNSS监测所得数据对热成像仪进行自动调节，实现对监测异常区域的精准监测，在经过数据分析软件分析以后，外接于监控显示屏上进行显示，监控显示屏实时显示并绘制边坡土体位移、加速度、倾斜的数据曲线的变化情况，同时显示边坡整体的红外热像图及其数据，并根据图像识别模块自动标注坡体温度异常区域，方便监测人员实时了解整个坡体的表面及其内部变化情况。

进一步地，数据分析软件还包括动态滑坡预测模块、土方量测量模块和天气预报提醒模块，分别用于实现边坡的动态滑坡预测、计算滑坡体的土方量、天气预报提醒的功能。

目前大部分监测人员只运用GNSS相关技术来对边坡进行监测，GNSS技术侧重于测量坡体内部的数据，并通过数据变化的形式体现出来，而热成像技术侧重于监测整个坡体表面的变化，并通过热像图数据的形式来显示边坡的整体情况。热成像技术的加入，一是可以监测降雨条件下坡面的水流变化以及雨水对坡体表面的冲刷破坏情况，特别是对炭质岩这种对水及其周边环境较为敏感的岩质类边坡，在雨水的侵蚀作用下发生滑坡的可能性较大；二是可以在夜间实时监测坡体表面是否有碎石或土块脱落的现象，掌握坡体的整体变化情况。

本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明监测不受时间、地域等的限制，可实现远程监控，且采用的5G/4G等通信技术，能做到实时监测与预警，采用的数据处理模块，可进行多点任务数据的协同处理，可开发的前景较大，采用的热成像技术可以对监测人员难易到达且危险的坡面进行监测，降低人员作业的风险，提高监测的效率，中央控制分析系统通过分析前端设备采集到的数据以后，可对前端设备进行控制调节，实现相应功能的设置，比如调节数据采集的频率、红外数据的录制回放等功能，该系统的可扩展性较好。

(2)不仅能够监测边坡土体内部的变化情况，还可以监测边坡表面的变化情况，且无需人工监测，减少了人力资源消耗，智能自动化程度较高，安全性较好，可24h全天候监测与预警。

附图说明

图1是本发明系统框图；

图2是本发明热成像对比图；

图3是本发明现场监测图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

如图1-3所示，一种基于GNSS及热成像技术的炭质岩边坡监测系统，包括热成像装置、GNSS监测装置、数据处理模块和中央数据控制分析系统，热成像装置和GNSS监测装置均与数据处理模块连接，数据处理模块与中央数据控制分析系统连接，热成像装置用于采集炭质岩边坡的热成像数据并传给数据处理模块，GNSS监测装置用于采集炭质岩边坡的三维动态坐标以及坡土体内部的倾斜数据并传给数据处理模块，数据处理模块把炭质岩边坡的三维动态坐标以、坡土体内部的倾斜数据和热成像数据进行处理得到坡体位移、加速度、倾斜变化、边坡表层处的热像、温度的变化情况，然后传输至中央数据控制分析系统。

本发明实施例中，热成像装置包括热成像装置体、热成像数据采集模块和无线通信模块，热成像数据采集模块内置于热成像装置体内，热成像装置体设立在可覆盖整个边坡的平台位置处，实时监测整个边坡的热像分布数据及数据变化情况，并将采集到的数字红外视频信号传输至无线通信模块，无线通信模块用于将热成像采集模块采集到的数字红外视频信号处理为无线数字红外视频信号，发送至数据处理模块中进行处理。

本发明实施例中，GNSS监测装置包括GNSS天线、数据接收器和GNSS基站，GNSS天线与数据接收器连接，数据接收器与数据处理模块连接，所述的GNSS天线分别单独设置在若干监测点的平台上，实时监测边坡的三维动态坐标以及坡土体内部的倾斜数据，并将数据传输至数据接收器内，所述的GNSS基站设置在监测区域外上的监测墩上，通过有线电缆与数据处理模块进行连接并将监测到的数据传输至数据处理模块进行处理。

本发明实施例中，中央数据控制分析系统包括图像识别模块、中央控制分析系统和监控显示屏，所述的图像识别模块内置于中央控制分析系统内，在电脑上根据红外热像图与现场实拍照片进行图像识别标记，自动标注边坡温度异常区域，并在相对应的现场照片上进行同步标记，标记结果同步显示于监控显示屏上，所述的中央控制分析系统，安装有数据分析软件、内置有图像识别模块以及提前设置有边坡安全系数阀值，并将从前端获取的数据自动与预先设置在软件内的安全系数阀值进行自动对比，并实时做好报警的准备，该系统可结合GNSS监测所得数据对热成像仪进行自动调节，实现对监测异常区域的精准监测，数据分析软件还可以实现边坡的动态滑坡预测、计算滑坡体的土方量、天气预报提醒的功能，在经过数据分析软件分析以后，外接于监控显示屏上进行显示，监控显示屏实时显示并绘制边坡土体位移、加速度、倾斜的数据曲线变化情况，同时显示边坡整体的红外热像图及其数据，并根据图像识别模块自动标注坡体温度异常区域，方便监测人员实时了解整个坡体的表面及其内部变化情况。

本发明实施例中，GNSS基站的检测方式包括GPS、BDS、GAL和GLO中的一种或几种。无线通信模块为5G通信模块、4G通信模块、GSM通信模块或者CDMA2000通信模块。

热成像技术可以实时监测整个坡体的温度场动态分布情况，全局性效果较好，并可根据坡面的温差变化来划分不同的温度场异常区域，对于坡面发生的渗水开裂现象，都可在热成像上显示出来，特别是针对炭质岩这种对环境温度和水较为敏感的岩质边坡，能更好的发挥出热成像技术的优势。

GNSS技术侧重于监测坡体内部的变化情况，而热成像技术侧重于坡体表面的整体监测，两者的协同组合可以提高边坡监测的精度，能更全面的反映边坡的真实变化情况，推动边坡智能化监测的发展。

VarioSCAN-3021ST(简称:VS3021)高分辨率扫描式红外热成像系统，采用碲镉汞探测器，热灵敏度高达0.03℃，图像质量优异。内置长寿命斯特林(Stiriling)闭环制冷器，具有的长期工作稳定性，适用于科研、医学、微电子、无损探伤、建筑检测、工业自动化过程控制等领域。

VS3021是两用型热像仪，既可作为便携式单机使用；又可作为在线式通过计算机对热像仪进行远程操控和热图数据的采集分析，解决了在某些测试条件下，出于安全需要不允许人员靠近时红外热像仪的使用难题。

VS3021配置控制键盘和4.5英寸高清晰度液晶显示器于一体的操作面板，可以方便观看红外热图和各种参数，通过键盘可对热像仪进行操控。电子光学变焦功能可以对30°到5°的视角区域实现轻松调节。典型的功能包括：观看当前的热图、以图库或单帧的形式浏览、分析或删除已保存的热图、自动聚焦，自动追踪高/低温、等温线和调色板的设置、在线分析定义的测量点和区域等。

VS3021的成像速率为5Hz时(标准为1Hz)是热像仪，达到270Hz时是一台快速行扫仪(用于快速移动过程)，以1个中心像素测量时是一台高速(150KHz)红外线点温仪。图像数据的存储能够通过手动、时间或热事件的方式直接记录保存于联机的计算机硬盘或热像仪内置的CF存储卡上。

随机配置功能强大、易于掌握的IRBIS系列软件包，包括集热像仪在线控制和红外数据在线分析和传输功能于一体的IRBIS-Control软件、IRBIS-Plus增强版或IRBIS-Professional专家版的高性能红外热图离线分析及报告生成软件。

一种基于GNSS及热成像技术的炭质岩边坡监测系统的方法，GNSS天线分别单独设置在若干监测点的平台上，实时监测边坡的三维动态坐标以及坡土体内部的倾斜数据，并将数据传输至数据接收器内，热成像数据采集模块内置于热成像装置内，热成像装置设立在可以覆盖整个边坡的平台位置处，实时监测整个边坡的热像分布情况及数据变化情况，并将采集到的数字红外视频信号传输至无线通信模块；无线通信模块将由热成像采集模块采集到的数字红外视频信号处理为无线数字红外视频信号，发送至数据处理模块中进行处理，GNSS基站设置在监测区域外上的监测墩上，通过有线电缆与数据处理模块进行连接并将监测到的数据传输至数据处理模块进行处理，数据处理模块分别接收来自GNSS天线与热成像数据采集模块采集到的三维动态坐标、坡土体内部倾斜变化数据以及数字红外测量数据，并分别进行集中计算处理，得到坡体位移、加速度、倾斜变化、边坡表层处的热像、温度的变化情况，然后传输至中央控制分析系统，图像识别模块内置于中央控制分析系统内，在电脑上根据红外热像图与现场实拍照片进行图像识别标记，自动标注边坡温度异常区域，并在相对应的现场照片上进行同步标记，标记结果同步显示于监控显示屏上，中央控制分析系统安装有数据分析软件及提前设置有边坡安全系数阀值，并将从前端获取的数据自动与预先设置在软件内的安全系数阀值进行自动对比，并实时做好报警的准备，该系统可结合GNSS监测所得数据对热成像仪进行自动调节，实现对监测异常区域的精准监测，在经过数据分析软件分析以后，外接于监控显示屏上进行显示，监控显示屏实时显示并绘制边坡土体位移、加速度、倾斜数据曲线的变化情况，同时显示边坡整体的红外热像图及其数据，并根据图像识别模块自动标注坡体温度异常区域，方便监测人员实时了解整个坡体的表面及其内部变化情况。数据分析软件还包括动态滑坡预测模块、土方量测量模块和天气预报提醒模块，分别用于实现边坡的动态滑坡预测、计算滑坡体的土方量、天气预报提醒的功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。