基于机器视觉的土体分层沉降监测系统及方法与流程

1.本发明涉及地下工程技术检测领域，具体涉及一种基于机器视觉的土体分层沉降监测系统及方法。


背景技术：

2.土体分层沉降是指土体内部不同深度的土层由于受力不均或外界干扰而产生不同程度的下沉运动，导致土体结构和性质发生变化。土体分层沉降是一种常见的地质灾害，会对地下工程、建筑物、道路、桥梁等造成严重的破坏和影响，甚至威胁人类生命财产安全。因此，在地下工程中，常常需要监测土体内部分层沉降，掌握土层不同深度、不同时期的沉降量，用于预测工程完工后沉降趋势，判断工程稳定状态。
3.目前土体分层沉降监测主要采用深标点水准仪法、电磁式沉降仪法等，这些方法均需要在监测区域打设多个深度不同的测量孔进行测量。具体的，深标点水准仪法是在预定位置采用钻机钻孔，然后往孔内放入带沉降盘的测杆，测杆外部采用套管保护将测杆引出地面，然后人工用水准高程测量方法进行观测。该方法的缺点是：（1）往往一个钻孔仅能布置一个深标点，仅适用于测点较少的情况；（2）测量过程受天气条件影响大，监测数据不能实时获取和处理，无法及时发现和预警异常情况，测量结果准确度有限；（3）当监测点与基准点距离较远时，需进行长距离引测，测量过程费时费力；（4）监测设备易受损坏或干扰，维护成本高。
4.电磁式沉降仪法是在土体中垂直钻孔埋设沉降管，在沉降管轴向按分层测量间距设置沉降磁环，沉降磁环外部带有簧片爪伸入孔壁土中，沉降磁环随孔壁土体沉降，利用电磁测头测出磁环的初始位置和沉降后位置。该方法的缺点是：（1）由于磁环簧片爪锚固力较弱，难以紧密抓牢钻孔壁，加之沉降管与沉降磁环之间的间隙易被土体填充，会对沉降磁环产生较大阻力，常导致沉降磁环难以随土层同步沉降；（2）人为误差大，测量过程需要对沉降管管口高程定期校测，对操作人员水平要求高；（3）无法对土层沉降量进行实时观测。


技术实现要素：

5.本发明提出一种基于机器视觉的土体分层沉降监测系统及方法，解决现有土体分层沉降监测成本高、自动化程度和测量准确性低等问题。
6.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一方面，本发明提供一种基于机器视觉的土体分层沉降监测方法，给待监测土体断面间隔设置多层标靶介质，通过视觉传感器重复采集多层标靶介质的位置信息，比对获得不同时刻各标靶介质的位置变化参数，计算获得各土体分层的相对分层沉降量。
7.进一步地，所述方法包括：沿待监测土体上端面，给待监测土体向下施作测量钻孔；沿测量钻孔内壁纵向间隔注射荧光标的液体，作为荧光位置标靶；视觉传感器历遍所有荧光位置标靶，采集各荧光位置标靶的高度信息，作为首个
测程数据；在预设的时间间隔，视觉传感器重复采集各位置标靶的高度信息，获得多个测程数据；将多个测程数据与首个测程数据进行比对，计算出不同时段各土体分层的相对分层沉降量。
8.进一步地，所述方法还包括：在待监测土体上端面设置整体沉降测量装置，测量不同时段监测土体的整体沉降量；将整体沉降量和相对分层沉降量结合，获得不同时段各土体分层的相对分层真实沉降量。
9.进一步地，视觉传感器历遍所有位置标靶，采集各位置标靶的高度信息，包括：视觉传感器通过标尺直接获得各位置标靶的高度信息；或，通过视觉传感器的运动速度、加速度和运动时间计算获得各位置标靶的高度信息。
10.另一方面，本发明提供一种基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，包括：测量套管，所述测量套管为透明管，设置在测量钻孔中，沿透明管纵向设置标尺及若干注射孔；滑轨系统，所述滑轨系统设置于测量套管内，包括测量滑轨和设置在测量滑轨上的自驱动滑块主体，自驱动滑块主体连接电源模块；标靶介质注射系统，所述标靶介质注射系统设置在自驱动滑块主体上，可随自驱动滑块主体沿测量滑轨上下移动；视觉传感器，所述视觉传感器设置在自驱动滑块主体上，可随自驱动滑块主体沿测量滑轨上下移动。
11.进一步地，在测量钻孔的上端面设置地表标定沉降系统，地表标定沉降系统包括地表标定密封盖，地表标定密封盖上端设置地表检测标靶，地表标定密封盖外设置机器视觉仪。
12.进一步地，所述测量套管的截面呈椭圆形，测量套管贴紧于测量钻孔的一侧内壁，测量钻孔的另一侧内壁与测量套管形成空隙，空隙内设置稳压卡定装置。
13.进一步地，所述稳压卡定装置包括稳压气囊，稳压气囊通过气管和压力计连接稳压气泵，稳压气泵与电源模块连接。
14.进一步地，所述稳压卡定装置包括稳压液囊，稳压液囊通过液管和压力计连接稳压液泵，稳压气泵与电源模块连接。
15.进一步地，所述测量滑轨包括轨体，在轨体延伸方向上设有滑块卡槽和输电槽，所述轨体的上端设置挡板。
16.进一步地，所述自驱动滑块主体穿设在轨体上，在自驱动滑块内设置有伺服电机和与伺服电机连接的驱动轮；自驱动滑块主体通过其取电触头与所述输电槽电性连接，输电槽与电源模块连接。
17.进一步地，所述自驱动滑块主体上设置照明光源。
18.进一步地，所述自驱动滑块主体上设置加速度传感器或高精度计步器。
19.进一步地，所述标靶介质注射系统包括储液囊，储液囊连接增压泵，增压泵通过液管连接单向注射针，单向注射针设置有注射针伸缩机构，所述增压泵及注射针伸缩机构均与电源模块连接。
20.进一步地，所述注射孔的孔口设置单向止回阀，注射孔所在的测量套管内壁位置设置注射针卡位槽。
21.进一步地，所述视觉传感器包括多个高清摄像头，多个高清摄像头设置在自驱动滑块主体的外端面上并与电源模块连接，多个高清摄像头通过有线或无线传输与图像处理终端连接。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：1.本发明的一个实施例公开了基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，该系统其基于机器视觉的单测量钻孔，可以在不同层次的土体中注射惰性荧光标的液体，并采集荧光位置标靶的图像数据，通过其自带的标尺直接获得各位置标靶的高度信息，图像处理终端计算出不同时段各土体分层的相对分层沉降量。该系统可以实现对土体分层沉降情况的可视化监测，提高了监测的准确性和效率，并且具有较强的通用性和适应性，可以适用于不同类型的土体和标靶介质。
23.2.本发明的一个实施例公开了基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，利用滑轨系统，可以实现标靶介质注射系统和视觉传感器系统在测量套管内部的自由上下移动，从而方便地在不同层次的土体中注射标靶介质，并采集各位置标靶的图像数据，提高了监测的效率和灵活性。
24.3.本发明的一个实施例公开了基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，利用椭圆的测量套管即稳定卡定装置的配合，实现测量套管在测量钻孔中的受压牢固，防止测量装置在测量钻孔中移动或旋转，保证监测的稳定性和准确性。
25.4.本发明的一个实施例公开了基于机器视觉的土体分层沉降监测方法，通过标尺直接测得不同时段标靶介质的位移变化，可以获得不同时段各土体分层的相对分层沉降量，从而反映出土体分层沉降的变化趋势和规律，为土体沉降的预测和防治提供依据。
26.5.本发明的一个实施例公开了基于机器视觉的土体分层沉降监测方法，可在标尺刻度因故被遮盖或缺损时，通过加速度传感器或高精度计步器获得视觉传感器的运动参数，计算获得缺失的相对分层沉降量，保证监测的连续性和完整性；同时，可以在正常测量条件下，通过运动参数计算的相对分层沉降量与标尺直接测得的相对分层沉降量进行比对，验证监测的正确性和精确性。
27.当然的，实施本发明的各技术方案并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
29.图1是本发明实施例3的系统组成框图。
30.图2是本发明实施例3监测系统的整体结构示意图。
31.图3是图2的横截面示意图。
32.图4是本发明实施例3注射完成测量套管旋转180度后的结构示意图。
33.图5是实施例5中标尺刻度变形时计算相对分层沉降量的原理示意图。
34.图6是实施例5中标尺刻度被遮盖或缺损时计算相对分层沉降量的原理示意图。
35.图中，1-测量套管，101-注射孔，102-标尺；2-滑轨系统，201-测量滑轨，2011-轨体，2012-挡板，202-自驱动滑块主体；3-标靶介质注射系统，301-单向注射针；4-视觉传感器，401-高清摄像头，402-图像处理终端；5-电源模块；6-荧光位置标靶；7-土体；8-稳压卡定装置，801-稳压气囊，802-气管，803-压力计，804-稳压气泵；9-地表标定沉降系统，901-地表标定密封盖，902-地表检测标靶，903-机器视觉仪；10-加速度传感器；11-测量钻孔。
具体实施方式
36.下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
37.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
38.本文中为部件所编序号本身，例如“s1”、
“ꢀ
s2”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。
39.实施例1：本实施例涉及一种基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，设置在测量钻孔中，包括：测量套管、滑轨系统、标靶介质注射系统、视觉传感器和电源模块。
40.本实施例中的测量套管为透明材质的椭圆形管，具体为pvc透明材质；透明材质的测量套管设置于测量钻孔后，设置于管内的视觉传感器可以清晰地观察到土体中的荧光位
置标靶情况。测量套管椭圆形的结构设计目的在于：第一、使测量套管可以通过稳压卡定装置适应并固定于不同口径的测量钻孔中；第二、方便测量套管在测量钻孔内旋转和卡定，从而实现不同功能。具体的，由于椭圆形的测量套管贴紧于测量钻孔的一侧内壁，测量钻孔的另一侧内壁与测量套管之间形成空隙，空隙内设置稳压卡定装置，稳压卡定装置包括多个稳压液囊，稳压液囊通过液管和压力计连接稳压液泵，稳压液泵与电源模块连接。调节稳压液泵的输出，使稳压液囊在空隙内胀大顶紧，给测量套管外壁适当的压力，保证测量套管不易移动。
41.在该测量套管上、沿管纵向设置有标尺，标尺刻度用于视觉传感器直观的测量荧光位置标靶的高度。在测量套管上、沿管纵向间隔一定距离开设若干注射孔，注射孔与标尺正对，间隔180度，在每个注射孔孔内安装单向止回阀，注射孔作为标靶介质注射系统向土体中注射形成荧光位置标靶的通道，单向止回阀可以防止荧光标的液体回流或泄漏。在测量套管内壁、每个注射孔均设有一个注射针卡位槽，注射针卡位槽可以固定和导向单向注射针，保证单向注射针与注射孔对齐插入，并且可以减少注射针与测量套管之间的摩擦。
42.滑轨系统设置于测量套管内部，包括测量滑轨和设置在测量滑轨上的自驱动滑块主体。测量滑轨包括轨体，轨体的上端连接挡板，挡板上端设置电源模块和稳压气泵，在轨体的延伸方向上设有卡槽和输电槽。自驱动滑块主体套在轨体上可沿其上下移动，以完成不同层土体的标靶介质注射和图像数据采集。卡槽用于定位自驱动滑块主体的位置，防止其旋转或偏离轨道；输电槽连接电源模块，为自驱动滑块主体、自驱动滑块主体所载标靶介质注射系统和视觉传感器等提供电力。挡板用于轨体在测量套管内的位置固定，挡板同时可限制自驱动滑块主体向上移动的范围，防止其脱离轨体。
43.在本实施例中，自驱动滑块主体包括一个矩形的壳体，在壳体内设置电机和驱动球，伺服电机带动驱动轮转动，进而可控自驱动滑块主体的在轨体上的精确运动速度和方向，自驱动滑块主体通过其取电触头与轨体的输电槽电性连接。
44.标靶介质注射系统设置在自驱动滑块主体上，可随自驱动滑块主体同步运动，标靶介质注射系统通过输电槽电性连接电源模块。标靶介质注射系统包括储液囊，储液囊连接增压泵，增压泵通过液管连接单向注射针，单向注射针设置有注射针伸缩机构。本实施例中，注射针伸缩机构选用伸缩齿轮，伸缩齿轮可以控制单向注射针的伸缩，使其能够从测量套管的注射孔中伸出或缩回，进而刺入土体注射的荧光标的液体。储液囊连接增压泵用以为单向注射针提供足够的液压，使荧光标的液体能够穿透土体聚集形成荧光位置标靶；本实施例中，储液囊内储存的是惰性荧光标的液体，具体选用磷光颜料的分散液，惰性荧光标的液体是一种不易与土体发生化学反应或生物降解的液体，具有较强的荧光效应，可以在照明光源的照射下发出明亮的颜色，便于视觉传感器的图像识别。通过本实施例这种标靶介质注射系统的设计，可以在不同分层的土体中形成清晰可见的荧光位置标靶，同时减少监控活动本身对土体的干扰和污染。
45.本实施例中，视觉传感器包括三个高清摄像头，在单向注射针所在的自驱动滑块主体壳体侧、单向注射针的上下方分别设置一个高清摄像头，另外一个高清摄像头设置在其壳体对侧中央，三个高清摄像头通过输电槽连接电源模块5，三个高清摄像头与图像处理终端连接，本实施例中，图像处理终端为云服务器，可进行图像数据的计算，三个高清摄像头通过无线传输的方式与云服务器通信。单向注射针上下方的两个高清摄像头用于确定注
射孔的位置，便于单向注射针准确伸出注射孔；另外一个高清摄像头用于采集荧光位置标靶的图像数据。
46.本实施例监测系统可以向不同层次的土体中注射惰性荧光标的液体，并采集荧光位置标靶的图像数据，通过其自带的标尺直接获得各荧光位置标靶的高度信息，图像处理终端计算出不同时段各土体分层的相对分层沉降量。
47.实施例2：本实施例提供一种基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，在实施例1的基础之上，本实施例额外增加了一个运动状态测量系统，通过运动参数计算获得荧光剂靶标的高度信息。
48.具体的，自驱动滑块主体上设置有加速度传感器或高精度计步器，加速度传感器可用于测量自驱动滑块主体的运动速度、加速度和运动时间；高精度计步器可用于记录自驱动滑块主体的位置、移动距离和运动时间。这两种传感器通过获得的自驱动滑块主体（即视觉传感器）的运动速度、加速度、位置、移动距离和运动时间等参数，可计算获得荧光剂靶标的荧光位置标靶高度信息。
49.另外，在本实施例中，在自驱动滑块主体上还设置有照明光源，照明光源用于激发荧光标的液体并提高其可视性，便于视觉传感器对于荧光位置标靶的准确图像采集。
50.本实施例监测系统通过获取自驱动滑块主体的运动参数，结合视觉传感器采集到的荧光位置标靶的图像数据，提供除标尺直接获取荧光位置标靶高度参数外的另一个算法计算参数的方式，同一系统下的这两种方式可以相互验证；另外，在特殊情况下，如标尺刻度未拍摄清晰或被遮挡时，通过算法计算也可以明确获得荧光位置标靶高度参数，最终求得各土体分层的相对分层沉降量。
51.实施例3：参见图1，本实施例涉及一种基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，设置在测量钻孔中，包括：测量套管1、滑轨系统2、标靶介质注射系统3、视觉传感器4、电源模块5、运动状态测量系统和地表标定沉降系统9。
52.参见图2-图4，图2是监测系统的整体结构示意图；图3是图2的横截面示意图，图4是注射完成测量套管旋转180度后的结构示意图。
53.本实施例中的测量套管1为透明材质的椭圆形管，如pet透明材质；透明材质的测量套管1设置于测量钻孔11后，设置于管内的视觉传感器4可以清晰地观察到土体中的荧光位置标靶6情况。测量套管1椭圆形的结构设计目的在于：第一、使测量套管1可以通过稳压卡定装置8适应并固定于不同口径的测量钻孔11中；第二、方便测量套管1在测量钻孔11内旋转和卡定，从而实现不同功能。具体的，由于椭圆形的测量套管1贴紧于测量钻孔11的一侧内壁，测量钻孔11的另一侧内壁与测量套管之间形成空隙，空隙内设置稳压卡定装置8，稳压卡定装置8包括多个稳压气囊801，稳压气囊801通过气管802和压力计803连接稳压气泵804，稳压气泵804与电源模块5连接。调节稳压气泵804的输出，使稳压气囊801在空隙内胀大顶紧，给测量套管1外壁适当的压力，保证测量套管1不易移动。
54.在该测量套管1上、沿管纵向设置有标尺102，标尺102刻度用于视觉传感器直接的测量荧光位置标靶6的高度。在测量套管1上、沿管纵向间隔一定距离开设若干注射孔101，注射孔101与标尺102正对，间隔180度，在每个注射孔101孔内安装单向止回阀，注射孔101
作为标靶介质注射系统向土体中注射形成荧光位置标靶6的通道，单向止回阀可以防止荧光标的液体回流或泄漏。在测量套管1内壁、每个注射孔101均设有一个注射针卡位槽，注射针卡位槽可以固定和导向单向注射针301，保证单向注射针301与注射孔101对齐插入，并且可以减少注射针与测量套管之间的摩擦。
55.滑轨系统2设置于测量套管1内部，包括测量滑轨201和设置在测量滑轨201上的自驱动滑块主体202。测量滑轨201包括轨体2011，轨体2011的上端连接挡板2012，挡板2012上端设置电源模块5和稳压气泵804，在轨体2011的延伸方向上设有卡槽和输电槽。自驱动滑块主体202套在轨体2011上可沿其上下移动，以完成不同土体位置的标靶介质注射和图像数据采集。卡槽用于定位自驱动滑块主体202的位置，防止其旋转或偏离轨道；输电槽连接电源模块5，为自驱动滑块主体202、自驱动滑块主体202所载标靶介质注射系统3和视觉传感器4等提供电力。挡板2012用于轨体2011在测量套管1内的位置固定，挡板2012同时可限制自驱动滑块主体202向上移动的范围，防止其脱离轨体2011。
56.在本实施例中，自驱动滑块主体202包括一个矩形的壳体，在壳体内设置伺服电机和驱动轮，伺服电机带动驱动轮转动，进而可控自驱动滑块主体202的在轨体2011上的精确运动速度和方向，自驱动滑块主体202通过其取电触头与轨体2011的输电槽电性连接。其他实施例中，伺服电机和驱动轮也可以替换为其他驱动系统，如步进电机和驱动球，可完成精确运动位置和方向控制即可。在自驱动滑块主体202上还设置有照明光源，照明光源用于激发荧光标的液体并提高其可视性的作用，便于视觉传感器4对于荧光位置标靶6的图像采集。
57.标靶介质注射系统3设置在自驱动滑块主体202上，可随自驱动滑块主体202同步运动，标靶介质注射系统3通过输电槽电性连接电源模块5。标靶介质注射系统3包括储液囊，储液囊连接增压泵，增压泵通过液管连接单向注射针301，单向注射针301设置有注射针伸缩机构。本实施例中，注射针伸缩机构选用伸缩齿轮，伸缩齿轮可以控制单向注射针301的伸缩，使其能够从测量套管1的注射孔101中伸出或缩回，进而刺入土体注射的荧光标的液体。储液囊连接增压泵用以为单向注射针301提供足够的液压，使荧光标的液体能够穿透土体聚集形成荧光位置标靶6；本实施例中，储液囊内储存的是惰性荧光标的液体，可选惰性颜料的分散液（如荧光颜料、磷光颜料等）或惰性金属的纳米颗粒溶液，惰性荧光标的液体是一种不易与土体发生化学反应或生物降解的液体，具有较强的荧光效应，可以在照明光源的照射下发出明亮的颜色，便于视觉传感器的图像识别。通过本实施例这种标靶介质注射系统的设计，可以在不同分层的土体中形成清晰可见的荧光位置标靶6，同时减少监控活动本身对土体7的干扰和污染。
58.本实施例中，视觉传感器4包括三个高清摄像头401，在单向注射针301所在的自驱动滑块主体202壳体侧、单向注射针301的上下方分别设置一个高清摄像头401，另外一个高清摄像头401设置在其壳体对侧中央，三个高清摄像头401通过输电槽连接电源模块5，三个高清摄像头401与图像处理终端402连接，本实施例中，图像处理终端402为云服务器，可进行图像数据的计算，三个高清摄像头401通过无线传输的方式与云服务器通信。单向注射针301上下方的两个高清摄像头401用于确定注射孔101的位置，便于单向注射针301准确伸出注射孔101；另外一个高清摄像头401用于采集荧光位置标靶6的图像数据。
59.运动状态测量系统，包括设置在自驱动滑块主体202的加速度传感器10或高精度
计步器，加速度传感器10用于测量自驱动滑块主体202的加速度，以便于计算其移动距离和速度；高精度计步器用于记录自驱动滑块主体202的位置和移动距离。通过获得的自驱动滑块主体202（即视觉传感器4）的运动速度、加速度和运动时间等参数。
60.本实施例监测系统可以向不同层次的土体中注射惰性荧光标的液体，并采集荧光位置标靶的图像数据，通过其自带的标尺直接获得各荧光位置标靶的高度信息，图像处理终端计算出不同时段各土体分层的相对分层沉降量；除此之外，运动状态测量系统通过获取自驱动滑块主体的运动参数，结合视觉传感器采集到的荧光位置标靶的图像数据，提供除标尺直接获取荧光位置标靶高度参数外的另一个算法计算参数的方式；两种方式可以相互验证，另外，在特殊情况下，如标尺刻度未拍摄清晰或被遮挡时，通过算法计算也可以明确获得荧光位置标靶高度参数，最终求得各土体分层的相对分层沉降量。
61.此外本实施例中还包括地表标定沉降系统9，地表标定沉降系统9设置在测量钻孔11的上端面，包括地表标定密封盖901，地表标定密封盖901上端设置地表检测标靶902，在地表标定密封盖901外设置机器视觉仪903。
62.地表标定沉降系统9地表标定密封盖上的靶点进行测量，可以确定土体顶端的整体沉降量，将获取的整体沉降量和相对分层沉降量相结合，即获得不同时段各土体分层的相对分层真实沉降量。
63.实施例4：本实施例提供一种基于机器视觉的土体分层沉降监测方法，该检测方法如下：s1、在待监测土体的断面上，以一定的间隔设置多层位置标靶，位置标靶为一种可以被视觉传感器识别的材料；s2、通过视觉传感器采集各位置标靶的位置信息，并将位置信息传输给图像处理终端；s3、图像处理终端根据位置信息，计算出各位置位置标靶的高度信息，并将高度信息作为单个测程数据存储；s4、在预设的时段间隔，重复步骤s2和s3，获得多个测程数据；s5、将多个测程数据进行比对，计算出不同时段各土体分层的相对分层沉降量。
64.需要说明的是，位置标靶可以是任何一种可以被视觉传感器识别的材料，例如，可以是具有荧光效应的液体、粉末或颗粒，也可以是具有反光效应的金属片、纸片或塑料片，还可以是具有特定颜色或形状的物体。
65.设置位置标靶的方法可以根据土体的性质和标靶介质的形态而定，例如，如果土体较为松散，可以通过注射针向土体中注入液体或粉末状的标靶介质，形成位置标靶；如果土体较为坚硬，可以通过钻孔或切割向土体中插入固态的标靶介质，形成位置标靶；如果土体较为平整，可以直接在土体表面粘贴或绘制具有特定颜色的材料，作为位置标靶。
66.本实施例通过在待监测土体的断面上设置多层位置标靶，并通过视觉传感器重复采集多层位置标靶的位置信息，比对获得不同时刻各位置标靶的位置变化参数，计算获得各土体分层的相对分层沉降量。这种方法可以实现对土体分层沉降情况的实时监测，提高了监测的准确性和效率，具有较强的通用性和适应性，可以适用于不同类型的土体和标靶介质。
67.实施例5：
本实施例提供一种基于机器视觉的土体分层沉降监测方法，该检测方法基于实施例3的检测装置，具体步骤如下：s1、在待监测土体上，用钻机向下打设一个测量钻孔，将测量套管按照各关节拼装，然后紧贴测量钻孔的一侧置入孔中。
68.s2、将稳压卡定装置的稳压气囊沿测量钻孔另一侧放入，打开稳压气泵，使稳压气囊在空隙内胀大顶紧，给测量套管外壁适当的压力，保证测量套管不移动。
69.s3、给标靶介质注射系统的储液囊中装入惰性荧光标的液体。
70.s4、将滑轨系统下入测量套管中。
71.s5、自驱动滑块主体带动标靶介质注射系统从上到下或从下到上向土层注射荧光标的液体，具体为：高清摄像头检测当自驱动滑块主体到达测量套管的每个注射孔高度时，单向注射针从注射孔伸出向土层注射一定量的荧光标的液体；所有的注射孔位置的荧光标的液体注射完毕，构成整个土体的荧光位置标靶。
72.s6、单向注射针完全缩回自驱动滑块主体中，打开照明光源，照明光源自下而上或自上而下匀速照射荧光位置标靶，用于激发荧光位置标靶提高其可视性。
73.s7、稳压卡定装置关闭稳压气泵，稳压气囊泄气，将测量套管连同滑轨系统共同旋转180度，此时，测量套管的标尺与荧光位置标靶对齐。
74.s8、稳压卡定装置打开稳压气泵，给测量套管外壁适当的压力，固定测量套管不移动。
75.s9、在测量钻孔上端设置地表标定沉降系统。
76.s10、视觉传感器的高清摄像头打开，自驱动滑块主体带动高清摄像头从上而下（或从下而上）运动一个测程，高清摄像头透过透明管壁，拍摄各土体分层的荧光位置标靶与标尺的对应位置并传送至图像处理终端，存储为初始测量图像，计算初始测程数据（初始荧光位置标靶高度参数）。
77.s11、在预设的时段间隔，视觉传感器重复采集各荧光位置标靶与标尺的对应位置并传送至图像处理终端，获得多个后续测量图像，即后续测程数据（后续荧光位置标靶高度参数）。
78.s12、将多个后续测程数据分别与初始测程数据进行比对，具体的，图像处理终端用后续测量图像和初始测量图像逐一对比，计算对应荧光位置标靶的竖向位置差，计算出不同时段，各土体分层的相对分层沉降量δd。
79.s13、在s10、s11步骤的同时，地表标定沉降系统同步采集不同时段土体的整体沉降量δd。
80.s14、图像处理终端将土体分层的相对分层沉降量δd和土体的整体沉降量δd相结合，最终计算获得不同时段各土体分层的相对分层真实沉降量d，其中d=δd+δd。
81.当测量图像的标尺刻度清晰明确时，通过上述s1-s12即精确可获得不同时段各土体分层的相对分层沉降量δd。
82.若机器视觉仪拍摄得到的图像变形时，可通过图像像素点换算得到真实的相对分层沉降量δd，参见图5，具体计算方法如下：假设x个像素点代表一个刻度单元z，机器视觉仪测量出来的图像该刻度单元为x’个像素点，真实相对分层沉降量在机器视觉仪测量出来的为y’个像素点，则δd代表的y个
像素点可经过y/y’=x/x’推算得到，y=x/x
’×
y。
83.从而，δd=（x/x’*y）
×
z。
84.若标尺刻度因故被遮盖或缺损时，该位置的δd无法直接得出，本实施例提供另一种解决方法，该方法需要通过安装在自驱动滑块主体上的加速度传感器获得视觉传感器的运动速度、加速度和运动时间参数，计算获得缺失的相对分层沉降量δd，参见图6，具体的计算方法如下：d = v0δt + (1/2)at2其中，d为标靶位置的位置， v0为起始速度，δt为时间间隔，a为加速度，t为时间。
85.从初始时刻开始时，v0=0；初始位置标靶位置：d0= (1/2)a1t
102
+(1/2)a2t
202
+(1/2)a3t
302
+......+(1/2)ant
n02
；沉降后的位置标靶位置：d
t
= (1/2)a1t
1t2
+(1/2)a2t
2t2
+(1/2)a3t
3t2
+......+(1/2)ant
nt2
；则相对分层沉降量：δd=d
t-d0；如图6，其中an是经过计算机统计加速度和时间曲线，通过分析截取获得，当取得时间间隔足够小时，an近似不变。
86.当然，上述算法也用于通过标尺直接测得的相对分层沉降量δd的正确性验证。
87.以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

技术特征：
1.基于机器视觉的土体分层沉降监测方法，其特征在于，给待监测土体断面间隔设置多层标靶介质，通过视觉传感器重复采集多层标靶介质的位置信息，比对获得不同时刻各标靶介质的位置变化参数，计算获得各土体分层的相对分层沉降量。2.根据权利要求1所述基于机器视觉的土体分层沉降监测方法，其特征在于，所述方法包括：沿待监测土体上端面，给待监测土体向下施作测量钻孔；沿测量钻孔内壁纵向间隔注射荧光标的液体，作为荧光位置标靶；视觉传感器历遍所有荧光位置标靶，采集各荧光位置标靶的高度信息，作为首个测程数据；在预设的时间间隔，视觉传感器重复采集各位置标靶的高度信息，获得多个测程数据；将多个测程数据与首个测程数据进行比对，计算出不同时段各土体分层的相对分层沉降量。3.根据权利要求1或2所述基于机器视觉的土体分层沉降监测方法，其特征在于，所述方法还包括：在待监测土体上端面设置整体沉降测量装置，测量不同时段监测土体的整体沉降量；将整体沉降量和相对分层沉降量结合，获得不同时段各土体分层的相对分层真实沉降量。4.根据权利要求2所述基于机器视觉的土体分层沉降监测方法，其特征在于，视觉传感器历遍所有位置标靶，采集各位置标靶的高度信息，包括：视觉传感器通过标尺直接获得各位置标靶的高度信息；或，通过视觉传感器的运动速度、加速度和运动时间计算获得各位置标靶的高度信息。5.基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，其特征在于，包括：测量套管，所述测量套管为透明管，设置在测量钻孔中，沿透明管纵向设置标尺及若干注射孔；滑轨系统，所述滑轨系统设置于测量套管内，包括测量滑轨和设置在测量滑轨上的自驱动滑块主体，自驱动滑块主体连接电源模块；标靶介质注射系统，所述标靶介质注射系统设置在自驱动滑块主体上，可随自驱动滑块主体沿测量滑轨上下移动；视觉传感器，所述视觉传感器设置在自驱动滑块主体上，可随自驱动滑块主体沿测量滑轨上下移动。6.根据权利要求5所述基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，其特征在于，在测量钻孔的上端面设置地表标定沉降系统，地表标定沉降系统包括地表标定密封盖，地表标定密封盖上端设置地表检测标靶，地表标定密封盖外设置机器视觉仪。7.根据权利要求5或6所述基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，其特征在于，所述测量套管的截面呈椭圆形，测量套管贴紧于测量钻孔的一侧内壁，测量钻孔的另一侧内壁与测量套管形成空隙，空隙内设置稳压卡定装置。8.根据权利要求7所述基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，其特征在于，所述稳压卡定装置包括稳压气囊，稳压气囊通过气管和压力计连接稳压气泵，稳压气泵与电源模块
连接。9.根据权利要求7所述基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，其特征在于，所述稳压卡定装置包括稳压液囊，稳压液囊通过液管和压力计连接稳压液泵，稳压气泵与电源模块连接。10.根据权利要求8所述基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，其特征在于，所述测量滑轨包括轨体，在轨体延伸方向上设有滑块卡槽和输电槽，所述轨体的上端设置挡板。11.根据权利要求10所述基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，其特征在于，所述自驱动滑块主体穿设在轨体上，在自驱动滑块内设置有伺服电机和与伺服电机连接的驱动轮；自驱动滑块主体通过其取电触头与所述输电槽电性连接，输电槽与电源模块连接。12.根据权利要求10所述基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，其特征在于，所述自驱动滑块主体上设置照明光源。13.根据权利要求10所述基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，其特征在于，所述自驱动滑块主体上设置加速度传感器或高精度计步器。14.根据权利要求8所述基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，其特征在于，所述标靶介质注射系统包括储液囊，储液囊连接增压泵，增压泵通过液管连接单向注射针，单向注射针设置有注射针伸缩机构，所述增压泵及注射针伸缩机构均与电源模块连接。15.根据权利要求8所述基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，其特征在于，所述注射孔的孔口设置单向止回阀，注射孔所在的测量套管内壁位置设置注射针卡位槽。16.根据权利要求8所述基于机器视觉的土体分层沉降监测系统，其特征在于，所述视觉传感器包括多个高清摄像头，多个高清摄像头设置在自驱动滑块主体的外端面上并与电源模块连接，多个高清摄像头通过有线或无线传输与图像处理终端连接。

技术总结
本发明涉及一种基于机器视觉的土体分层沉降监测系统及方法，该方法给待监测土体断面间隔设置多层标靶介质，通过视觉传感器重复采集多层标靶介质的位置信息，比对获得不同时刻各标靶介质的位置变化参数，计算获得各土体分层的相对分层沉降量。该监测系统包括测量套管、滑轨系统、标靶介质注射系统、视觉传感器系统、电源模块和稳压卡定装置等；本发明通过单测量钻孔实现对土体分层沉降情况的可视化监测，提高了监测的准确性和效率，并且具有较强的通用性和适应性，可以适用于不同类型的土体分层沉降监测。分层沉降监测。分层沉降监测。


技术研发人员：汪珂 王立新 令宜凡 李储军 喻忠
受保护的技术使用者：中铁第一勘察设计院集团有限公司
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/7/7