本發(fā)明涉及邊坡監(jiān)測，尤其涉及一種邊坡三維變形監(jiān)測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、邊坡監(jiān)測?是指通過對邊坡進行長期的監(jiān)測，掌握其變形、位移的發(fā)展規(guī)律，分析邊坡穩(wěn)定性，為邊坡治理和防護提供可靠依據(jù)。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)的邊坡三維變形監(jiān)測方法采用光纖光柵傳感器，普通的光纖光柵柔性傳感器利用在光纖軸向上受力后，柵格間距變化而導(dǎo)致反射光譜中心波長的漂移量來計算應(yīng)變量。

3、但普通的光纖光柵柔性傳感器屬于各向同性應(yīng)變傳感器，光纖橫向受力后，依據(jù)光譜信息無法判別受力的方向，其應(yīng)用范圍比較窄，難以滿足邊坡復(fù)雜環(huán)境動態(tài)三維變形監(jiān)測要求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，有必要提供一種邊坡三維變形監(jiān)測方法及系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的普通的光纖光柵柔性傳感器無法判別受力的方向，難以滿足邊坡復(fù)雜環(huán)境動態(tài)三維變形監(jiān)測要求的技術(shù)問題。

2、為了解決上述問題，一方面，本發(fā)明提供了一種邊坡三維變形監(jiān)測方法，包括：

3、獲取由埋入邊坡的光纖敏感單元采集的反射光譜數(shù)據(jù)，所述光纖敏感單元包括圓柱體和繞設(shè)在所述圓柱體上的光纖光柵；

4、基于所述反射光譜數(shù)據(jù)，確定光纖敏感單元的彎曲方向和曲率數(shù)據(jù)；

5、基于所述彎曲方向和曲率數(shù)據(jù)，對邊坡變形曲線進行三維重構(gòu)，得到三維的邊坡變形曲線。

6、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述光纖敏感單元設(shè)置有至少兩個，相鄰所述光纖敏感單元的圓柱體之間通過法蘭連接，相鄰所述光纖敏感單元的光纖光柵之間通過光纖連接。

7、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述光纖敏感單元外還套設(shè)有保護管。

8、在一種可能的實現(xiàn)方式中，基于所述反射光譜數(shù)據(jù)，確定光纖敏感單元的彎曲方向和曲率數(shù)據(jù)，包括：

9、將所述反射光譜數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練完備的深度學(xué)習(xí)模型中，得到光纖敏感單元的彎曲方向和曲率數(shù)據(jù)，所述深度學(xué)習(xí)模型包括依次相連的輸入層、共享卷積層和雙頭輸出層，所述輸入層用于輸入反射光譜數(shù)據(jù)，共享卷積層包括若干組卷積層和輸入端連接卷積層輸出端的池化層，雙頭輸出層包括兩個輸出頭，第一節(jié)輸出頭用于擬合輸出光纖敏感單元的彎曲方向數(shù)據(jù)，第二個輸出頭用于擬合輸出光纖敏感單元的曲率數(shù)據(jù)。

10、在一種可能的實現(xiàn)方式中，基于所述彎曲方向和曲率數(shù)據(jù)，對邊坡變形曲線進行三維重構(gòu)，得到三維的邊坡變形曲線，包括：

11、基于光纖敏感單元的幾何關(guān)系，以及彎曲方向和曲率數(shù)據(jù)，對邊坡變形曲線進行二維重構(gòu)，得到二維的邊坡變形曲線；

12、基于各光纖敏感單元的彎曲方向數(shù)據(jù)對二維的邊坡變形曲線進行三維重構(gòu)，得到三維的邊坡變形曲線。

13、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述光纖敏感單元設(shè)置有至少兩個，相鄰光纖敏感單元之間首尾相連；

14、基于光纖敏感單元的幾何關(guān)系，以及彎曲方向和曲率數(shù)據(jù)，對邊坡變形曲線進行二維重構(gòu)，得到二維的邊坡變形曲線，包括：

15、將每一節(jié)光纖敏感單元分為首端處直線段、中點處圓弧和尾端處直線段，將所述圓弧視為均勻彎曲，所述首端處直線段、所述圓弧和所述尾端處直線段相互之間的連接處均視為平滑相切，構(gòu)建光纖敏感單元的二維曲線模型；

16、在第一預(yù)設(shè)范圍內(nèi)遍歷選取第一節(jié)光纖敏感單元首端處直線段與坐標軸的夾角，在第二預(yù)設(shè)范圍內(nèi)遍歷選取各光纖敏感單元圓弧的弧長；

17、基于所述二維曲線模型、第一節(jié)光纖敏感單元的首端坐標測量值、所述夾角、所述弧長，以及所述彎曲方向和曲率數(shù)據(jù)，從第一節(jié)光纖敏感單元的首端開始，依次計算每一節(jié)光纖敏感單元的首尾端點坐標，最終求得最后一節(jié)光纖敏感單元的尾端坐標計算值；

18、計算所述最后一節(jié)光纖敏感單元的尾端坐標計算值與所述最后一節(jié)光纖敏感單元的尾端坐標測量值的偏差，選取最小偏差對應(yīng)的夾角和弧長，并基于所述最小偏差對應(yīng)的夾角和弧長確定二維的邊坡變形曲線。

19、在一種可能的實現(xiàn)方式中，基于所述二維曲線模型、所述第一節(jié)光纖敏感單元的首端坐標測量值、所述夾角、所述弧長，以及所述彎曲方向和曲率數(shù)據(jù)，從第一節(jié)光纖敏感單元的首端開始，依次計算每一節(jié)光纖敏感單元的首尾端點坐標，最終求得最后一節(jié)光纖敏感單元的尾端坐標計算值，包括：

20、s801、選取第一節(jié)光纖敏感單元作為當前光纖敏感單元，將第一節(jié)光纖敏感單元的首端坐標測量值作為當前節(jié)光纖敏感單元的首端坐標，基于所述夾角確定當前節(jié)光纖敏感單元的首端處直線段的斜率；

21、s802、根據(jù)當前節(jié)光纖敏感單元的首端坐標、首端處直線段的斜率和弧長，計算首端處直線段與圓弧的連接點坐標；

22、s803、根據(jù)當前節(jié)光纖敏感單元的彎曲方向和彎曲率數(shù)據(jù)、所述首端處直線段與圓弧的連接點坐標，以及所述首端處直線段的斜率，計算圓弧的曲率圓圓心坐標，基于所述曲率圓圓心坐標，計算圓弧與尾端直線段的連接點坐標；

23、s804、根據(jù)曲率圓圓心與圓弧與尾端直線段的連接點之間的直線垂直尾端直線段的幾何關(guān)系、所述曲率圓圓心坐標和所述圓弧與尾端直線段的連接點的坐標，計算當前節(jié)敏感單元的尾端坐標；

24、s805、將當前節(jié)敏感單元的尾端坐標作為下一節(jié)敏感單元的首端坐標，將當前節(jié)敏感單元的尾端處直線段的斜率作為下一節(jié)敏感單元的首端處直線段的斜率，返回步驟s802，直至計算出最后一節(jié)敏感單元的尾端坐標計算值。

25、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述光纖敏感單元設(shè)置有至少兩個，相鄰光纖敏感單元之間首尾相連；

26、基于各光纖敏感單元的彎曲方向數(shù)據(jù)對所述二維的邊坡變形曲線進行三維重構(gòu)，得到三維的邊坡變形曲線，包括：

27、s901、將所述二維的邊坡變形曲線嵌入到三維坐標系中，得到初始邊坡變形曲線，并將第一節(jié)光纖敏感單元作為當前節(jié)光纖敏感單元；

28、s902、確定平行于光纖敏感單元初始狀態(tài)長度方向并經(jīng)過所述當前節(jié)光纖敏感單元首端的直線為旋轉(zhuǎn)軸，將所述初始邊坡變形曲線繞所述旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)，得到中間邊坡變形曲線；

29、s903、保留所述中間邊坡變形曲線中當前節(jié)光纖敏感單元對應(yīng)的三維的邊坡變形曲線，將所述中間邊坡變形曲線中除了當前節(jié)外其他所有節(jié)光纖敏感單元對應(yīng)的邊坡變形曲線作為初始邊坡變形曲線；

30、s904、將下一節(jié)光纖敏感單元作為當前節(jié)光纖敏感單元，返回步驟s902，直至得到所有節(jié)光纖敏感單元對應(yīng)的目標邊坡變形曲線，基于所述目標邊坡變形曲線，確定最終的三維的邊坡變形曲線。

31、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述方法還包括預(yù)警模塊，在所述三維的邊坡變形曲線的曲率大于閾值時，發(fā)出預(yù)警信號。

32、另一方面，本發(fā)明還提供了一種邊坡三維變形監(jiān)測系統(tǒng)，包括：

33、光譜獲取模塊，用于獲取由埋入邊坡的光纖敏感單元采集的反射光譜數(shù)據(jù)，所述光纖敏感單元包括圓柱體和繞設(shè)在所述圓柱體上的光纖光柵；

34、變形預(yù)測模塊，用于基于所述反射光譜數(shù)據(jù)，確定光纖敏感單元的彎曲方向和曲率數(shù)據(jù)；

35、三維重構(gòu)模塊，用于基于所述彎曲方向和曲率數(shù)據(jù)，對邊坡變形曲線進行三維重構(gòu)，得到三維的邊坡變形曲線。

36、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的邊坡三維變形監(jiān)測方法，通過將光纖光柵繞設(shè)在圓柱體上，形成360°彎曲方向的全覆蓋，使得不同彎曲方向、不同彎曲率的光纖敏感單元受到擠壓變形后反射光譜數(shù)據(jù)具有各向異性，利用反射光譜數(shù)據(jù)各向異性的特點，得到光纖敏感單元的彎曲方向和曲率數(shù)據(jù)，進而進行三維重構(gòu)，有效解決現(xiàn)有技術(shù)中普通光纖光柵傳感器無法判別方向的技術(shù)難題，滿足了邊坡復(fù)雜環(huán)境動態(tài)三維變形監(jiān)測要求，應(yīng)用范圍廣。