一种水库坝体变形监测方法及系统技术领域
本发明涉及一种水库坝体监测方法及装置，具体地说是一种水库坝体变形监测方
法及系统。
背景技术
水库大坝是水利工程建设中常见的工程项目，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。因此，大坝安全监测技术是国际关注问题。
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：
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监测，记录大坝实时状态。
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
识到仪器监测的局限性，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、高效的反映和监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监
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监测
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。
目前国际上对坝体变形监测采用两种方式：
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；
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。
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。
由此，研发一种不受地理环境影响，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。然而,多年来,我国水库坝位移监
测处在人工监测阶段,在线监测只是近几年才刚刚发展。就位移监测设备本身而言,虽然种
类很多,但每种设备都有其不足之处,从精度、稳定性、安装工程量、维护、使用、价格等几方
面考察,能满足各项要求的设备很少。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,目前还没有很好的替代方法；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,而且此类设备国产化率低、安装成本高。
发明内容
针对上述不足，本发明提供了一种水库坝体变形监测方法及系统，其不仅能够有
效监测水库坝体的沉陷与水平位移，而且监测装置机构简单，方便安装施工。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种水库坝体变形监测方法，它包括
以下过程：
1)设置水库坝体变形监测装置
选取坝体外不变形的地方安装激光发射装置，在坝体上安装多个基准点监测装
置，所述的基准点监测装置与激光发射装置在同一直线上且位于激光发射装置的同一侧，
激光发射装置发射出准直激光照射到各个基准点监测装置的挡光板时形成一个圆形光斑；
2)获取各个基准点的初始圆形光斑图像
首先打开激光发射装置的激光发射器电源向基准点监测装置发射出准直激光，然
后依次使每个基准点监测装置的挡光板遮挡住激光路线并拍摄激光在挡光板上形成的圆
形光斑，最后将每个基准点的初始圆形光斑进行图像处理后存储；
3)进行水库坝体变形监测
31)主控系统通无线通讯方式向激光发射装置发送监测命令，激光发射装置收到
命令后，打开激光发射器电源，并控制激光侧的通光孔控制机构打开，向基准点监测装置发
射出准直激光；
32)计算机通无线通讯方式向第一个基准点监测装置发送监测命令，第一个基准
点监测装置收到命令后，打开朝向激光发射装置一侧的通光孔，此时激光照射到第一个基
准点监测装置内背向激光发射装置一侧的挡光板上形成圆形光斑，第一个基准点监测装置
的控制器控制摄像装置进行圆形光斑图像采集，图像处理装置对采集的圆形光斑图像进行
图像处理后发送给控制器，控制器对监测时采集圆形光斑图像与初始圆形光斑图像进行分
析处理并计算出该基准点的沉陷和水平位移，控制器将监测的水库坝体数据发送个主控系
统，主控系统收到监测数据后进行显示；第一个基准点监测完成后，主控系统向第一个基准
点监测装置发送监测完成命令，第一个基准点监测装置收到监测完成命令后打开背向激光
发射装置一侧的通光孔；
33)按照步骤32)依次对其余基准点进行监测，直至所有基准点监测完成为止；
34)主控系统向激光发射装置和所有基准点监测装置发送监测完毕命令，激光发
射装置收到监测完毕命令后关闭激光发射器电源，各个基准点监测装置收到监测完毕命令
后关闭通光孔。
优选地，所述基准点监测装置设置在若干个等间距的基准点上，若干个等间距的
基准点位于以激光发射装置为端点的射线上。
优选地，摄像装置将拍摄激光圆形光斑图片发送给图像处理装置，图像处理装置
进行图像处理的过程包括以下步骤：
1)将拍摄的激光圆形光斑图片进行图像转换，从24位RGB图像转换成8位灰度图
像；
2)使用Canny边缘检测算法检测圆形光斑的边缘；
3)使用霍夫圆变换找到多个半径、圆心不同的圆；
4)改变霍夫变换排序、平分规则，找到唯一的圆；
5)获取到圆形光斑的圆心坐标。
优选地，计算出基准点的沉陷和水平位移的过程为：将监测时采集圆形光斑图像
的圆心坐标与初始圆形光斑图像的圆心坐标进行运算来计算出基准点的沉陷和水平位移，
假设第N个基准点的初始圆形光斑图像的圆心坐标为(X1,Y1)，进行第N个基准点监测时采
集圆形光斑图像的圆心坐标为(X2,Y2)，则第N个基准点水平位移的偏移量为W＝(X2-X1)K，
第N个基准点沉陷的位移为H＝(Y1-Y2)K，其中，(X1,Y1)和(X2,Y2)是图像中圆心像素点的
位置坐标，K是实际距离与该段实际距离在图像中像素点数的比值。
本发明还提供了一种水库坝体变形监测系统，它包括激光发射装置、基准点监测
装置和主控系统，所述激光发射装置设置在坝体的一端，用以发射出准直激光，作为基准
线；在以激光发射装置为端点的射线上设置若干个等间距的基准点，并在每个基准点处分
别设置一个基准点监测装置，用以对坝体沉陷和水平位移进行监测；所述主控系统通过无
线通讯方式分别与激光发射装置和基准点监测装置相连，用以发送监测命令和接受监测到
的数据，并对监测数据进行分析处理。
优选地，所述激光发射装置包括发射器壳体、发射控制器、激光发射器和激光通孔
开关机构，所述发射器壳体一侧面设置有激光通孔，所述激光发射器设置在发射器壳体内
对应激光通孔的位置，在发射器壳体激光通孔处的内侧壁上设置有激光通孔开关机构，所
述发射控制器分别与激光发射器和激光通孔挡板机构相连；所述激光通孔开关机构包括固
定在发射器壳体内侧壁上的支架板，在支架板一端设置有与激光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，在支架板靠近发射器壳体侧壁
一侧设置有滑槽，在滑槽内设置有左右移动的遮挡板，所述遮挡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，当遮挡板遮挡通光孔和激光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发射控制器连接，所述步进电机的控制端与发射控制器连
接，所述拉式电磁铁的控制端与发射控制器连接。
优选地，所述遮挡板背离支架板的一面紧靠在发射器壳体内侧壁上；所述发射器
壳体为防水壳体；所述遮挡板采用聚乙烯板。
优选地，所述发射控制器包括STM32F107单片机以及分别与STM32F107单片机连接
的电源模块、GPRS模块、RS485电路、时钟电路、无线射频芯片、存储器、限位开关输入隔离电
路、步进电机驱动电路、电磁铁控制电路和激光发射器电源控制电路；所述限位开关输入隔
离电路与限位开关的输出端连接；所述步进电机驱动电路与步进电机的控制端连接，所述
电磁铁控制电路与拉式电磁铁的控制端连接；所述存储器采用AT24C02存储芯片。
优选地，所述基准点监测装置包括监测器壳体、摄像装置、图像处理装置、第一通
孔开关机构、第二通孔开关机构和监测控制器，所述监测器壳体对应的两侧面分别设置有
通孔，所述摄像装置设置在监测器壳体内两个通孔之间上方位置，在监测器壳体两个通孔
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，所述图像处理装置和监
测控制器设置在监测器壳体内，所述摄像装置与图像处理装置相连，所述监测控制器分别
与图像处理装置、第一通孔开关机构和第二通孔开关机构相连；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监测器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
板靠近监测器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监测控制器连接，所述步进电机的控制
端与监测控制器连接，所述拉式电磁铁的控制端与监测控制器连接。
优选地，所述挡光板背离支架板的一面紧靠在监测器壳体内侧壁上；所述监测器
壳体为防水壳体；所述挡光板采用聚乙烯板；所述摄像装置采用OV2640摄像头。
优选地，所述监测控制器包括STM8L151单片机、图像监测电源控制电路、无线射频
通信模块、无线模块电源控制电路、振动传感器、驱动电路和电源模块，所述STM8L151单片
机通过UART通讯电路电路与图像处理装置连接，所述图像监测电源控制电路分别与
STM8L151单片机和图像处理装置连接，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STM8L151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监测器壳体且与STM8L151单片机连接，所述电源模块与STM8L151单片
机连接。
优选地，所述图像处理装置包括处理器、SD卡、AT24C04存储器、DDR3SDRAM、USB接
口、24MHz晶振、RJ45网口、调测串口和STM8L通信串口，所述处理器采用四核Cortex-A7
CPU，所述的的SD卡、AT24C04存储器、DDR3SDRAM、USB接口、24MHz晶振、RJ45网口、调测串口
和STM8L通信串口分别与四核Cortex-A7 CPU相连，所述USB接口与OV2640摄像头连接。
优选地，所述电源模块包括太阳能电池板、充电装置和锂电池，所述太阳能电池板
设置在监测器壳体顶部，所述充电装置和锂电池设置在监测器壳体内，所述充电装置分别
与太阳能电池板和锂电池连接，所述锂电池为监测控制器提供工作电源。
优选地，所述无线射频通信模块包括SX1278无线芯片和晶振，所述SX1278无线芯
片通过SPI接口与STM8L151单片机相连，所述晶振和无线模块电源控制电路分别与SX1278
无线芯片相连。
优选地，所述主控系统包括计算机系统以及与之相连的主控无线射频通信模块和
GPRS模块，所述计算机系统通过主控无线射频通信模块分别与激光发射装置和基准点监测
装置相连，通过GPRS模块与上位机和管理终端相连。
优选地，所述GPRS模块包括SIM800C模块、SIM卡和MIC29302芯片，所述SIM800C模
块分别与STM32F107单片机和电源模块连接，所述SIM卡设置在SIM800C模块的卡槽内，所述
MIC29302芯片的控制端与计算机系统连接。
本发明的有益效果是：
本发明的水库坝体变形监测方法通过一维图像识别坝体各个基准点的沉陷与水
平位移情况，能够很容易的计算出整个水库坝体沉陷及水平移动的情况，不仅实现了对坝
体沉陷与水平位移的自动监测功能，而且提高了水库坝体的测量精度、降低了监测成本。
本发明的水库坝体变形监测系统使用激光作为基准，采用高清摄像头和ARM处理
器拍摄图像并对图像处理，通过对霍夫圆变换算法进行优化，确定图像中圆斑的圆心位置，
根据当前圆心位置与上次测量的位置对比，计算出偏移量，从而确定沉陷与水平位移。本发
明采用的激光功率小、精度高，使用的监测装置机构简单，方便安装施工，并且该系统硬件
成本很低且可靠性高。
本发明的水库坝体变形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、性能稳定，而且安装方便、受地理环境影响大、维护成本低、
实用性强。通过设置通孔开关机构和激光通孔开关机构实现了发射器壳体和监测器壳体的
通孔及激光通孔自动开启和关闭，通孔开关机构中遮挡板采用聚乙烯板加工制成，成本较
低，耐用抗腐蚀，且不变型，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。当进行水库坝体监测时，本发明控制通孔开关机构自动将监测器
壳体和发射器壳体的通孔及激光通孔打开，使激光穿过通光孔和通孔；当监测完成时，控制
通孔开关机构自动关闭通光孔和通孔，防止灰尘、雨水等进入壳体内，不仅减少了人工参
与，节约了成本，而且做到了随时监测的目的。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明水库坝体变形监测装置的结构及设置示意图；
图3为第N个基准点监测前后拍摄的图像示意图；
图4为第N个基准点监测前后拍摄的图像示意图；
图5为本发明所述发射器壳体的结构示意图；
图6为本发明所述发射器壳体的内部结构示意图；
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；
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；
图9为本发明所述发射控制器的电气原理图；
图10为本发明所述监测器壳体的结构示意图；
图11为本发明所述监测器壳体的内部结构示意图；
图12为本发明所述监测控制器的电气原理图；
图13为本发明所述图像处理装置的电气原理图；
图5和图6中，41为发射器壳体，42为激光通孔，43为激光发射器，44为发射控制器，
45为激光通孔开关机构；
图7和图8中，501为支架板、502为通光孔、503为轨道孔、504为滑槽、505为遮挡板
(挡光板)、506为齿条、507为旋转轴、508为齿轮、509为步进电机、510为轴承座、511和512为
限位开关、513为拉式电磁铁。
图10和图11中，21为监测器壳体，22为通孔，23为摄像装置，24为图像处理装置，25
为第一通孔开关机构，26为第二通孔开关机构，27为监测控制器。
具体实施方式
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。
如图1所示，本发明的一种水库坝体变形监测方法，它包括以下过程：
1)设置水库坝体变形监测装置
如图2所示，选取坝体外不变形的地方安装激光发射装置，在坝体上安装多个基准
点监测装置，所述的基准点监测装置与激光发射装置在同一直线上且位于激光发射装置的
同一侧，基准点监测装置设置在若干个等间距的基准点上，若干个等间距的基准点位于以
激光发射装置为端点的射线上；激光发射装置发射出准直激光照射到各个基准点监测装置
的挡光板时形成一个圆形光斑。
2)获取各个基准点的初始圆形光斑图像
首先打开激光发射装置的激光发射器电源向基准点监测装置发射出准直激光，然
后依次使每个基准点监测装置的挡光板遮挡住激光路线并拍摄激光在挡光板上形成的圆
形光斑，最后将每个基准点的初始圆形光斑进行图像处理后存储。
3)进行水库坝体变形监测
31)主控系统通无线通讯方式向激光发射装置发送监测命令，激光发射装置收到
命令后，打开激光发射器电源，并控制激光侧的通光孔控制机构打开，向基准点监测装置发
射出准直激光；
32)计算机通无线通讯方式向第一个基准点监测装置发送监测命令，第一个基准
点监测装置收到命令后，打开朝向激光发射装置一侧的通光孔，此时激光照射到第一个基
准点监测装置内背向激光发射装置一侧的挡光板上形成圆形光斑，第一个基准点监测装置
的控制器控制摄像装置进行圆形光斑图像采集，图像处理装置对采集的圆形光斑图像进行
图像处理后发送给控制器，控制器对监测时采集圆形光斑图像与初始圆形光斑图像进行分
析处理并计算出该基准点的沉陷和水平位移，控制器将监测的水库坝体数据发送个主控系
统，主控系统收到监测数据后进行显示；第一个基准点监测完成后，主控系统向第一个基准
点监测装置发送监测完成命令，第一个基准点监测装置收到监测完成命令后打开背向激光
发射装置一侧的通光孔；
33)按照步骤32)依次对其余基准点进行监测，直至所有基准点监测完成为止；
34)主控系统向激光发射装置和所有基准点监测装置发送监测完毕命令，激光发
射装置收到监测完毕命令后关闭激光发射器电源，各个基准点监测装置收到监测完毕命令
后关闭通光孔。
优选地，摄像装置将拍摄激光圆形光斑图片发送给图像处理装置，图像处理装置
进行图像处理的过程包括以下步骤：
1)将拍摄的激光圆形光斑图片进行图像转换，从24位RGB图像转换成8位灰度图
像；
2)使用Canny边缘检测算法检测圆形光斑的边缘；
3)使用霍夫圆变换找到多个半径、圆心不同的圆；
4)改变霍夫变换排序、平分规则，找到唯一的圆；
5)获取到圆形光斑的圆心坐标。
优选地，计算出基准点的沉陷和水平位移的过程为：将监测时采集圆形光斑图像
的圆心坐标与初始圆形光斑图像的圆心坐标进行运算来计算出基准点的沉陷和水平位移，
假设第N个基准点的初始圆形光斑图像的圆心坐标为(X1,Y1)，进行第N个基准点监测时采
集圆形光斑图像的圆心坐标为(X2,Y2)，则第N个基准点水平位移的偏移量为W＝(X2-X1)K，
第N个基准点沉陷的位移为H＝(Y1-Y2)K，其中，(X1,Y1)和(X2,Y2)是图像中圆心像素点的
位置坐标，K是实际距离与该段实际距离在图像中像素点数的比值。
本发明的水库坝体变形监测方法通过一维图像识别坝体各个基准点的沉陷与水
平位移情况，能够很容易的计算出整个水库坝体沉陷及水平移动的情况，不仅实现了对坝
体沉陷与水平位移的自动监测功能，而且提高了水库坝体的测量精度、降低了监测成本。
如图3所示，本发明采用的基于视觉的一维位移原理如下：
在每个监测箱体内有一个摄像头，摄取一维图形，如图3所示。激光照射到基准点
监测点的挡板上形成一个圆形光斑。在第N个基准点的初始位置形成的光斑如图3(A)所示，
当第N个基准点发生下沉时，如图3(B)示，光斑不会发生变化，但挡板相对于光斑向下移动；
若第N个基准点向左偏移，如图3(C)示，则挡板相对于光斑向左发生移动。
如果坝体的第N个基准点发生沉陷和水平位移，则通过摄像头拍摄光斑发生移动
的图像示意图如图2示。因为摄像头相对于挡板的位置不会发生变化，由此拍摄的图像中挡
板不会发生移动，而光斑相对于挡板的位置就发生移动。
如图4所示，图4(A)是第N个基准点初始位置时拍摄的光斑图像，此时圆心位置是
(X1,Y1)(X1,Y1是图像中圆心像素点的位置)；当第N个基准点下沉时，激光光斑相对于挡板
向上移动，如图4(B)示，此时圆心的位置为(X1,Y2),由此计算出下沉的位移为H＝(Y1-Y2)K
(K是实际距离与此段距离在图像中像素点数的比值)；当第N个基准点向左偏移时，拍摄到
的图像如图4(C)示，此时光斑向右发生移动，圆心的位置是(X2,Y1),计算出偏移量为W＝
(X2-X1)K。
通过以上分析看出，从而实现一维图像识别该基准点的沉陷与水平位移情况，本
发明的监测方法可以很容易的计算出大坝沉陷及水平移动的情况。
如图2所示，本发明的一种水库坝体变形监测系统，它包括激光发射装置、基准点
监测装置和主控系统，所述激光发射装置设置在坝体的一端(为了防止激光发射装置发生
沉陷影响监测结果，可在激光发射装置下方设置基桩)，用以发射出准直激光，作为基准线；
在以激光发射装置为端点的射线上设置若干个等间距的基准点，并在每个基准点处分别设
置一个基准点监测装置，用以对坝体沉陷和水平位移进行监测；所述主控系统通过无线通
讯方式分别与激光发射装置和基准点监测装置相连，用以发送监测命令和接受监测到的数
据，并对监测数据进行分析处理。
如图5和图6所示，本发明所述的激光发射装置包括发射器壳体41、激光发射器43、
发射控制器44和激光通孔开关机构45，所述发射器壳体41一侧面设置有激光通孔42，所述
激光发射器43设置在发射器壳体内对应激光通孔42的位置，在发射器壳体激光通孔处的内
侧壁上设置有激光通孔开关机构45，所述发射控制器45分别与激光发射器43和激光通孔开
关机构45相连。如图7和图8所示，所述激光通孔开关机构45包括固定在发射器壳体内侧壁
上的支架板501，在支架板501一端设置有与激光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501靠近发射器壳体侧壁
一侧设置有滑槽504，在滑槽504内设置有左右移动的遮挡板505，所述遮挡板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，当遮挡板遮挡通光
孔和激光通孔时拉式电磁铁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的输出端与发射控制器44连接，所述步进电机509的控制端与发射控制器44连接，
所述拉式电磁铁513的控制端与发射控制器4连接。
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。
如图9所示，所述发射控制器包括STM32F107单片机以及分别与STM32F107单片机
连接的电源模块、GPRS模块、RS485电路、时钟电路、无线射频芯片、存储器、限位开关输入隔
离电路、步进电机驱动电路、电磁铁控制电路和激光发射器电源控制电路；所述限位开关输
入隔离电路与限位开关的输出端连接；所述步进电机驱动电路与步进电机的控制端连接，
所述电磁铁控制电路与拉式电磁铁的控制端连接；所述存储器采用AT24C02存储芯片。
本发明的激光发射装置通过设置激光通孔开关机构实现了发射器壳体的激光通
孔自动开启和关闭，激光通孔开关机构中遮挡板采用聚乙烯板加工制成，成本较低，耐用抗
腐蚀，且不变型，管理控制器采用功能丰富、强大的ARM 32位单片机STM32F107构成，满足整
个系统的现场要求。当进行水库坝体监测时，控制激光通孔开关机构自动将发射器壳体的
激光通孔打开，使激光穿过通光孔和激光通孔；当监测完成时，控制激光通孔开关机构自动
关闭通光孔和激光通孔，防止灰尘、雨水等进入壳体内，不仅减少了人工参与，节约了成本，
而且做到了随时监测的目的。
如图10和图11所示，所述基准点监测装置包括监测器壳体21、摄像装置23、图像处
理装置24、第一通孔开关机构25、第二通孔开关机构26和监测控制器27，所述监测器壳体21
对应的两侧面分别设置有允许激光发射装置发射出的准直激光通过的通孔22，所述摄像装
置23设置在监测器壳体21内两个通孔之间上方位置，在监测器壳体21两个通孔处的内侧壁
上分别设置有第一通孔开关机构25和第二通孔开关机构26，所述图像处理装置24和监测控
制器27设置在监测器壳体21内，所述摄像装置23与图像处理装置24相连，所述监测控制器
27分别与图像处理装置24、第一通孔开关机构25和第二通孔开关机构26相连。如图7和图8
所示，所述的第一通孔开关机构25和第二通孔开关机构26均包括固定在监测器壳体内侧壁
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501靠近监测器壳体侧壁一侧
设置有滑槽504，在滑槽504内设置有左右移动的遮挡板505，所述遮挡板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
输出端与监测控制器27连接，所述步进电机509的控制端与监测控制器27连接，所述拉式电
磁铁513的控制端与监测控制器27连接。
优选地，所述挡光板505背离支架板的一面紧靠在监测器壳体21内侧壁上；所述监
测器壳体21为防水壳体；所述遮挡板505采用聚乙烯板。增加了监测器壳体的密封性和防水
性。
如图12所示，所述监测控制器包括STM8L151单片机、图像监测电源控制电路、无线
射频通信模块、无线模块电源控制电路、振动传感器、驱动电路和电源模块，所述STM8L151
单片机通过UART通讯电路电路与图像处理装置连接，所述图像监测电源控制电路分别与
STM8L151单片机和图像处理装置连接，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STM8L151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监测器壳体且与STM8L151单片机连接，所述电源模块与STM8L151单片
机连接。
优选地，所述电源模块包括太阳能电池板、充电装置和锂电池，所述太阳能电池板
设置在监测器壳体顶部，所述充电装置和锂电池设置在监测器壳体内，所述充电装置分别
与太阳能电池板和锂电池连接，所述锂电池为监测控制器提供工作电源。
优选地，所述无线射频通信模块包括SX1278无线芯片和晶振，所述SX1278无线芯
片通过SPI接口与STM8L151单片机相连，所述晶振和无线模块电源控制电路分别与SX1278
无线芯片相连。
监测控制器使用STM8L151单片机作为主控单元，STM8L151单片机为超低功耗单片
机，在低功耗模式下只有0.35μA的电流，特别适合电池供电的系统。
STM8L单片机通过串口与图像处理模块相连，图像处理模块负责拍摄图像和对图
像进行处理，计算沉陷与水平位移，通过串口发送到STM8L单片机；其供电电源由STM8L单片
机控制，在不工作时，关闭电源，降低系统功耗。
监测控制器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。
SX1278无线芯片通过SPI接口与STM8L相连，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计算机，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；当测试点与计算机距离较远时，还可以使用GPRS与服务器通信，保证数据传
输。
STM8L单片机通过步进电机驱动器控制带刹车功能的步进电机正反转，打开或关
闭监测点的激光通光孔，霍尔限位开关与单片机相连，当单开或关闭步进电机到指定位置
时，霍尔限位开关给单片机信号，停止步进电机控制。
震动传感器与STM8L相连，当监测点箱体发生震动或被破坏时，震动传感器给单片
机报警信号，单片机通过无线将报警信号发送到计算机，计算机通过短信的方式将报警信
息发送到指定人员手机上，及时处理，保证系统安全运行。
如图13所示，所述图像处理装置包括处理器、SD卡、AT24C04存储器、DDR3SDRAM、
USB接口、24MHz晶振、RJ45网口、调测串口和STM8L通信串口，所述处理器采用四核Cortex-
A7 CPU，所述的的SD卡、AT24C04存储器、DDR3SDRAM、USB接口、24MHz晶振、RJ45网口、调测串
口和STM8L通信串口分别与四核Cortex-A7 CPU相连，所述USB接口与OV2640摄像头连接。
图像处理装置采用H3CPU作为处理器，负责拍摄图像和对图像进行处理。
DDR3SDRAM K4B2G1646B通过并口与H3相连，其为512MB内存，大大提高系统运行速度，特别
是运行图像处理算法时，速度非常快；H3集成SD卡接口，非常方便使用大容量SD卡，设计中
使用SD卡作为系统ROM，Linux操作系统和数据全部装载到SD卡中，节约成本；H3还集成EMAC
+PHY，节省了外部PHY芯片，简化了电路，RJ45网口直接与H3相连，通过网口，可以方便的通
过网络与H3通信。一组串口与STM8L通信，负责将监测到的位移数据传输到单片机中；
AT24C04通过IIC接口与H3连接，可以存储系统一些校准参数；H3集成4个USB接口，高清摄像
头通过USB接口与H3连接，实现图像数据采集。系统使用24MHz晶振工作，通过内部PLL倍频
到1.2GHz。
本发明的基准点监测装置通过设置通孔开关机构实现了监测器壳体的通孔自动
开启和关闭，通孔开关机中遮挡板采用聚乙烯板加工制成，成本较低，耐用抗腐蚀，且不变
型，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。
当进行水库坝体监测时，控制第一通孔开关机构自动将监测器壳体上朝向激光发射装置一
侧的通孔打开，使激光穿过该通孔照射到基准点监测装置内背向激光发射装置一侧的挡光
板上形成圆形光斑；当监测完成时，控制第二通孔开关机构自动将监测器壳体上背向激光
发射装置一侧的通孔打开，使激光穿过该基准点监测装置进行下一个基准点监测。所有基
准点监测完成后关闭监测器壳体的两个通孔，防止灰尘、雨水等进入壳体内，不仅减少了人
工参与，节约了成本，而且做到了随时监测的目的。
优选地，所述主控系统包括计算机系统以及与之相连的主控无线射频通信模块和
GPRS模块，所述计算机系统通过主控无线射频通信模块分别与激光发射装置和基准点监测
装置相连，通过GPRS模块与上位机和管理终端相连。
优选地，所述GPRS模块包括SIM800C模块、SIM卡和MIC29302芯片，所述SIM800C模
块分别与STM32F107单片机和电源模块连接，所述SIM卡设置在SIM800C模块的卡槽内，所述
MIC29302芯片的控制端与计算机系统连接。
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。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。