Техническое решение относится к области высокоточных геодезических измерений углов наклона инженерных или природных объектов, а именно к программно-техническим комплексам получения, обработки и отображения геопространственной информации, компьютерным средствам преобразования с применением высокоточной технологии компьютерного зрения, и может быть использовано в автоматизированных системах геодистанционного определения пространственного положения элементов инженерных или природных объектов относительно горизонта (особенно объектов большой протяжённости и/или разнесённых на местности объектов) для ведения непрерывного геодезического мониторинга деформационных процессов конструкций инженерных сооружений, таких как плотины ГЭС, камеры шлюзов, мосты, нефтепроводы и газопроводы, устья нефтяных и газовых скважин или элементов природных объектов, таких как земляные дамбы, насыпи, зоны селевых потоков, промышленные карьеры, участки интенсивной добычи полезных ископаемых в условиях экстремальных температур окружающей среды, например, в районах вечной мерзлоты, с целью определения кренов и осадки конструкций инженерных сооружений, предиктивной диагностики целостности сооружений, оперативного обнаружения первичных признаков потери устойчивости сооружения и выработки чётких превентивных управляющих решений для предотвращения аварийных ситуаций на контролируемом объекте, инженерном или природном (далее - контролируемый объект), особенно в труднодоступных местах выбранных реперных точек на контролируемом объекте, создающих собой опорные пункты деформационной геодезической сети, для геодезического мониторинга контролируемого объекта в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях.
Известен видеонаклономер по патенту РФ № 2258906, МПК G01C 9/00 (2000.01), опубл. 20.08.2005, Бюл. № 23, взятый в качестве аналога. Сущность данного устройства, которое используют для измерения наклонов сооружений относительно горизонта, а также в геодезических приборах для их установки в горизонтальной плоскости, заключается в том, что на контролируемом объекте устанавливают видеонаклономер, который содержит сосуд с жидкостью. Над жидкостью установлен объектив, светоделительный элемент, источник света и позиционно-чувствительный фотоприёмник для формирования видеокадра с видеоизображением источника света. Светоделительный элемент установлен на оптической оси объектива и делит её на две оси. Регистрируется угол наклона сосуда в направлениях соответствующих координатных осей.
Общими признаками предлагаемого технического решения и аналога являются: цифровой видеонаклономер для высокоточного определения значений углов наклона контролируемого объекта (в аналоге - видеонаклономер), устройство содержит электрически и оптически связанные между собой измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок на основе жидкостного датчика горизонта (в аналоге - устройство содержит сосуд с жидкостью), источник света (в аналоге - источник света) и позиционно-чувствительный фотоприёмник, формирующий видеосигнал с видеокадрами (в аналоге - позиционно-чувствительный фотоприёмник в виде цифровой фотокамеры), модуль получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта.
Недостатком данного устройства является его короткая база для определения угла наклона контролируемого объекта, которая соотносима только с габаритами данного измерительного устройства и не обеспечивает определение углов наклона относительно горизонта объектов большой протяжённости и/или разнесённых на местности объектов. Кроме того, такая конструкция данного устройства, использующая сосуд с жидкостью в качестве оптического элемента, не позволяет использовать его в системах дистанционного определения пространственного положения контролируемых объектов относительно горизонта для ведения непрерывного геодезического мониторинга деформационных процессов конструкций инженерных сооружений в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях.
Известны измерительные геодезические приборы на основе уровня пузырькового типа, например прецизионное оптическое устройство «Квадрант» [Квадрант оптический КО-10. Паспорт АЛ 2.787.046 ПС - 2007, ОАО «Новосибирский приборостроительный завод»], взятое в качестве аналога. Сущность данного устройства заключается в том, что его оптико-электронный измерительный блок, который имеет высокую чувствительность, устанавливают на контролируемом объекте совместно со штативом, который служит основой для установления истинной горизонтали или вертикали на основе уровня пузырькового типа, с прямым визуальным измерением, дающим наглядность в определении направления и величины наклона контролируемого объекта.
Общими признаками предлагаемого технического решения и аналога являются: цифровой видеонаклономер для высокоточного определения значений углов наклона контролируемого объекта (в аналоге - измерительный геодезический прибор на основе уровня пузырькового типа), устройство содержит электрически и оптически связанные между собой измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок с жидкостным датчиком горизонта на основе уровня пузырькового типа (в аналоге - устройство содержит электрически и оптически связанные между собой измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок на основе уровня пузырькового типа).
Основным недостатком данного устройства является невозможность преобразования направления и величины наклона контролируемых объектов в электрический сигнал и, как следствие, невозможность использования его в средствах автоматизации измерительного процесса с одновременным прямым преобразованием направления и величины наклона контролируемого объекта в электрический сигнал, что не позволяет использовать это устройство в системах дистанционного определения пространственного положения контролируемого объекта относительно горизонта для ведения непрерывного геодезического мониторинга деформационных процессов конструкций инженерных сооружений в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях. Также недостатком данного устройства является его короткая база для определения угла наклона контролируемого объекта, определяемая конструктивными размерами ампулы в уровне пузырькового типа, которая соотносима только с габаритами данного измерительного устройства и обеспечивает определение углов наклона относительно горизонта объектов большой протяжённости и/или разнесённых на местности объектов только одновременным применением нескольких подобных уровней пузырькового типа, что существенно снижает эффективность геодезического мониторинга. Кроме того, такое устройство позволяет только субъективное зрительное восприятие и ракурс при работе с этим устройством, что значительно увеличивает погрешность измерения. Также общим недостатком таких устройств является то, что для обеспечения возможности всепогодной эксплуатации (от -50°C до +60°C) для них используют всепогодные прочные корпуса, которые отличаются высокой стоимостью в отличие от обычных пылевлагозащищенных корпусов, и в случае потери герметичности и целостности тепловой обкладки такие устройства имеют риск не только остановки работы оборудования, но и утраты работоспособности из-за выхода из строя устанавливаемых кислотных или литиево-ионных аккумуляторов. Кроме того, использование всесепогодных защищённых корпусов обуславливает необходимость в установке большого количества источников питания высокой мощности для обеспечения оптимального уровня температуры внутри корпуса, что также приводит к увеличению стоимости оборудования, а значит в целом существенно снижается эффективность и надёжность работы этих устройств, особенно в экстремальных климатических условиях.
Известен измерительный геодезический прибор на основе источника лазерного излучения, например лазерный ротационный нивелир Leica Rugby 680, который используют совместно с цифровым индикаторным приёмником лазерного излучения Leica Rod Eye [www.leica-geosystems.com.], взятый в качестве аналога. Сущность данного устройства заключается в том, что его оптико-электронный измерительный блок, который имеет высокую чувствительность, устанавливают на контролируемом объекте совместно с цифровым индикаторным приёмником лазерного излучения Leica Rod Eye, который служит в качестве реперного приёмника, с прямым визуальным измерением, дающим наглядность в определении направления и величины наклона контролируемого объекта.
Общими признаками предлагаемого технического решения и аналога являются: цифровой видеонаклономер для высокоточного определения значений углов наклона контролируемого объекта (в аналоге - лазерный ротационный нивелир Leica Rugby 680, который используют совместно с цифровым индикаторным приёмником лазерного излучения Leica Rod Eye), устройство содержит оптически связанные между собой измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок с источником лазерного излучения, принимающий реперный модуль (в аналоге - устройство содержит оптически связанные между собой измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок с источником лазерного излучения, цифровой индикаторный приёмник лазерного излучения).
Основным недостатком данного устройства является наличие подвижных элементов (ротационный механизм, компенсирующее устройство), которые не приспособлены к устойчивой работе при низких температурах (нижний порог диапазона рабочих температур -20°C), что ограничивает использование данного устройства в составе систем геодезического мониторинга в условиях умеренного и субарктического климата. Другим недостатком является необходимость установки всех используемых реперных приёмников лазерного излучения на одном уровне задаваемых ротационным лазерным уровнем. Это ограничивает возможность применения данного устройства для систем геодезического мониторинга в режиме реального времени. Также данное устройство с цифровым индикаторным приёмником лазерного излучения не обеспечивает преобразование направления и величины наклона контролируемых объектов в электрический сигнал и, как следствие, не позволяет использовать это устройство в системах дистанционного определения пространственного положения контролируемого объекта относительно горизонта для ведения непрерывного геодезического мониторинга деформационных процессов конструкций инженерных сооружений в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях.
Известен видеонаклономер по патенту РФ № 2419071, МПК G01C 9/00 (2006.01), опубл. 20.05.2011 г. в Бюл. № 14, взятый в качестве прототипа. Сущность данного устройства заключается в том, что для измерения значений угла наклона контролируемого объекта относительно горизонта используют видеонаклономер, содержащий сосуд с жидкостью, над которой установлены оптически связанные друг с другом и с поверхностью жидкости объектив, светоделительный элемент, источник света и позиционно-чувствительный фотоприёмник, формирующий видеосигнал с видеокадрами, при этом между объективом и поверхностью жидкости установлено зеркало с круглым окном, центр которого лежит на оптической оси объектива, зеркало закреплено под углом к основанию сосуда так, чтобы два изображения источника света в видеокадре, первое - отражённое от поверхности жидкости и второе - отражённое от зеркала, не накладывались друг на друга во всем диапазоне измерений, при этом диаметр окна в зеркале определяется по соответствующей формуле. Зеркало закреплено под углом наклона к основанию видеонаклономера так, что изображение от зеркала располагается, например, в углу видеокадра. При этом оно остается неподвижным, независимо от наклонов основания сосуда с жидкостью. В исходном состоянии, когда сосуд установлен на горизонтальной поверхности, изображение от поверхности жидкости располагается в центре видеокадра. При наклонах контролируемой поверхности первое изображение перемещается в видеокадре так, что расстояние между ним и вторым фиксированным изображением находится в строгой зависимости от искомого угла наклона контролируемой поверхности, что и служит основанием для выполнения измерений. Измерения осуществляются на основе компьютерной обработки видеосигнала позиционно-чувствительного фотоприёмника, содержащего первое изображения и второе изображение. При этом важно, чтобы яркость этих изображений в видеокадре была одинаковой.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются: цифровой видеонаклономер для высокоточного определения значений углов наклона контролируемого объекта (в прототипе - видеонаклономер), устройство содержит электрически и оптически связанные между собой измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок на основе жидкостного датчика горизонта (в прототипе - устройство содержит сосуд с жидкостью, над которой установлены оптически связанные друг с другом и с поверхностью жидкости объектив, светоделительный элемент), источник света (в прототипе - источник света) и позиционно-чувствительный фотоприёмник в виде цифровой видеокамеры, формирующий видеосигнал с видеокадрами (в прототипе - позиционно-чувствительный фотоприёмник, формирующий видеосигнал с видеокадрами), модуль получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта на основе компьютерной обработки видеосигналов (в прототипе - измерения осуществляются на основе компьютерной обработки видеосигнала позиционно-чувствительного фотоприёмника, содержащего первое изображение и второе изображение).
Недостатком данного устройства является его короткая база для определения значений углов наклона контролируемого объекта, определяемая конструктивными размерами жидкостного датчика горизонта, которая соотносима только с габаритами данного измерительного устройства и не обеспечивает определение углов наклона относительно горизонта объектов большой протяжённости и/или разнесённых на местности объектов. Разность уровня освещённости двух изображений от источника света в видеокадре в оптической системе видеонаклономера создает дополнительную погрешность и тем самым снижает точность измерения, а значит, точность работы устройства в целом. Также применение сосуда с жидкостью, с требуемым коэффициентом отражения поверхности жидкости (чтобы яркость двух изображений в видеокадре была одинаковой), над которой установлены оптически связанные друг с другом и с поверхностью жидкости объектив, светоделительный элемент, по причине сложности исполнения оптической части конструкции, существенно увеличивает дополнительную погрешность и тем самым снижает точность измерения, а значит, точность работы устройства в целом. Прецизионность изготовления, обязательная предварительная настройка оптической части конструкции в полевых условиях после транспортировки, из-за требований к точности измерений, существенно снижает эксплуатационные качества данного устройства в полевых условиях, в экстремальных климатических условиях, в условиях экстремально низких температур окружающей среды. Наличие источника питания в измерительной цепи за счёт нестабильности уровня заряда создает дополнительную погрешность и тем самым снижает точность измерения, а значит точность работы устройства в целом, особенно в условиях экстремально низких температур окружающей среды, а значит существенно снижается эффективность работы данного устройства. Кроме того, существенным недостатком данного устройства является сложность конструкции оптической части, в которой используют сосуд с жидкостью в качестве оптического элемента, что не позволяет использовать это устройство в системах дистанционного определения пространственного положения контролируемого объекта относительно горизонта для ведения непрерывного геодезического мониторинга деформационных процессов конструкций инженерных сооружений в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях.
Решаемая техническая проблема заключается в повышении эффективности и надёжности работы предлагаемого устройства при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях за счёт повышения точности измерения устройством предложенной конструкции углов наклона контролируемого объекта и за счёт увеличения измерительной базы для определения углов наклона контролируемого объекта путём создания пространственного оптического измерительного уровня между измерительным модулем и принимающим реперным модулем, определяющим фактическое положение контролируемого объекта относительно горизонта, а также за счёт расширения функциональных возможностей на измерение, приём и обработку получаемых результатов измерений путём создания устройства предложенной конструкции, особенно для геодезического мониторинга объектов большой протяжённости и/или разнесённых на местности объектов относительно горизонта, и автоматизации процесса геодезического мониторинга путём применения устройства интерфейсно-модульного исполнения предложенной конструкции с измерительным модулем, принимающим реперным модулем и модулем получения данных результатов измерений с возможностью приёма и обработки получаемых результатов измерений посредством высокоточной цифровой технологии компьютерного зрения с элементами искусственного интеллекта в форме машинного обучения, что позволяет повысить объём информации и скорость доступа к ней, а также скорость приёма и обработки получаемых результатов измерений, то есть повысить точность и достоверность получаемых геодезических данных для анализа и оценки состояния элементов контролируемого объекта относительно их проектных значений, а значит эффективность и надёжность предлагаемого устройства.
Технический результат заключается в повышении точности измерений устройством предложенной конструкции углов наклона контролируемого объекта, при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях, за счёт повышения точности определения положения контура мениска газового пузырька в спиртовом уровне пузырькового типа и положения контура светового пятна лазерного луча от источника лазерного излучения жидкостного датчика горизонта в диапазоне сверхмалых углов наклона (c точностью менее 1") контролируемого объекта и за счёт увеличения измерительной базы для определения значений углов наклона контролируемого объекта путём создания устройством предложенной конструкции пространственного оптического измерительного уровня, создающего измерительную базу, обеспечивающую повышение чувствительности при определении углов наклона контролируемого объекта устройством предложенной конструкции, особенно для объектов большой протяжённости и/или разнесённых на местности объектов относительно горизонта, посредством создания оптической оси между измерительным модулем и принимающим реперным модулем, определяющей фактическое положение контролируемого объекта относительно горизонта.
Также технический результат заключается в расширении функциональных возможностей работы устройства предложенной конструкции, при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях, на измерение, приём и обработку получаемых результатов измерений путём увеличения объёма информации и скорости доступа к ней, а также скорости приёма и обработки получаемых результатов измерений посредством высокоточной технологии компьютерного зрения, то есть в повышении точности и достоверности получаемых геодезических данных для анализа и последующей оценки состояния элементов контролируемого объекта относительно их проектных значений, то есть автоматизации процесса геодезического мониторинга в режиме реального времени и обеспечении непрерывности процесса мониторинга в экстремальных климатических условиях, например, в условиях экстремально низких температур окружающей среды, посредством применения программных блоков зарядки и управления, выполненных с возможностью накопления заряда питания и возобновляемых источников электроэнергии, сопряжённых с измерительным модулем и принимающим реперным модулем предложенной конструкции.
Поставленная техническая проблема решается тем, что в цифровом видеонаклономере для высокоточного определения значений углов наклона контролируемого объекта, при геодезическом мониторинге посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях, содержащем электрически и оптически связанные между собой измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок на основе жидкостного датчика горизонта, источник света, позиционно-чувствительный фотоприёмник, формирующий видеосигнал с видеокадрами и модуль получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта на основе компьютерной обработки видеосигнала, содержащего видеокадры, согласно техническому решению упомянутый измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок на основе жидкостного датчика горизонта, дополнительно снабжён интерфейсным блоком приёма-передачи цифровых данных и выполнен в едином корпусе с возможностью закрепления в заранее выбранных реперных точках на контролируемом объекте, инженерном или природном, создающих собой опорные пункты деформационной геодезической сети для геодезического мониторинга контролируемого объекта, в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях. Причём упомянутый измерительный модуль также дополнительно снабжён принимающим реперным модулем, который также выполнен в закрытом корпусе с возможностью закрепления в заранее выбранных реперных точках на контролируемом объекте и связан с измерительным модулем посредством оптической и цифровой программно-логической связи через упомянутый модуль получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта на основе компьютерной обработки видеосигнала, содержащего видеокадры, с возможностью высокоточного определения значений углов наклона контролируемого объекта. При этом принимающий реперный модуль включает оптико-электронный регистрирующий блок и интерфейсный блок приёма-передачи цифровых данных программно-логически и электрически связанные между собой, а упомянутый модуль получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта на основе компьютерной обработки видеосигнала, содержащего видеокадры, соединённый посредством каналов цифровой программно-логической связи с измерительным модулем и принимающим реперным модулем, выполнен в виде регистрирующей станции пользователя на базе ПЭВМ с общим и прикладным ПО с возможностью сбора, хранения, обработки предварительных цифровых потоковых видеоизображений и последующего определения высокоточных значений углов наклона контролируемого объекта, инженерного или природного, посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях. Причём в упомянутом измерительном модуле оптико-электронный измерительный блок включает позиционно-чувствительный фотоприёмник, формирующий видеосигнал с видеокадрами, в виде цифровой видеокамеры, установленной в верхней части корпуса над площадкой, на которой жёстко закреплён упомянутый жидкостный датчик горизонта, выполненный на основе спиртового уровня пузырькового типа, который содержит газовый пузырёк в спиртовой жидкости, герметично замкнутый в полости капсулы цилиндрической формы, при этом упомянутый спиртовый уровень конструктивно сопряжён с источником лазерного излучения и установлен в упомянутом корпусе жидкостного датчика горизонта в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры, а упомянутый источник света оптико-электронного измерительного блока выполнен в виде, по меньшей мере, двух светодиодов, расположенных над упомянутым спиртовым уровнем, для обеспечения освещённости в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры, необходимой для видеофиксации относительных перемещений контура мениска газового пузырька в спиртовой жидкости, герметично замкнутой в полости капсулы цилиндрической формы, упомянутого спиртового уровня и последующего формирования предварительного цифрового потокового видеоизображения положения контура мениска газового пузырька в упомянутом спиртовом уровне. При этом упомянутый позиционно-чувствительный фотоприёмник в виде цифровой видеокамеры оптико-электронного измерительного блока в измерительном модуле связан посредством цифровой программно-логической связи с программным блоком формирования и передачи цифровых данных интерфейсного блока приёма-передачи цифровых данных, выполненным с возможностью получения, обработки, формирования и передачи на упомянутый модуль получения данных результатов измерений предварительного цифрового потокового видеоизображения положения контура мениска газового пузырька в упомянутом спиртовом уровне. Причём упомянутый программный блок формирования и передачи цифровых данных электрически и программно-логически связан с блоком памяти и с программным блоком зарядки и управления, при этом последний выполнен с возможностью накопления заряда питания и управления цифровой видеокамерой, светодиодами, датчиком температуры и источником лазерного излучения, размещённого в жидкостном датчике горизонта, где упомянутый источник лазерного излучения установлен соосно коллиматору, закреплённому на корпусе оптико-электронного измерительного блока, для проецирования лазерного луча на экран оптико-электронного регистрирующего блока через его входное окно, с возможностью обеспечения оптической связи упомянутых измерительного модуля и принимающего реперного модуля за счёт приспособления, снабжённого, по меньшей мере, тремя регулировочными опорами, для установки измерительного модуля в начальное (нулевое) положение путём наведения лазерного луча от упомянутого источника лазерного излучения через упомянутые коллиматор и входное окно на экран, жестко закреплённый в корпусе упомянутого оптико-электронного регистрирующего блока, с возможностью отражения лазерного луча на позиционно-чувствительный фотоприёмник в виде цифровой видеокамеры, и с возможностью видеофиксации перемещения на экране текущего видеокадра контура светового пятна лазерного луча относительно начального (нулевого) положения, при этом принимающий реперный модуль предварительно жёстко установлен на реперной точке с помощью, по меньшей мере, трёх стационарных опор, тем самым обеспечивая создание оптической оси между измерительным модулем и принимающим реперным модулем на контролируемом объекте. При этом упомянутый интерфейсный блок приема-передачи цифровых данных измерительного модуля включает программный блок зарядки и управления, вход питания которого электрически связан с источником возобновляемой электроэнергии, а цифровые выходы электрически и программно-логически связаны с соответствующими цифровыми входами цифровой видеокамеры, по меньшей мере, двух светодиодов и источника лазерного излучения, при этом соответствующие цифровые входы/выходы электрически и программно-логически связаны с цифровым входом/выходом датчика температуры и цифровым входом/выходом программного блока формирования и передачи цифровых данных, полученных через цифровой вход/выход цифровой видеокамеры, предназначенный для постоянной передачи или передачи по запросу (появлению связи) накопленной информации в виде предварительного цифрового потокового видеоизображения посредством цифровой программно-логической связи в программе упомянутого программного блока формирования и передачи цифровых данных на упомянутый модуль получения данных результатов измерений и передачи накопленной информации цифровых данных для резервного хранения в блок памяти, цифровой вход/выход которого электрически и программно-логически связан с соответствующим цифровым входом/выходом упомянутого программного блока формирования и передачи цифровых данных. Причём интерфейсный блок приема-передачи цифровых данных принимающего реперного модуля включает программный блок зарядки и управления, выполненный с возможностью накопления заряда питания и управления цифровой видеокамерой, датчиком температуры и программным блоком формирования и передачи цифровых данных, при этом вход питания программного блока зарядки и управления электрически связан с возобновляемым источником электроэнергии, цифровой выход электрически и программно-логически связан с цифровой видеокамерой, а соответствующие цифровые входы/выходы электрически и программно-логически соединены с цифровым входом/выходом датчика температуры и цифровым входом/выходом программного блока формирования и передачи цифровых данных, полученных через цифровой вход/выход цифровой видеокамеры, предназначенный для постоянной передачи или передачи по запросу (появлению связи) информации в виде предварительного цифрового потокового видеоизображения контура светового пятна лазерного луча от источника лазерного излучения на экране оптико-электронного регистрирующего блока, посредством цифровой программно-логической связи в программе упомянутого программного блока формирования и передачи цифровых данных на упомянутый модуль получения данных результатов измерений и передачи накопленной информации цифровых данных для резервного хранения в блок памяти, цифровой вход/выход которого электрически и программно-логически связан с соответствующим цифровым входом/выходом упомянутого программного блока формирования и передачи цифровых данных. При этом упомянутый программный блок формирования и передачи цифровых данных связан посредством цифровой программно-логической связи с упомянутым модулем получения данных результатов измерений, выполненным в виде регистрирующей станции пользователя на базе ПЭВМ с общим и прикладным ПО с возможностью сбора, хранения, обработки предварительных цифровых потоковых видеоизображений посредством алгоритмов технологии компьютерного зрения путём цифрового автоматического сравнения координат углов вспомогательных прямоугольников в фотограмметрической системе координат, описывающих текущее положение контура мениска газового пузырька в спиртовом уровне и текущее положение контура светового пятна лазерного луча от источника лазерного излучения на экране оптико-электронного регистрирующего блока, с начальными (нулевыми) координатами углов этих прямоугольников, полученных при совместной юстировке измерительного модуля и принимающего реперного модуля на контролируемом объекте, и автоматического преобразования полученных цифровых значений относительных перемещений посредством исходных регрессионных калибровочных моделей (калибровочных коэффициентов), полученных с помощью алгоритмов машинного обучения или методами регрессионного анализа, в высокоточные значения углов наклона контролируемого объекта, инженерного или природного, при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях.
Указанная совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет повысить эффективность и надёжность геодезического мониторинга контролируемого объекта при определении его пространственного положения, в режиме реального времени при работе в полевых условиях, в экстремальных климатических условиях, в диапазоне сверхмалых углов наклона контролируемого объекта, за счёт точного определения посредством цифровых видеокамер положения контура мениска газового пузырька в спиртовом уровне и положения контура светового пятна лазерного луча от источника лазерного излучения жидкостного датчика горизонта на экране оптико-электронного регистрирующего блока, положение которых в свою очередь определяется положением созданной оптической оси между измерительным и принимающим реперным модулями в виде пространственного оптического измерительного уровня, создающего достаточную измерительную базу устройством предложенной конструкции, повышающей чувствительность устройства, а значит точность измерений при определении углов наклона контролируемого объекта относительно горизонта, что особенно важно для объектов большой протяжённости и/или разнесённых на местности объектов.
Также указанная совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет повысить эффективность и надёжность геодезического мониторинга при определении пространственного положения контролируемого объекта в режиме реального времени при работе в полевых условиях, в экстремальных климатических условиях, за счёт расширения функциональных возможностей работы устройства предложенной конструкции на измерение, приём и обработку получаемых результатов измерений путём увеличения объёма информации и скорости доступа к ней, посредством технологии компьютерного зрения, то есть в повышении достоверности и оперативности доступа к представляемой информации для анализа и оценки состояния контролируемых объектов путём использования устройства интерфейсно-модульного исполнения и организации автоматизированного процесса геодезического мониторинга посредством электрических, цифровых и программно-логических каналов связи, устранению зависимости от человеческого фактора при получении результатов измерений и их сравнении посредством алгоритмов высокоточной программы компьютерного зрения для проведения автоматизированного геодезического мониторинга, что, в конечном счёте, позволяет повысить эффективность и надёжность геодезического мониторинга при определении значений углов наклона контролируемого объекта в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях.
Кроме того, при эксплуатации предлагаемого устройства в режиме реального времени в полевых условиях применение в оптико-электронном измерительном блоке предложенной конструкции жидкостного датчика горизонта, расположенного в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры, позволяет обеспечивать высокую точность измерений, особенно для протяжённых инженерных или природных объектов, так как спиртовый уровень пузырькового типа конструктивно сопряжённый с источником лазерного излучения и оптически связанный с оптико-электронным регистрирующим блоком принимающего реперного модуля в контрольной реперной точке протяжённого инженерного или природного объекта, конструктивно создаёт необходимый пространственный оптический измерительный уровень, тем самым увеличивая измерительную базу, что, в конечном счёте, увеличивает чувствительность работы устройства и обеспечивает возможность точного измерения углов наклона контролируемого объекта. Кроме того, использование спиртового уровня пузырькового типа конструктивно сопряжённого с источником лазерного излучения в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры, также обеспечивает сохранение диапазона высокоточных измерений значений углов наклона контролируемого объекта в реперной точке, так как при экстремальном изменении температуры окружающего воздуха плотность спиртового раствора в пузырьковом уровне меняется, что проявляется в относительном увеличении или уменьшении размера мениска газового пузырька спиртового уровня, что может быть соизмеримо с рабочим диапазоном измерений. В этом случае программа компьютерного зрения при определении значений углов наклона контролируемого объекта продолжает выполнять измерения с заданной точностью с учётом относительных изменений размера мениска газового пузырька спиртового уровня при экстремальных температурах, тем самым повышая надёжность работы устройства, что имеет существенное значение в реальных условиях окружающей среды. При этом высокоточное определение значений углов наклона контролируемого объекта в реперной точке, по перемещению контура мениска газового пузырька спиртового уровня и контура светового пятна лазерного луча от источника лазерного излучения определяется с помощью алгоритмов системы компьютерного зрения, в которой перемещение контура мениска газового пузырька спиртового уровня и контура светового пятна лазерного луча от источника лазерного излучения автоматически отслеживаются соответствующими цифровыми видеокамерами в режиме реального времени. Это конструктивное решение позволяет снизить зависимость от человеческого фактора, то есть исключить субъективность пользователя при наличии автоматического получения результатов измерений и их обработки посредством высокоточной программы компьютерного зрения, что также позволяет повысить точность и достоверность реального объёма измерений, а значит эффективность и надёжность предлагаемого устройства при его эксплуатации.
Также такое конструктивное решение существенно удешевляет конструкцию устройства, так как при его производстве используют доступные на массовом рынке унифицированные и сертифицированные модули: ампулы спиртовых уровней пузырькового типа АЦК, цифровые видеокамеры типа ESP32CAM, модули связи и контроллеры типа Attiny фирмы Microchip, ионисторы марки СКФ-480-3В0, производства компании ФЕНИКС.
Также повышение автономности устройства, в части энергопотребления в условиях экстремальных температур, достигается за счёт использования в качестве накопителей заряда ионисторов с диапазоном рабочих температур от -40 до +60°C в программных блоках зарядки и управления в измерительном модуле и принимающем реперном модуле, что позволяет отказаться от всепогодных защищённых корпусов, так как их диапазон значительно превышает диапазон рабочих температур кислотных и литиево-ионных аккумуляторов (от -10°C до +50°C), которые используются в известных устройствах. Кроме того, ионисторы свободны от эффекта снижения ёмкости со временем, что также повышает надёжность и экономичность эксплуатации предлагаемого устройства. Программные блоки зарядки и управления в измерительном и принимающем реперном модулях дополнительно оснащены модульными возобновляемыми источниками электроэнергии, то есть с помощью автономной электрогенерирующей технологии, которая позволяет эффективно и автономно эксплуатировать устройство предложенной конструкции в тяжёлых полевых условиях, особенно, в районах Крайнего Севера, где в основном построены крупные технологические нефтедобывающие комплексы, требующие постоянного геодезического мониторинга, а также на контролируемых участках земной поверхности в районах вечной мерзлоты, тем самым повышая безопасность эксплуатации инженерных или природных объектов. В качестве средства связи с регистрирующей станцией пользователя на базе ПЭВМ с общим и прикладным ПО, например, удалённым сервером, целесообразно использовать модули LoRa, например, SX1262 характеризующийся низким электропотреблением и широким диапазоном рабочих температур (от -40°C до +60°C).
Снижение издержек на изготовление измерительного модуля позволяет потенциальным пользователям увеличивать их количество на контролируемых объектах и тем самым повысить информативность геодезического мониторинга. Достигается это за счёт использования сочетания недорогих, сертифицированных и доступных на массовом рынке спиртовых уровней, цифровых камер, модулей связи и контроллеров, например, типа Attiny фирмы Microchip. Снижение издержек также достигается за счёт использования ионисторов, которые позволяют экономить на дорогих теплоизолирующих корпусах. Кроме того, такой подход к выбору сертифицированных модулей позволяет эффективно проводить метрологическую аттестацию измерительного канала при проектировании и создании на контролируемых объектах автоматизированных систем геодезического мониторинга, что особенно важно с точки зрения безопасной эксплуатации объектов и, в конечном счёте, позволяет повысить эффективность и надёжность геодезического мониторинга при определении пространственного положения контролируемых объектов. Кроме того, указанная совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет повысить оперативность доступа к представляемой информации для анализа и оценки состояния контролируемых элементов объекта с целью предиктивной диагностики целостности сооружений, а также оперативного обнаружения первичных признаков потери устойчивости сооружений для выработки чётких превентивных управляющих решений и предотвращения аварийных ситуаций на контролируемых объектах за счёт применения в интерфейсных блоках приёма-передачи цифровых данных, например, модуля SX1262 (LoRa) и современного протокола коммуникации автоматизированных устройств MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), что позволяет выполнять высокоточное определение углов наклона контролируемого объекта в режиме реального времени с передачей измерительной информации на удалённую регистрирующую станцию пользователя или на удалённый сервер на расстояние свыше 20 км, тем самым повышая безопасность эксплуатации объектов.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность и надёжность геодезического мониторинга при определении пространственного положения контролируемого объекта посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени при работе в полевых условиях, в экстремальных климатических условиях, за счет:
- повышения точности измерений в диапазоне сверхмалых (менее 1") углов наклона контролируемого объекта путём создания пространственного оптического измерительного уровня устройством предложенной конструкции, обеспечивающего увеличение измерительной базы, повышающей чувствительность устройства для определения угла наклона контролируемого объекта, при фиксированном положении оптической оси между измерительным модулем и принимающим реперным модулем, определяющим фактическое положение объекта относительно горизонта;
- повышения точности измерений в диапазоне сверхмалых (менее 1") углов наклона контролируемого объекта путём повышения точности определения положения контура мениска газового пузырька в спиртовом уровне пузырькового типа и положения контура светового пятна лазерного луча от источника лазерного излучения на экране оптико-электронного регистрирующего блока, посредством алгоритмов системы компьютерного зрения, в которой перемещение контура мениска газового пузырька спиртового уровня и перемещение контура светового пятна лазерного луча от источника лазерного излучения автоматически отслеживаются с помощью соответствующих цифровых видеокамер в режиме реального времени;
- расширения рабочего диапазона температур и повышения энергообеспеченности устройства при эксплуатации в полевых условиях в процессе геодезического мониторинга в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды (от - 40°С до +50°C) путём использования жидкостного датчика горизонта предложенной конструкции, программных блоков зарядки и управления сопряжённых с возобновляемыми источниками электроэнергии;
- повышения достоверности и оперативности доступа к представляемой информации для анализа и оценки состояния контролируемого объекта относительно проектных значений путём использования технологии компьютерного зрения;
- устранения зависимости от человеческого фактора, то есть исключения субъективности, при автоматическом получении результатов измерений и их сравнении посредством алгоритмов высокоточной системы компьютерного зрения для проведения автоматизированного геодезического мониторинга в режиме реального времени;
- повышения автономности работы устройства в режиме реального времени в условиях низких температур (от -40°С до +50°C) путём подбора компонентов устройства, способных работать в указанном диапазоне рабочих температур с использованием программных блоков зарядки и управления и возобновляемых источников электроэнергии предложенной конструкции;
- снижения издержек на изготовление устройства путём использования унифицированных изделий для модулей и блоков в предлагаемом устройстве.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется примером конструктивного исполнения цифрового видеонаклономера для высокоточного определения значений углов наклона контролируемого объекта, инженерного или природного, при геодезическом мониторинге посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях (далее - устройство) и чертежами Фиг. 1, 2, 3. На Фиг. 1 схематично представлен пример использования предлагаемого устройства, например, в составе программно-технического комплекса автоматизированной системы геодезического мониторинга углов наклона относительно горизонта контролируемого объекта на контролируемом участке, например, в патерне бетонной плотины ГЭС или на поверхности горной выработки. На Фиг. 2 представлена блок-схема предлагаемого устройства. На Фиг. 3 представлена поясняющая схема функциональной связи оптико-электронного измерительного блока и оптико-электронного регистрирующего блока в предлагаемом устройстве.
Предлагаемое устройство (см. Фиг. 1, 2, 3) содержит электрически и оптически связанные между собой измерительный модуль 1, включающий оптико-электронный измерительный блок 2 на основе жидкостного датчика 3 горизонта, источник света 4 в виде, по меньшей мере, двух светодиодов 4, позиционно-чувствительный фотоприёмник 5 в виде цифровой видеокамеры 5, а также модуль 6 получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта на основе компьютерной обработки видеосигнала, содержащего видеокадры (далее - модуль 6 получения данных результатов измерений). Измерительный модуль 1 (см. Фиг. 2), включающий оптико-электронный измерительный блок 2 на основе жидкостного датчика 3 горизонта, снабжён интерфейсным блоком 7 приёма-передачи цифровых данных (далее - интерфейсный блок 7) и выполнен в едином корпусе с возможностью закрепления в заранее выбранных реперных точках на контролируемом объекте, создающих собой опорные пункты деформационной геодезической сети, для геодезического мониторинга контролируемого объекта, в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях. Измерительный модуль 1 также снабжён принимающим реперным модулем 8, который также выполнен в закрытом корпусе с возможностью закрепления в заранее выбранных реперных точках на контролируемом объекте и связан с измерительным модулем 1 посредством оптической и цифровой программно-логической связи через упомянутый модуль 6 получения данных результатов измерений. Принимающий реперный модуль 8 (см. Фиг. 2) включает оптико-электронный регистрирующий блок 9 и интерфейсный блок 10 приёма-передачи цифровых данных (далее - интерфейсный блок 10), программно-логически и электрически связанные между собой. Модуль 6 получения данных результатов измерений (см. Фиг. 2), соединённый посредством каналов цифровой программно-логической связи с измерительным модулем 1 и принимающим реперным модулем 8, выполнен в виде регистрирующей станции 6 пользователя на базе ПЭВМ с общим и прикладным ПО, предназначенной для сбора, хранения, обработки предварительных цифровых потоковых видеоизображений и последующего определения высокоточных значений углов наклона относительно горизонта контролируемого объекта, посредством технологии компьютерного зрения. Оптико-электронный измерительный блок 2 (см. Фиг. 2, Фиг. 3) включает позиционно-чувствительный фотоприёмник 5 в виде цифровой видеокамеры 5, закреплённой в верхней части корпуса (позицией не обозначен) над площадкой (позицией не обозначена), на которой жёстко закреплены в горизонтальной плоскости упомянутый жидкостный датчик 3 горизонта, выполненный на основе спиртового уровня 11 пузырькового типа (далее - спиртовый уровень 11), который содержит газовый пузырёк в спиртовой жидкости, герметично замкнутый в полости капсулы цилиндрической формы. Спиртовый уровень 11 конструктивно сопряжён с источником 12 лазерного излучения и установлен в корпусе жидкостного датчика 3 горизонта в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры 5. Источник света 4 оптико-электронного измерительного блока 2 (см. Фиг. 2, Фиг. 3) выполнен в виде, по меньшей мере, двух светодиодов 4, расположенных над спиртовым уровнем 11, для обеспечения освещённости в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры 5, необходимой для видеофиксации относительных перемещений контура мениска газового пузырька в спиртовой жидкости упомянутого спиртового уровня 11 и последующего формирования предварительного цифрового потокового видеоизображения положения контура мениска газового пузырька в упомянутом спиртовом уровне 11. Позиционно-чувствительный фотоприёмник 5 (см. Фиг. 2) в виде цифровой видеокамеры 5 оптико-электронного измерительного блока 2 в измерительном модуле 1 связан посредством цифровой программно-логической связи с программным блоком 13 формирования и передачи цифровых данных (далее - программный блок 13), выполненным с возможностью получения, обработки, формирования и передачи на регистрирующую станцию 6 пользователя предварительного цифрового потокового видеоизображения положения контура мениска газового пузырька в упомянутом спиртовом уровне 11. Программный блок 13 (см. Фиг. 2) электрически и программно-логически связан с блоком 14 памяти и с программным блоком 15 зарядки и управления, при этом последний выполнен с возможностью накопления заряда питания и управления цифровой видеокамерой 5, светодиодами 4, датчиком 16 температуры и источником 12 лазерного излучения, размещённого в жидкостном датчике 3 горизонта, где упомянутый источник 12 лазерного излучения установлен соосно коллиматору 17, закреплённому на корпусе (поз. не обозначен) оптико-электронного измерительного блока 2, для проецирования лазерного луча на экран 18 оптико-электронного регистрирующего блока 9 через его входное окно 19, с возможностью обеспечения оптической связи упомянутых измерительного модуля 1 и принимающего реперного модуля 8 за счёт приспособления, снабжённого, по меньшей мере, тремя регулировочными опорами 20, для установки измерительного модуля 1 в начальное (нулевое) положение путём наведения лазерного луча от источника 12 лазерного излучения через коллиматор 17 и входное окно 19 на экран 18, жестко закреплённый в корпусе (поз. не обозначен) оптико-электронного регистрирующего блока 9, с возможностью отражения лазерного луча на цифровую видеокамеру 21, и с возможностью видеофиксации перемещения на экране 18 текущего видеокадра контура светового пятна лазерного луча относительно начального (нулевого) положения. Принимающий реперный модуль 8 предварительно жёстко установлен на реперной точке с помощью, по меньшей мере, трёх стационарных опор 22, тем самым обеспечивая создание оптической оси между измерительным модулем 1 и принимающим реперным модулем 8 на контролируемом объекте.
Интерфейсный блок 7 (см. Фиг. 2) измерительного модуля 1 включает программный блок 15 зарядки и управления, вход питания которого электрически связан с источником 23 возобновляемой электроэнергии, а цифровые выходы электрически и программно-логически связаны с соответствующими цифровыми входами цифровой видеокамеры 5, по меньшей мере, двух светодиодов 4 и источника 12 лазерного излучения. При этом соответствующие цифровые входы/выходы электрически и программно-логически связаны с цифровым входом/выходом датчика 16 температуры и цифровым входом/выходом программного блока 13 для формирования и передачи цифровых данных, полученных через цифровой вход/выход цифровой видеокамеры 5, предназначенный для постоянной передачи или передачи по запросу (появлению связи) накопленной информации в виде предварительного цифрового потокового видеоизображения посредством цифровой программно-логической связи в программе упомянутого программного блока 13 на регистрирующую станцию 6 пользователя и передачи накопленной информации цифровых данных для резервного хранения в блок 14 памяти, цифровой вход/выход которого электрически и программно-логически связан с соответствующим цифровым входом/выходом упомянутого программного блока 13.
Интерфейсный блок 10 (см. Фиг. 2) принимающего реперного модуля 8 включает программный блок 24 зарядки и управления, выполненный с возможностью накопления заряда питания и управления цифровой видеокамерой 21, датчиком 26 температуры и программным блоком 27 формирования и передачи цифровых данных. При этом вход питания программного блока 24 зарядки и управления электрически связан с возобновляемым источником 25 электроэнергии, цифровой выход электрически и программно-логически связан с цифровой видеокамерой 21, а соответствующие цифровые входы/выходы электрически и программно-логически соединены с цифровым входом/выходом датчика 26 температуры и цифровым входом/выходом программного блока 27 формирования и передачи цифровых данных (далее - программный блок 27), полученных через цифровой вход/выход цифровой видеокамеры 21, предназначенный для постоянной передачи или передачи по запросу (появлению связи) информации в виде предварительного цифрового потокового видеоизображения контура светового пятна лазерного луча от источника 12 лазерного излучения на экране 18 оптико-электронного регистрирующего блока 9, посредством цифровой программно-логической связи в программе упомянутого программного блока 27 на упомянутый модуль 6 получения данных результатов измерений и передачи накопленной информации цифровых данных для резервного хранения в блок 28 памяти, цифровой вход/выход которого электрически и программно-логически связан с соответствующим цифровым входом/выходом программного блока 27.
Программный блок 27 (см. Фиг. 2) связан посредством цифровой программно-логической связи с регистрирующей станцией 6 пользователя на базе ПЭВМ с общим и прикладным ПО (или удалённого сервера), с возможностью сбора, хранения, обработки предварительных цифровых потоковых видеоизображений посредством алгоритмов технологии компьютерного зрения путём цифрового автоматического сравнения координат углов вспомогательных прямоугольников в фотограмметрической системе координат, описывающих текущее положение контура мениска газового пузырька в спиртовом уровне 11 и текущее положение контура светового пятна лазерного луча от источника 12 лазерного излучения на экране 18 оптико-электронного регистрирующего блока 9, с начальными (нулевыми) координатами углов этих прямоугольников, полученных при совместной юстировке измерительного модуля 1 и принимающего реперного модуля 8 на контролируемом объекте и автоматического преобразования полученных цифровых значений относительных перемещений посредством исходных регрессионных калибровочных моделей (калибровочных коэффициентов), полученных с помощью алгоритмов машинного обучения или методами регрессионного анализа, в высокоточные значения углов наклона контролируемого объекта при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях.
Оптико-электронный измерительный блок 2 выполнен на базе современных технических устройств, например, с использованием в качестве позиционно-чувствительного фотоприёмника 5 модуля цифровой видеокамеры OV4689 или модуля типа DIS, а в качестве источника света 4, светодиодов промышленного образца GNL3014. Применение простого в изготовлении, но надёжного и недорогого спиртового уровня 11 пузырькового типа для жидкостного датчика 3 горизонта, например, цилиндрической ампулы типа АЦК, позволяет значительно упростить конструкцию устройства. Расширение возможности работы устройства при низких температурах достигается при помощи цилиндрической ампулы типа АЦК, рабочий диапазон которой начинается от -50°С. Кроме того, применение в качестве источника 12 лазерного излучения, например, лазерного дальномера марки EQV HI50, который позволяет выполнять определение угла наклона контролируемого объекта в процессе геодезического мониторинга с помощью соответствующего наклона лазерного луча, расширяет область применения предлагаемого устройства при проектировании автоматизированных систем геодистанционного определения пространственного положения элементов инженерных или природных объектов относительно горизонта, особенно объектов большой протяжённости и/или разнесённых на местности объектов относительно горизонта, для ведения непрерывного геодезического мониторинга деформационных процессов конструкций инженерных сооружений. В качестве цифровых видеокамер 5 и 21 предполагается использовать модули цифровых видеокамер типа DIS, которые имеют нижнюю границу работоспособности от -40°С. В качестве элементов питания предполагается использовать, например, ионисторы марки СКФ-480-3В0, производства компании ФЕНИКС, которые имеют относительно большую емкость (480 Ф при рабочем напряжении 3В, диапазон рабочей температуры начинается от -45°C). При необходимости, для обеспечения работы предлагаемого устройства при температурах ниже -45°C предполагается использовать дополнительные меры, например, тепловую защиту: изолированный с помощью минеральной ваты корпус, отслеживание изменения температуры внутри устройства с помощью датчиков 16 и 26 температуры выполненных, например, на основе чипа DS18B20Z+., а также, при необходимости, терморезисторы в качестве нагревательных элементов. Программный блок 15 зарядки и управления выполнен, например, в виде микроконтроллера на основе чипа Attiny 85 фирмы Microchip с возможностью управления цифровой видеокамерой 5, светодиодами 4, датчиком 16 температуры, источником 12 лазерного излучения и программным блоком 13. Программный блок 24 зарядки и управления выполнен, например, в виде микроконтроллера на основе чипа attiny 85 фирмы Microchip с возможностью управления цифровой видеокамерой 21, датчиком 26 температуры и программным блоком 27. Также программные блоки 15 и 24 зарядки и управления выполнены с возможность накопления заряда, например, в виде последовательно соединённых между собой посредством электрической связи с возобновляемыми источниками электроэнергии 23, 25, соответственно, балансира зарядки ионисторов с датчиком тока и напряжения, в виде, например, модуля CJMCU-219 и накопителя заряда, выполненного в виде, по меньшей мере, двух ионисторов марки СКФ-480-3В0, производства компании ФЕНИКС, последовательно соединённых между собой. Возобновляемые источники 23 и 25 электроэнергии выполнены, например, в виде преобразователя напряжения от промышленной электросети или автономного ветрогенератора, или автономной солнечной панели, например, в виде монокристаллической солнечной батареи малой мощности, от 30 Вт. При этом работа устройства гарантируется в зимний период в средних широтах при постоянной установке солнечной панели под углом 90°. Такая установка солнечной панели снижает вероятность потери источника питания из-за обледенения и образования снежного покрова. Датчики 16 и 26 температуры выполнены, например, на основе чипа DS18B20Z+. Блоки 14 и 28 памяти выполнены, например, в виде модулей ESP32 microSD shield с возможностью записи данных измерений в виде предварительного цифрового потокового видеоизображения. Программные блоки 13 и 27 выполнены, например, в виде УКВ/Wifi-маршрутизатора на основе модуля Wemos D32 mini или ESP32 с возможностью предварительной обработки видеоизображений и получения предварительного цифрового потокового видеоизображения, чтения и записи данных на карту памяти типа MicroSD, передачу данных по протоколу беспроводной связи Wifi. При необходимости передача данных через УКВ-радиосвязь осуществляется с помощью, например, модуля SX1278 по протоколу LoRa. Модуль 6 получения данных результатов измерений выполнен в виде регистрирующей станции 6 пользователя на базе ПЭВМ (или удалённого сервера на базе микроконтроллера типа Ruspberry pi) с общим и прикладным ПО для сбора, хранения и обработки предварительного цифрового потокового видеоизображения посредством алгоритмов программы компьютерного зрения, основанных, например, на библиотеке программ OpenCV путём цифрового автоматического сравнения координат углов вспомогательных прямоугольников в фотограмметрической системе координат, описывающих текущее положение контура мениска газового пузырька в спиртовом уровне 11 и текущее положение контура светового пятна лазерного луча от источника 12 лазерного излучения на экране 18 оптико-электронного регистрирующего блока 9, с начальными (нулевыми) координатами углов этих прямоугольников, полученных при совместной юстировке измерительного модуля 1 и принимающего реперного модуля 8 на контролируемом объекте, и автоматического преобразования полученных цифровых значений относительных перемещений посредством исходных регрессионных калибровочных моделей (калибровочных коэффициентов), полученных с помощью алгоритмов машинного обучения выполняемого, например, с использованием библиотек программ Keras и TensorFlow, или методами регрессионного анализа, в высокоточные значения углов наклона контролируемого объекта, инженерного или природного, при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях.
Также, при необходимости, посредством алгоритмов машинного обучения, выполняемого, например, с использованием библиотек программ Keras и TensorFlow, на основе данных накопленного временного ряда изменений углов наклона выполняется прогноз и оценка состояния объекта геодезического мониторинга.
Предлагаемое устройство, на примере автоматизированной системы геодезического мониторинга углов наклона контролируемого объекта посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях на контролируемом участке, например, в патерне бетонной плотины ГЭС или на поверхности горной выработки (далее - автоматизированная система геодезического мониторинга), работает следующим образом (см. Фиг. 1, 2).
Предварительно (см. Фиг. 1), до начала геодезических измерений на территории, где находится контролируемый объект, выбранный для проведения геодезического мониторинга, создают или используют уже готовый эталонный геодезический полигон, который представляет собой набор опорных пунктов объединённой планово-высотной геодезической сети (ПВС). Согласно техническому заданию на выполнение геодезического мониторинга определяют количество и расположение устройств, величину допустимой ошибки измерения углов наклона контролируемого объекта, периодичность выполнения измерений, диапазоны рабочих температур. Для определения в режиме реального времени значений углов наклона относительно горизонта контролируемого объекта создают или используют только деформационную геодезическую сеть из состава региональной сети ПВС, представляющую собой опорные пункты, включающие геодезические реперы (далее - реперные точки) для геодезического мониторинга контролируемого объекта. Для обеспечения допустимой предельной погрешности в рамках заданного диапазона работы измерительного модуля 1 для жидкостного датчика 3 горизонта выбирают спиртовый уровень 11 в виде цилиндрического спиртового уровня пузырькового типа с необходимой длиной капсулы, источник 12 лазерного излучения с достаточной мощностью излучения, светодиоды 4, обеспечивающие необходимое освещение жидкостного датчика 3 горизонта, цифровую видеокамеру 5, обеспечивающую необходимое разрешение фото и видеоизображений. Для обеспечения необходимой периодичности выполнения измерения углов наклона контролируемого объекта, с учётом энергопотребления выбранной цифровой видеокамеры 5, программного блока 15, определяют общее количество накопителей заряда (ионисторов). Количество накопителей заряда должно быть достаточным для обеспечения суточного сеанса геодезических измерений с заданной периодичностью. Для обеспечения допустимой предельной погрешности в рамках заданного диапазона работы принимающего реперного модуля 8 выбирают цифровую видеокамеру 21, обеспечивающую необходимое разрешение фото и видеоизображений. Для обеспечения необходимой периодичности выполнения измерения углов наклона контролируемого объекта, с учётом энергопотребления выбранной цифровой видеокамеры 21, программного блока 24, определяют общее количество накопителей заряда (ионисторов). Количество накопителей заряда должно быть достаточным для обеспечения суточного сеанса геодезических измерений с заданной периодичностью. Для обеспечения ежедневной полной зарядки накопителей заряда в программных блоках 15 и 24 выбирают необходимое количество автономных ветрогенераторов или автономных солнечных панелей в соответствии с характерными погодными условиями на территории полигона геодезического мониторинга для возобновляемых источников 23 и 25 электроэнергии (при наличии на контролируемом объекте промышленной электросети, случае необходимости, программные блоки 15 и 24 можно подключать к ней).
Предварительно каждый оптико-электронный измерительный блок 2 измерительного модуля 1 и каждый оптико-электронный регистрирующий блок 9 принимающего реперного модуля 8 калибруют. Калибровку выполняют с использованием технологии компьютерного зрения на метрологическом стенде. Для каждого измерительного модуля 1 и принимающего реперного модуля 8 определяют исходные регрессионные калибровочные модели (калибровочные коэффициенты). Каждая исходная регрессионная калибровочная модель представляет собой набор индивидуальных калибровочных коэффициентов для каждого измерительного модуля 1 и каждого принимающего реперного модуля 8 и сохраняется в базе данных сети геодезического мониторинга на регистрирующей станции 6 пользователя на базе ПЭВМ с общим и прикладным ПО и закрепляется за соответствующим измерительным модулем 1 и соответствующим принимающим реперным модулем 8.
Далее выполняют установку скомплектованных и калиброванных измерительных модулей 1 и принимающих реперных модулей 8 в заранее выбранных реперных точках на контролируемом объекте, представляющих собой набор опорных пунктов деформационной геодезической сети и выполняют совместную юстировку каждой пары измерительных модулей 1 и принимающих реперных модулей 8, установленных в реперных точках на контролируемом объекте. Для этого лазерный луч от источника 12 лазерного излучения каждого измерительного модуля 1 наводят на нулевую метку экрана 18 оптико-электронного регистрирующего блока 9 соответствующего принимающего реперного модуля 8 (начальное положение) через коллиматор 17 и входное окно 19 при помощи регулировочных опор 20. Затем при помощи юстировочных винтов (поз. не обозначены) спиртового уровня 11 выполняется приведение газового пузырька в начальное положение, то есть посередине капсулы спиртового уровня 11. Этой процедурой вводится начальный угол 
между источником 12 лазерного излучения и спиртовым уровнем 11 для каждого устройства (измерительного модуля 1 и принимающего реперного модуля 8) в автоматизированной системе геодезического мониторинга на контролируемом объекте.
После установки скомплектованных устройств автоматизированной системы геодезического мониторинга выполняют определение начальных (нулевых) значений относительных смещений измерительных модулей 1 и принимающих реперных модулей 8, а также начального (нулевого) угла с помощью геометрического нивелирования и полигонометрии относительно горизонта.
Далее выполняют конфигурацию автоматизированной системы геодезического мониторинга на контролируемом объекте. В процессе конфигурации выполняют следующее:
- установку прикладного программного обеспечения технологии компьютерного зрения на регистрирующую станцию 6 пользователя на базе ПЭВМ с общим и прикладным ПО;
- инициализацию базы данных геодезического мониторинга, ввод в базу данных всех калибровочных моделей для измерительных модулей 1 и принимающих реперных модулей 8 автоматизированной системы геодезического мониторинга, ввод соответствующих начальных смещений всех модулей автоматизированной системы геодезического мониторинга, полученных с помощью геометрического нивелирования и полигонометрии, (при необходимости, установку предварительно тренированной нейросети для последующей оценки и прогноза состояния контролируемого объекта);
- настройку сетевых соединений каждого измерительного модуля 1 и принимающего реперного модуля 8 с регистрирующей станцией 6 на базе ПЭВМ с общим и прикладным ПО.
После конфигурации автоматизированной системы геодезического мониторинга начинают процесс непрерывного геодезического мониторинга контролируемого объекта. Процесс геодезического мониторинга состоит из обработки серии сеансов геодезических измерений, формирующихся в последовательность циклов геодезического мониторинга контролируемого объекта.
Сеанс геодезических измерений для определения углов наклона относительно горизонта контролируемого объекта с помощью предлагаемого устройства в составе автоматизированной системы геодезического мониторинга контролируемого объекта выполняется следующим образом.
После подключения возобновляемых источников 23 и 25 электроэнергии к измерительному модулю 1 и принимающему реперному модулю 8, соответственно, запускается цикл непрерывного геодезического мониторинга с помощью предлагаемого устройства в следующем порядке:
1) При появлении напряжения от возобновляемых источников 23 и 25 электроэнергии запускаются контроллеры программных блоков 15 и 24 соответствующих интерфейсных блоков 7 и 10 в измерительном модуле 1 и принимающем реперном модуле 8.
2) Контроллеры программных блоков 15 и 24 определяют уровень заряда на ионисторах. Если уровень заряда на элементах питания недостаточен для проведения сеанса геодезических измерений, контроллеры программных блоков 15 и 24 переходят в режим пониженного энергопотребления на 5 минут для дозарядки элементов питания программных блоков 15 и 24 соответствующих интерфейсных блоков 7 и 10 в измерительном модуле 1 и принимающем реперном модуле 8.
3) По истечению 5 минут процессоры программных блоков 15 и 24 выходят из режима пониженного энергопотребления и вновь определяют уровень заряда на ионисторах программных блоков 15 и 24 и действия по п. 2). Цикл повторяется до полной зарядки элементов питания программных блоков 15 и 24 соответствующих интерфейсных блоков 7 и 10 в измерительном модуле 1 и в принимающем реперном модуле 8.
4) Если уровень заряда на элементах питания программных блоков 15 и 24 достаточен для полного сеанса геодезических измерений, то контроллеры программного блока 24 и программного блока 15 инициализируют программные блоки 27 и 13 соответствующих интерфейсных блоков 10 и 7 в принимающем реперном модуле 8 и измерительном модуле 1 соответственно, в которых формируются сообщения о готовности к сеансу геодезических измерений и передаются на регистрирующую станцию 6 пользователя. Эта мера необходима для синхронизации работы измерительного модуля 1 и принимающего реперного модуля 8.
5) Если уровень заряда на элементах питания программного блока 15 интерфейсного блока 7 в измерительном модуле 1 достаточен для выполнения полного сеанса геодезических измерений, тогда контроллер программного блока 15 инициализирует программный блок 13 в интерфейсном блоке 7.
6) Если на программный блок 13 в интерфейсном блоке 7 измерительного модуля 1 не поступает сообщение о готовности к выполнению сеанса геодезических измерений от принимающего реперного модуля 8 через регистрирующую станцию 6 пользователя, то контроллер программного блока 15 отключает программный блок 13 в интерфейсном блоке 7 и уходит в режим пониженного энергопотребления на 1 минуту. Процедура по п. 5) повторяется до тех пор, пока не будет получено сообщение от принимающего реперного модуля 8 через регистрирующую станцию 6 пользователя.
7) Когда уровень заряда на элементах питания программных блоков 15 и 24 достаточен для проведения сеанса геодезических измерений и измерительным модулем 1 через регистрирующую станцию 6 пользователя получено сообщение о готовности к работе принимающего реперного модуля 8, программный блок 15 в интерфейсном блоке 7 измерительного модуля 1 включает оптико-электронный измерительный блок 2. Синхронно от программного блока 13 в интерфейсном блоке 7 измерительного модуля 1 формируется и отправляется через регистрирующую станцию 6 пользователя сообщение о начале работы устройства на принимающий реперный модуль 8. При получении этого сообщения программный блок 24 в интерфейсном блоке 10 принимающего реперного модуля 8 также включает оптико-электронный регистрирующий блок 9.
8) При этом в оптико-электронном измерительном блоке 2 измерительного модуля 1 синхронно включается источник 12 лазерного излучения, светодиоды 4 и цифровая видеокамера 5, а в оптико-электронном регистрирующем блоке 9 принимающего реперного модуля 8 синхронно включается цифровая видеокамера 21. Начинается сеанс геодезических измерений для цикла геодезического мониторинга.
9) В ходе сеанса геодезических измерений при помощи цифровой видеокамеры 5 в оптико-электронном измерительном блоке 2 измерительного модуля 1 выполняется видеозапись площадки с жидкостным датчиком 3 горизонта, выполненным на основе спиртового уровня 11, который содержит газовый пузырёк в спиртовой жидкости, герметично замкнутый в полости капсулы цилиндрической формы, причём упомянутый спиртовый уровень 11 конструктивно сопряжён с источником 12 лазерного излучения и установлен в упомянутом корпусе в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры 5, а упомянутый источник 4 света оптико-электронного измерительного блока 1 выполнен в виде, по меньшей мере, двух светодиодов 4, расположенных над упомянутым спиртовым уровнем 11, для обеспечения освещённости в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры 5, необходимой для видеофиксации относительных перемещений контура мениска газового пузырька в спиртовой жидкости упомянутого спиртового уровня 11 и последующего формирования предварительного цифрового потокового видеоизображения положения контура мениска газового пузырька в упомянутом спиртовом уровне 11.
Для этого при помощи цифровой видеокамеры 5 в течение времени, определённого продолжительностью сеанса геодезических измерений, ведётся видеозапись площадки с расположенным на ней жидкостным датчиком 3 горизонта, выполненным на основе спиртового уровня 11. В течение рабочего сеанса геодезических измерений компьютерной программой автоматически в программном блоке 13 с помощью, например, модуля Wemos D32 или ESP32 выполняется преобразование видеозаписи в раздельные кадры видеопотока в фотограмметрической системе координат в виде фотоизображений положения контура мениска газового пузырька в спиртовом уровня 11. Затем каждое фотоизображение в этой же компьютерной программе сегментируется для получения 2-канальных фотоизображений в целях экономии энергии на передачу данных.
10) Синхронно при помощи цифровой видеокамеры 21 в оптико-электронном регистрирующем блоке 9 принимающего реперного модуля 8 выполняется видеозапись изображения на экране 18 контура светового пятна лазерного луча от источника 12 лазерного излучения и последующего формирования предварительного цифрового потокового видеоизображения положения проекции светового пятна лазерного луча от источника 12 лазерного излучения на экране 18. Для этого в течение рабочего сеанса геодезических измерений компьютерной программой автоматически в программном блоке 27 с помощью, например, модуля Wemos D32 или ESP32 выполняется преобразование видеозаписи в фотограмметрической системе координат в раздельные кадры видеопотока в виде фотоизображений положения контура светового пятна лазерного луча от источника 12 лазерного излучения на экране 18. Затем каждое фотоизображение в этой же компьютерной программе сегментируется для получения 2-канальных фотоизображений в целях экономии энергии на передачу данных.
11) В программном блоке 13 в интерфейсном блоке 7 измерительного модуля 1 и в программном блоке 27 в интерфейсном блоке 10 принимающего реперного модуля 8 видеозаписи, преобразованные соответственно в 2-х канальные фотоизображения, синхронно записываются в блоки памяти 14 и 28 соответственно. Параллельно ведется запись в блоки 14 и 28 памяти, соответственно, и значения температуры внутри корпусов измерительного модуля 1 и принимающего реперного модуля 8 при помощи датчиков температуры 16 и 26, соответственно. Продолжительность видеозаписи определяется запасом заряда на накопителях программных блоков 15 и 24 в интерфейсных блоках 7 и 10, соответственно, в измерительном модуле 1 и принимающем реперном модуле 8.
12) Сегментированные 2-канальные фотоизображения положения контура мениска газового пузырька спиртового уровня 11 и сегментированные 2-канальные фотоизображения положения контура светового пятна лазерного луча от источника 12 лазерного излучения на экране 18 записывается на карты памяти блоков 14 и 28 при помощи процессоров программных блоков 13 и 27 в интерфейсных блоках 7 и 10, соответственно, в измерительном модуле 1 и принимающем реперном модуле 8.
13) Программные блоки 13 и 27 интерфейсных блоков 7 и 10, соответственно, в измерительном модуле 1 и принимающем реперном модуле 8, синхронно считывают записанную в блоках памяти 14 и 28 информацию и передают её на регистрирующую станцию 6 пользователя.
После завершения сеанса геодезических измерений программные блоки 15 и 24 интерфейсных блоков 7 и 10, соответственно, в измерительном модуле 1 и принимающем реперном модуле 8 выключают оптико-электронный измерительный блок 2 и оптико-электронный регистрирующий блок 9, соответственно, и инициализируют процесс передачи цифровых данных предварительного цифрового потокового видеоизображения с виде 2-канальных сегментированных фотоизображений, которые в форме сообщения из блоков 14 и 28 памяти интерфейсных блоков 7 и 10 приёма-передачи цифровых данных последовательно передаются, например, через УКВ (Lora SX1262) или Wifi (ESP32) модули, на регистрирующую станцию 6 пользователя на базе ПЭВМ с общим и прикладным ПО, предназначенную для сбора, хранения, получения предварительных цифровых потоковых видеоизображений и для последующей обработки цифровых данных. После завершения процесса передачи цифровых данных измерительной информации процессоры программных блоков 15 и 24 отключают программные блоки 13 и 27 и переходят в режим пониженного энергопотребления. Следующий сеанс геодезических измерений начинается заново с п. 2) порядка работы предлагаемого устройства в составе автоматизированной системы геодезического мониторинга контролируемого объекта.
14) При достижении критического уровня заряда на элементах питания контроллеры программных блоков 15 и 24 интерфейсных блоков 7 и 10, соответственно, в измерительном модуле 1 и принимающем реперном модуле 8 выдают команды на отключение оптико-электронного измерительного блока 2 и оптико-электронного регистрирующего блока 9, соответственно. Критический уровень заряда на элементах питания определяется минимально необходимым запасом электроэнергии для передачи записанной информации на регистрирующую станцию 6 пользователя.
15) На регистрирующей станции 6 пользователя на базе ПЭВМ с общим и прикладным ПО (или удалённого сервера), предназначенной для сбора, хранения, обработки предварительных цифровых потоковых видеоизображений, выполняется обработка сегментированных 2-канальных фотоизображений предварительного цифрового потокового видеоизображения: цифрового потокового видеоизображения положения контура мениска газового пузырька спиртового уровня 11 и цифрового потокового видеоизображения положения контура светового пятна лазерного луча от источника 12 лазерного излучения на экране 18 оптико-электронного регистрирующего блока 9, полученных от каждой пары измерительного модуля 1 и принимающего реперного модуля 8, посредством алгоритмов технологии компьютерного зрения в фотограмметрической системе координат, например, с помощью компьютерных программ библиотеки OpenCV, путём автоматического сравнения координат углов вспомогательных прямоугольников в фотограмметрической системе координат, описывающих текущее положение контура мениска газового пузырька в упомянутом спиртовом уровне 11 и контура светового пятна лазерного луча на экране 18 оптико-электронного регистрирующего блока 9, с координатами углов соответствующих прямоугольников, принятых за начальное (нулевое) положение в процессе установки измерительных модулей 1 и принимающих реперных модулей 8, после определения начальных (нулевых) значений вертикального смещения (
принимающего реперного модуля 8 относительно измерительного модуля 1 и начального угла наклона 
между источником 12 лазерного излучения и спиртовым уровнем 11 в жидкостном датчике горизонта 3 после начальной (нулевой) установки измерительных модулей 1 и принимающих реперных модулей 8 на контролируемом объекте в системе инструментальных наблюдений при геодезическом мониторинге контролируемого объекта.
Далее выполняется синхронное автоматическое преобразование перемещения контура мениска газового пузырька спиртового уровня 11 и контура светового пятна лазерного луча от источника 12 лазерного излучения в угол наклона контролируемого объекта при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях при помощи, например, регрессионных калибровочных моделей (калибровочных коэффициентов), полученных с помощью алгоритмов машинного обучения или методами регрессионного анализа, параметры которых записаны в базе данных геодезического мониторинга на регистрирующей станции 6 пользователя. Вычисленные значения угла наклона контролируемого объекта записываются в базу данных геодезического мониторинга для последующей обработки на регистрирующей станции 6 пользователя.
Затем цикл инициализации измерительного модуля 1 и принимающего реперного модуля 8 повторяется вновь.
На регистрирующей станции 6 пользователя при помощи компьютерной программы в автоматическом режиме посредством алгоритмов компьютерного зрения выполняется определение угла наклона контролируемого объекта за сеанс геодезических измерений. Вычисления выполняются по следующему алгоритму:
В результате принятых регистрирующей станцией 6 пользователя от измерительного модуля 1 и принимающего реперного модуля 8 сегментированных 2-канальных фотоизображений предварительного цифрового потокового видеоизображения сеансов геодезических измерений для цикла геодезического мониторинга выполняется оценка среднего значения изменения угла наклона 
контролируемого объекта, с функциональной зависимостью 
где f - функция, определяющая величину и направление угла наклона 
от величины и знака числителя х (вертикальное смещение принимающего реперного модуля 8 относительно измерительного модуля 1) и величины знаменателя у (удалённость принимающего реперного модуля 8 от измерительного модуля 1),
по формуле 
,
где 
- начальное (нулевое) значение вертикального смещения принимающего реперного модуля 8 относительно измерительного модуля 1;
- индекс эпохи наблюдения, на которую определяется среднее значение угла наклона контролируемого объекта;
- среднее значение расстояния в горизонтальном положении между измерительным модулем 1 и принимающим реперным модулем 8, вычисляется по формуле:
где 
- количество наблюдений в эпохе мониторинга j;
- измеренное расстояние между измерительным модулем 1 и принимающим реперным модулем 8, при помощи источника 12 лазерного излучения на момент наблюдения i , м;
- начальное (установочное) значение угла наклона лазерного луча (начальный (нулевой) угол наклона между источником 12 лазерного излучения и спиртовым уровнем 11 в жидкостном датчике горизонта 3 после начальной установки измерительного модуля 1 на контролируемом объекте. Определяется путём полигонометрических измерений с помощью высокоточного тахеометра, в процессе установки всех измерительных модулей 1);
- изменение угла наклона лазерного луча измерительного модуля 1 на момент наблюдения, полученное путём видеофиксации с помощью цифровой видеокамеры 5 перемещения контура мениска газового пузырька спиртового уровня 11 в жидкостном датчике 3 горизонта.
Значение 
определяется следующим образом. Для каждого фотоизображения, полученного с цифровой видеокамеры 5, выполняется:
1) Определение координат прямоугольника, описывающего видимый контур мениска газового пузырька спиртового уровня 11. Определение выполняется в фотограмметрической системе координат с помощью программы компьютерного зрения.
2) Вычисление положения центра газового пузырька по разности продольных координат (вдоль оси спиртового уровня 11) противоположных сторон прямоугольника.
3) Вычисление угла наклона измерительного модуля 1 по формуле:
,
где 
продольные координаты левой и правой сторон прямоугольника, описывающего контур мениска газового пузырька спиртового уровня 11, пиксели;
-цена деления цилиндрического спиртового уровня 11, нрад/пиксель;
- температура внутри корпуса измерительного модуля 1, зафиксированная с помощью датчика 16 температуры на момент наблюдения, °С;
- температура внутри датчика 16 температуры на опорную эпоху, °С;
- коэффициент температурного дрейфа нуля цилиндрического спиртового уровня 11, нрад/°С;
- среднее значение изменения превышения принимающего реперного модуля 8 над измерительным модулем 1 на j-вый сеанс (эпоху) наблюдения мм:
- оценка изменения превышения между контролируемыми точками на момент измерения относительно опорной эпохи 
, мм.
определяется по результатам измерений c измерительного модуля 1 и принимающего реперного модуля 8 по следующей формуле:
,
где 
- зафиксированная величина перемещения лазерного луча от источника 12 лазерного излучения по экрану 18 относительно опорной эпохи по направлению вверх-вниз, мм.
Значения вычисляются по фотоизображениям проекции светового пятна лазерного луча с цифровой видеокамеры 21 следующим образом:
1). При помощи программы компьютерного зрения контур светового пятна лазерного луча от источника 12 лазерного излучения на экран 18 описывается прямоугольником. По разности вертикальных и горизонтальных координат противоположных сторон прямоугольника вычисляется позиция его центра в координатах x, y.
2). Путем умножения координаты центра y на коэффициент чувствительности цифровой видеокамеры 21 к вертикальным перемещениям вычисляется величина :
где 
- поперечные координаты (верхней и нижней сторон) прямоугольника, описывающего контур светового пятна лазерного луча, пиксели;
- коэффициент чувствительности устройства к вертикальным перемещениям, полученный в ходе калибровки мм/пиксель;
- начальная разность высот между реперными точками на опорную эпоху 0, мм (калибровочный коэффициент).
По результатам выполненного сеанса геодезических измерений вычисленное значение записывается на регистрирующей станции 6 пользователя в базу данных геодезического мониторинга для последующего анализа деформационного состояния (стабильности) объекта мониторинга путём определения величин относительных изменений между опорной эпохой измерений
и текущей эпохой измерений 
в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях.
При необходимости, по результатам анализа серии сеансов и циклов геодезических измерений с помощью технологии искусственного интеллекта, например, реализуемых методами машинного обучения, которые включают, например, нейросети обратного распространения ошибки, выполняется оценка и прогноз деформационного состояния контролируемого объекта, оповещение пользователя автоматизированной системы геодезического мониторинга о состоянии контролируемых инженерных или природных объектов в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды, например, в районах вечной мерзлоты, с целью предиктивной диагностики целостности сооружений, а также оперативного обнаружения первичных признаков потери устойчивости сооружений и выработки чётких превентивных управляющих решений для предотвращения аварийных ситуаций на контролируемом объекте.
Таким образом, с помощью предлагаемого устройства в составе автоматизированной системы геодезического мониторинга углов наклона контролируемого объекта посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях, на контролируемом участке, например, в патерне бетонной плотины ГЭС или на поверхности горной выработки при разработке месторождений на опорных пунктах, включающих геодезические реперы, оснащенные предлагаемым устройством, выполняют измерения с помощью измерительного модуля 1 и принимающего реперного модуля 8 относительных перемещений контура мениска свободно плавающего газового пузырька в спиртовой жидкости в спиртовом уровне 11 и относительных перемещений контура светового пятна лазерного луча от источника 12 лазерного излучения на экране 18 оптико-электронного регистрирующего блока 9 с помощью цифровых видеокамер 5 и 21, соответственно, а данные результатов измерений перемещений контура мениска газового пузырька в полости капсулы спиртового уровня 11 и измерений перемещений контура светового пятна лазерного луча от источника 12 лазерного излучения на экране 18 оптико-электронного регистрирующего блока 9 получают в виде предварительных цифровых потоковых видеоизображений, которые передают в модуль 6 получения данных результатов измерений, выполненный в виде регистрирующей станции 6 пользователя на базе ПЭВМ с общим и прикладным ПО (или удалённого сервера) с возможностью сбора, хранения, обработки предварительных цифровых потоковых видеоизображений посредством алгоритмов технологии компьютерного зрения путём цифрового автоматического сравнения координат углов вспомогательных прямоугольников в фотограмметрической системе координат, описывающих текущее положение контура мениска газового пузырька в спиртовом уровне 11 и текущее положение контура светового пятна лазерного луча от источника 12 лазерного излучения на экране 18 оптико-электронного регистрирующего блока 9, с начальными (нулевыми) координатами углов этих прямоугольников, полученных при совместной юстировке измерительного модуля 1 и принимающего реперного модуля 8 на контролируемом объекте, и автоматического преобразования полученных цифровых значений относительных перемещений посредством исходных регрессионных калибровочных моделей (калибровочных коэффициентов), полученных с помощью алгоритмов машинного обучения или методами регрессионного анализа, в высокоточные значения углов наклона контролируемого объекта при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях.
Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет использовать его, в том числе для определения относительных вертикальных перемещений принимающего реперного модуля 8 в целях автоматического мониторинга осадок фундаментов контролируемых объектов. Устройство может использоваться в качестве замены сложным в использовании и дорогостоящим лазерным нивелирам и высокоточным цифровым нивелирам, использующихся в системах наблюдений автоматического мониторинга за стабильностью фундаментов.
Уровень технологической разработки предлагаемого технического решения и технической реализации выделяет его из ряда существующих устройств. Прежде всего это касается возможности применения предлагаемого технического решения в тестовой технологии при метрологической аттестации устройств в автоматизированных системах геодезического мониторинга планово-высотных смещений контролируемого объекта, так как предлагаемое устройство для высокоточного определения углов наклона контролируемого объекта при геодезическом мониторинге посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды даёт возможность:
- с высокой точностью выполнять оценку деформационного состояния контролируемых элементов объекта в режиме реального времени;
- с высокой точностью выполнять предиктивную диагностику целостности контролируемых элементов объекта;
- с высокой точностью получать информацию о первичных признаках потери устойчивости контролируемого объекта и на основании прогноза вырабатывать превентивные управляющие решения для предотвращения аварийных ситуаций на контролируемом объекте, тем самым повышать безопасность его эксплуатации.
Изобретение относится к области высокоточных геодезических измерений, к автоматизированным системам дистанционного определения пространственного положения контролируемого объекта в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях. Цифровой видеонаклономер содержит оптически, электрически и программно-логически связанные между собой измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок на основе жидкостного датчика горизонта, принимающий реперный модуль и модуль получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта на основе компьютерной обработки видеосигнала, содержащего видеокадры, выполненный в виде регистрирующей станции пользователя на базе ПЭВМ с общим и прикладным ПО с возможностью автоматического сбора, хранения, обработки и преобразования полученных цифровых данных геодезических измерений посредством алгоритмов программы компьютерного зрения в высокоточные значения углов наклона контролируемого объекта относительно горизонта. Технический результат - повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей на измерение, приём и обработку получаемых результатов измерений. 3 ил.
Цифровой видеонаклономер для высокоточного определения значений углов наклона контролируемого объекта, инженерного или природного, при геодезическом мониторинге посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях, содержащий электрически и оптически связанные между собой измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок на основе жидкостного датчика горизонта, источник света, позиционно-чувствительный фотоприёмник, формирующий видеосигнал с видеокадрами и модуль получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта на основе компьютерной обработки видеосигнала, содержащего видеокадры, отличающийся тем, что упомянутый измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок на основе жидкостного датчика горизонта, дополнительно снабжён интерфейсным блоком приёма-передачи цифровых данных и выполнен в едином корпусе с возможностью закрепления в заранее выбранных реперных точках на контролируемом объекте, инженерном или природном, создающих собой опорные пункты деформационной геодезической сети для геодезического мониторинга контролируемого объекта, в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях, причём упомянутый измерительный модуль также дополнительно снабжён принимающим реперным модулем, который также выполнен в закрытом корпусе с возможностью закрепления в заранее выбранных реперных точках на контролируемом объекте и связан с измерительным модулем посредством оптической и цифровой программно-логической связи через упомянутый модуль получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта на основе компьютерной обработки видеосигнала, содержащего видеокадры, с возможностью высокоточного определения значений углов наклона контролируемого объекта, при этом принимающий реперный модуль включает оптико-электронный регистрирующий блок и интерфейсный блок приёма-передачи цифровых данных программно-логически и электрически связанные между собой, а упомянутый модуль получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта на основе компьютерной обработки видеосигнала, содержащего видеокадры, соединённый посредством каналов цифровой программно-логической связи с измерительным модулем и принимающим реперным модулем, выполнен в виде регистрирующей станции пользователя на базе ПЭВМ с общим и прикладным ПО с возможностью сбора, хранения, обработки предварительных цифровых потоковых видеоизображений и последующего определения высокоточных значений углов наклона контролируемого объекта, инженерного или природного, посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях, причём в упомянутом измерительном модуле оптико-электронный измерительный блок включает позиционно-чувствительный фотоприёмник, формирующий видеосигнал с видеокадрами, в виде цифровой видеокамеры, установленной в верхней части корпуса над площадкой, на которой жёстко закреплён упомянутый жидкостный датчик горизонта, выполненный на основе спиртового уровня пузырькового типа, который содержит газовый пузырёк в спиртовой жидкости, герметично замкнутый в полости капсулы цилиндрической формы, при этом упомянутый спиртовый уровень конструктивно сопряжён с источником лазерного излучения и установлен в упомянутом корпусе жидкостного датчика горизонта в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры, а упомянутый источник света оптико-электронного измерительного блока выполнен в виде, по меньшей мере, двух светодиодов, расположенных над упомянутым спиртовым уровнем, для обеспечения освещённости в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры, необходимой для видеофиксации относительных перемещений контура мениска газового пузырька в спиртовой жидкости, герметично замкнутой в полости капсулы цилиндрической формы, упомянутого спиртового уровня и последующего формирования предварительного цифрового потокового видеоизображения положения контура мениска газового пузырька в упомянутом спиртовом уровне, при этом упомянутый позиционно-чувствительный фотоприёмник в виде цифровой видеокамеры оптико-электронного измерительного блока в измерительном модуле связан посредством цифровой программно-логической связи с программным блоком формирования и передачи цифровых данных интерфейсного блока приёма-передачи цифровых данных, выполненным с возможностью получения, обработки, формирования и передачи на упомянутый модуль получения данных результатов измерений предварительного цифрового потокового видеоизображения положения контура мениска газового пузырька в упомянутом спиртовом уровне, причём упомянутый программный блок формирования и передачи цифровых данных электрически и программно-логически связан с блоком памяти и с программным блоком зарядки и управления, при этом последний выполнен с возможностью накопления заряда питания и управления цифровой видеокамерой, светодиодами, датчиком температуры и источником лазерного излучения, размещённого в жидкостном датчике горизонта, где упомянутый источник лазерного излучения установлен соосно коллиматору, закреплённому на корпусе оптико-электронного измерительного блока, для проецирования лазерного луча на экран оптико-электронного регистрирующего блока через его входное окно, с возможностью обеспечения оптической связи упомянутых измерительного модуля и принимающего реперного модуля за счёт приспособления, снабжённого, по меньшей мере, тремя регулировочными опорами, для установки измерительного модуля в начальное положение путём наведения лазерного луча от упомянутого источника лазерного излучения через упомянутые коллиматор и входное окно на экран, жестко закреплённый в корпусе упомянутого оптико-электронного регистрирующего блока, с возможностью отражения лазерного луча на позиционно-чувствительный фотоприёмник в виде цифровой видеокамеры и с возможностью видеофиксации перемещения на экране текущего видеокадра контура светового пятна лазерного луча относительно начального положения, при этом принимающий реперный модуль предварительно жёстко установлен на реперной точке с помощью, по меньшей мере, трёх стационарных опор, тем самым обеспечивая создание оптической оси между измерительным модулем и принимающим реперным модулем на контролируемом объекте, при этом упомянутый интерфейсный блок приема-передачи цифровых данных измерительного модуля включает программный блок зарядки и управления, вход питания которого электрически связан с источником возобновляемой электроэнергии, а цифровые выходы электрически и программно-логически связаны с соответствующими цифровыми входами цифровой видеокамеры, по меньшей мере, двух светодиодов и источника лазерного излучения, при этом соответствующие цифровые входы/выходы электрически и программно-логически связаны с цифровым входом/выходом датчика температуры и цифровым входом/выходом программного блока формирования и передачи цифровых данных, полученных через цифровой вход/выход цифровой видеокамеры, предназначенный для постоянной передачи или передачи по запросу – появлению связи накопленной информации в виде предварительного цифрового потокового видеоизображения посредством цифровой программно-логической связи в программе упомянутого программного блока формирования и передачи цифровых данных на упомянутый модуль получения данных результатов измерений и передачи накопленной информации цифровых данных для резервного хранения в блок памяти, цифровой вход/выход которого электрически и программно-логически связан с соответствующим цифровым входом/выходом упомянутого программного блока формирования и передачи цифровых данных, причём интерфейсный блок приема-передачи цифровых данных принимающего реперного модуля включает программный блок зарядки и управления, выполненный с возможностью накопления заряда питания и управления цифровой видеокамерой, датчиком температуры и программным блоком формирования и передачи цифровых данных, при этом вход питания программного блока зарядки и управления электрически связан с возобновляемым источником электроэнергии, цифровой выход электрически и программно-логически связан с цифровой видеокамерой, а соответствующие цифровые входы/выходы электрически и программно-логически соединены с цифровым входом/выходом датчика температуры и цифровым входом/выходом программного блока формирования и передачи цифровых данных, полученных через цифровой вход/выход цифровой видеокамеры, предназначенный для постоянной передачи или передачи по запросу – появлению связи информации в виде предварительного цифрового потокового видеоизображения контура светового пятна лазерного луча от источника лазерного излучения на экране оптико-электронного регистрирующего блока, посредством цифровой программно-логической связи в программе упомянутого программного блока формирования и передачи цифровых данных на упомянутый модуль получения данных результатов измерений и передачи накопленной информации цифровых данных для резервного хранения в блок памяти, цифровой вход/выход которого электрически и программно-логически связан с соответствующим цифровым входом/выходом упомянутого программного блока формирования и передачи цифровых данных, при этом упомянутый программный блок формирования и передачи цифровых данных связан посредством цифровой программно-логической связи с упомянутым модулем получения данных результатов измерений, выполненным в виде регистрирующей станции пользователя на базе ПЭВМ с общим и прикладным ПО с возможностью сбора, хранения, обработки предварительных цифровых потоковых видеоизображений посредством алгоритмов технологии компьютерного зрения путём цифрового автоматического сравнения координат углов вспомогательных прямоугольников в фотограмметрической системе координат, описывающих текущее положение контура мениска газового пузырька в спиртовом уровне и текущее положение контура светового пятна лазерного луча от источника лазерного излучения на экране оптико-электронного регистрирующего блока, с начальными координатами углов этих прямоугольников, полученных при совместной юстировке измерительного модуля и принимающего реперного модуля на контролируемом объекте, и автоматического преобразования полученных цифровых значений относительных перемещений посредством исходных регрессионных калибровочных моделей, полученных с помощью алгоритмов машинного обучения или методами регрессионного анализа, в высокоточные значения углов наклона контролируемого объекта, инженерного или природного, при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в экстремальных климатических условиях.
| Способ высокоточного определения углов наклона контролируемого объекта, инженерного или природного, при геодезическом мониторинге посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды и устройство для его осуществления | 2022 |
|
RU2800188C1 |
| ВИДЕОНАКЛОНОМЕР | 2003 |
|
RU2258906C2 |
| ВИДЕОНАКЛОНОМЕР | 2009 |
|
RU2419071C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 4-АМИНО- ИЛИ 4-6-ДИАМИНО-2-КАРБОКСИ-ФЕНИЛ-ТИОГЛИКОЛЕВОЙ КИСЛОТЫ | 1937 |
|
SU58696A1 |
| JP 2004177392 A, 24.06.2004. | |||
