CN103033159B - 一种浅层地质位移监测与预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地质勘测技术，具体涉及一种浅层地质位移监测与预警系统及方法，该系统包括传感器模块、通信模块、信息处理模块和预警模块；当监测点发生地质变化时，角度传感器模块便能测到偏移量，通过通信模块将监测的偏移量传输至信息处理模块，信息处理模块将该偏移量换算成偏移位移，并根据偏移位移计算得到监测点的偏移中心和平均偏移值，然后再判断该平均偏移值是否满足预警条件，满足则向预警模块发出触发信息，预警模块根据收到的触发信息发出预警信号。该监测与预警系统及方法监测准确性高，实现了全天候、动态监测，同时，该监测系统的安装、使用和后期维护成本低，监测和预警方法易于操控，适合普遍推广。

Description

一种浅层地质位移监测与预警系统及方法

技术领域

本发明涉及一种地质勘测技术，具体涉及一种浅层地质位移监测与预警系统及方法。

背景技术

近年来，由于全球气候异常变化，导致地质灾害隐患也在不断增加，特别是随着人类活动的加剧和活动范围的不断扩大，造成的地质性破坏越来越多。地质灾害的形式主要表现在崩塌、滑坡、泥石流、地质塌陷、沉降等，究其原因，除气象因素外，浅层地质的位移是导致地质灾害的主要原因。

目前，对地质灾害传统的监测方法主要是通过群测群防和监测人员现场参与的方法，现有这些监测方法的缺陷在于：1、现有这些监测方法通常都采用人工操作、人工记录、人工计算的传统方式、人力和物力成本投入大，同时人工操作受地理环境、天气的影响大，而且操作的人员人身安全也无法得到完全的保证；2、由于数据是人工定期采集的，这就使得监测数据的采集量较小，监测数据难易准确描述，因此监测的准确性较低；3、人工采集数据到对监测数据进行处理往往需要较长的时间，这就使得到的监测结果具有一定的滞后性和延迟性，因此不能及时、迅速地对迅速地对地质灾害进行监测和预警，从而不能有效地起到事先防御地质灾害的功能；4、现有的监测方法无法实现全天候、动态监测，因此在将要发生地质灾害的地点和时段可能不能及时获得地质灾害发生前期的预兆信息，从而不能及时发出预警避免大量人员和财产的损失。

为解决传统监测方法存在的问题，人们研发出了对浅层地质的位移进行监测的新的技术手段，主要有地表位移形变GPS测量法、激光雷达测量法和合成孔径雷达干涉测量法等，这些监测手段，对浅层地质位移的绝对位移监测精确度高，但是这些监测手段使用的监测设备造价和维护成本都非常高，另外这些设备的使用对监测人员的素质要求也非常高，因此监测手段很难广泛普及。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是：提供一种能够全天候，动态监测，且监测精度高、造价和使用成本低的浅层地质位移监测与预警系统和方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种浅层地质位移监测与预警系统，其特征在于：包括传感器模块、通信模块、信息处理模块和预警模块；所述传感器模块由M个角度传感器构成，所述角度传感器用于监测其所分布位置的倾角，计算其监测的倾角的偏移量，并将所述偏移量传输至通信模块；所述通信模块用于将接收到的偏移量传输至信息处理模块；所述信息处理模块用于记录每个角度传感器对应的地理坐标和对其接收的偏移量进行存储，并将该偏移量换算成相应的偏移位移，再根据计算得到的偏移位移计算监测点的偏移中心和平均偏移值，同时计算监测点的偏移面积，然后判断计算出的平均偏移值是否满足预警条件，若满足预警条件向预警模块发出触发信号，并将偏移面积传输至预警模块；所述信息处理模块包括存储单元、数据转换单元、计算单元和判断单元；所述计算单元包括相互连接的第一计算子单元和第二计算子单元；所述存储单元用于记录每个角度传感器对应的地理坐标，并对接收到的通信模块传输的偏移量进行存储；所述数据转换单元将存储单元存储的偏移量转换成相应的偏移位移，然后再将偏移位移换算成偏移值，并将该偏移值和该偏移值对应的偏移位移传输至判断单元；所述判断单元中预设有最小偏移阀值和最大偏移阀值，判断单元将接收到的数据转换单元传输的偏移值与最小偏移阀值进行比较，将大于等于最小偏移阀值的偏移值和其对应的偏移位移传输给第一计算子单元，将小于最小偏移阀值的偏移值和其对应的偏移位移传输给第二计算子单元；所述第一计算子单元根据每个角度传感器对应的地理坐标和判断单元传输的偏移值对应的偏移位移计算监测点的偏移中心和平均偏移值，并将该偏移中心和平均偏移值传输给第二计算子单元；所述第二计算子单元根据第一计算子单元计算得到的偏移中心和判断单元传输的小于最小偏移阀值的偏移值对应的偏移位移计算出监测点的偏移面积，并将该偏移面积和第一计算子单元计算的平均偏移值传输至判断单元；所述判断单元将接收到的平均偏移值与最大偏移阀值进行比较，当该平均偏移值大于最大偏移阀值向预警模块发出触发信号，并将接收到的偏移面积传输至预警模块。所述预警模块用于根据接收到的触发信号发出预警信号。

所述数据转换单元采用如下换算方法将接收的偏移量换算成偏移位移：角度传感器长度为A，信息处理模块接收的监测点处在X轴和Y轴方向的偏移量分别是α和β，根据勾股定理和余弦定理，计算得到角度传感器在X轴和Y轴方向的偏移位移分别为：x＝A*cosα,y＝A*cosβ。

更进一步地，所述第一计算子单元采用如下算法计算得到监测点的偏移中心和平均偏移值，具体如下：

A1：所述判断单元传输的大于等于最小偏移阀值的每个偏移值均对应一个角度传感器，设判断单元传输的偏移值有Q个，该Q个偏移值对应Q个角度传感器，其中Q<M；

A2：设定监测点所在的监测区域范围的边界值，在监测点所在的监测区域范围内任选一个点C(x，y)作为监测点的中心，(x，y)表示所述监测区域范围内的监测点C的位置地理坐标，然后，分别计算每个角度传感器到C点的距离L，并将每个角度传感器的权值对应设定为1/L，再根据式(1)计算获得一个监测点在X轴的加权位移值Δx在Y轴的加权位移值Δy：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;x}=\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_i*\mathrm{\&Delta;}{x}_i\\ \mathrm{\&Delta;y}=\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_i*\mathrm{\&Delta;}{y}_i\end{array}\right.---\left(1\right);$

式(1)中， $M_i=k/L_i=\frac{k}{\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}},$ k为滑坡系数，Δx_i表示第i个角度传感器在X轴上的偏移位移，Δy_i表示第i个角度传感器在Y轴上的偏移位移；x_i和y_i表示第i个角度传感器的地理坐标；L_i表示第i个角度传感器的权值，i∈(1，2......Q)；

A3：根据步骤A2计算的结果，按照式(2)计算监测点的加权偏移值，

$f=\sqrt{\mathrm{\&Delta;}{x}^2+\mathrm{\&Delta;}{y}^2}---\left(2\right);$

A4：令监测点C的位置地理坐标(x，y)的取值遍历监测区域范围内的各个地理坐标点，

对监测区域范围内的各个位置地理坐标点对应的监测点C的加权偏移值利用混沌自适应粒子群优化算法进行优化，得到最优化的加权偏移值f_max及对应的x_max和y_max，将最优化的加权偏移值f_max作为监测点的平均偏移值，x_max和y_max确定的点为监测点的偏移中心，然后，将监测点的偏移中心和监测点的平均偏移值传输至第二计算子单元。

更进一步地，所述第二计算子单元采用如下算法计算得到监测点的偏移面积，具体如下：所述判断单元传输的小于最小偏移阀值的每个偏移值均对应一个角度传感器，设判断单元传输的偏移值有P个，且P＝M-Q，计算P个角度传感器到所述监测点的偏移中心的平均距离，然后再以该平均距离为半径根据圆的面积计算公式计算出该监测点的偏移面积。

一种浅层地质位移监测与预警的方法，具体步骤如下：

S1：确定监测地域，在确定的监测地域确定监测点的分布及具体位置；

S2：在步骤S1确定的监测点的具体位置周边分别安装N个角度传感器，其中M≥N≥5，

所述角度传感器用于监测其所分布位置的倾角，并将所监测的倾角转换成偏移量传输至通信模块；

S3：所述通信模块将接收到的偏移量传输至信息处理模块；

S4：所述信息处理模块记录每个角度传感器对应的地理坐标，并对其接收的偏移量进行存储，同时将该偏移量换算成相应的偏移位移，

S5：所述信息处理模块根据步骤S4换算得到的角度传感器在X轴和Y轴方向的偏移位移计算监测点的偏移中心、平均偏移值和偏移面积，然后判断计算出的平均偏移值是否满足预警条件，若满足预警条件向预警模块发出触发信号，并将偏移面积传输至预警模块；

S6：所述预警模块根据接收到的触发信号发出预警信号。

进一步地，所述信息处理模块包括存储单元、数据转换单元、计算单元和判断单元；所述计算单元包括相互连接的第一计算子单元和第二计算子单元；所述存储单元用于记录每个角度传感器对应的地理坐标，并对接收到的通信模块传输的偏移量进行存储；所述数据转换单元将存储单元存储的偏移量转换成相应的偏移位移，然后再将偏移位移换算成偏移值，并将该偏移值和该偏移值对应的偏移位移传输至判断单元；所述判断单元中预设有最小偏移阀值和最大偏移阀值，判断单元将接收到的数据转换单元传输的偏移值与最小偏移阀值进行比较，将大于等于最小偏移阀值的偏移值和其对应的偏移位移传输给第一计算子单元，将小于最小偏移阀值的偏移值和其对应的偏移位移传输给第二计算子单元；所述第一计算子单元根据每个角度传感器对应的地理坐标和判断单元传输的偏移值对应的偏移位移计算监测点的偏移中心和平均偏移值，并将该偏移中心和平均偏移值传输给第二计算子单元；所述第二计算子单元根据第一计算子单元计算得到的偏移中心和判断单元传输的小于最小偏移阀值的偏移值对应的偏移位移计算出监测点的偏移面积，并将该偏移面积和第一计算子单元计算的平均偏移值传输至判断单元；所述判断单元将接收到的平均偏移值与最大偏移阀值进行比较，当该平均偏移值大于最大偏移阀值向预警模块发出触发信号，并将接收到的偏移面积传输至预警模块。

所述数据转换单元采用如下换算方法将接收的偏移量换算成偏移位移：角度传感器长度为A，信息处理模块接收的监测点处在X轴和Y轴方向的偏移量分别是α和β，根据勾股定理和余弦定理，计算得到角度传感器在X轴和Y轴方向的偏移位移分别为：x＝A*cosα,y＝A*cosβ。

更进一步地，所述第一计算子单元采用如下算法计算得到监测点的偏移中心和平均偏移值，具体如下：

A1：所述判断单元传输的大于等于最小偏移阀值的每个偏移值均对应一个角度传感器，设判断单元传输的偏移值有Q个，该Q个偏移值对应Q个角度传感器，其中Q<N；

A2：设定监测点所在的监测区域范围的边界值，在监测点所在的监测区域范围内任选一个点C(x，y)作为监测点的中心，(x，y)表示所述监测区域范围内的监测点C的位置地理坐标，然后，分别计算每个角度传感器到C点的距离L，并将每个角度传感器的权值对应设定为1/L，再根据式(1)计算获得一个监测点在X轴的加权位移值Δx在Y轴的加权位移值Δy：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;x}=\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_i*\mathrm{\&Delta;}{x}_i\\ \mathrm{\&Delta;y}=\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_i*\mathrm{\&Delta;}{y}_i\end{array}\right.---\left(1\right);$

式(1)中， $M_i=k/L_i=\frac{k}{\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}},$ k为滑坡系数，Δx_i表示第i个角度传感器在X轴上的偏移位移，Δy_i表示第i个角度传感器在Y轴上的偏移位移；x_i和y_i表示第i个角度传感器的地理坐标；L_i表示第i个角度传感器的权值，i∈(1，2......Q)；

A3：根据步骤A2计算的结果，按照式(2)计算监测点的加权偏移值，

$f=\sqrt{\mathrm{\&Delta;}{x}^2+\mathrm{\&Delta;}{y}^2}---\left(2\right);$

A4：令监测点C的位置地理坐标(x，y)的取值遍历监测区域范围内的各个地理坐标点，

对监测区域范围内的各个位置地理坐标点对应的监测点C的加权偏移值利用混沌自适应粒子群优化算法进行优化，得到最优化的加权偏移值f_max及对应的x_max和y_max，将最优化的加权偏移值f_max作为监测点的平均偏移值，x_max和y_max确定的点为监测点的偏移中心，然后，将监测点的偏移中心和监测点的平均偏移值传输至第二计算子单元。

更进一步地，所述第二计算子单元采用如下算法计算得到监测点的偏移面积，具体如下：

所述判断单元传输的小于最小偏移阀值的每个偏移值均对应一个角度传感器，设判断单元传输的偏移值有P个，且P＝N-Q，计算P个角度传感器到所述监测点的偏移中心的平均距离，然后再以该平均距离为半径根据圆的面积计算公式计算出该监测点的偏移面积。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供了一种浅层地质位移监测与预警系统，选定监测区域，并在监测区域内确定监测点，在每个监测点的附件设置有角度传感器，角度传感器用于监测其所分布位置的倾角，计算其监测的倾角的偏移量，并将所述偏移量传输至通信模块；当监测点附近的浅层地质发生变化时，位于该监测点附件的角度传感器便能分别监测到其安装处的倾角，并将该倾角转换成偏移量，该偏移量经过通信模块和信息处理模块的处理后，当满足预警条件时预警模块便会自动发出预警信息，提示工作人员。可见，本发明的监测与预警系统完全是采用智能化的数据采集和数据处理，使用量较大的为角度传感器，而角度传感器是目前非常成熟的现有技术，且价格低廉，因此，其使用、调试和后期的维护都比较便宜和方便。

2、本发明监测与预警系统在监测区域确定多个监测点，在各个监测点附件安装角度传感器，这使得在本发明对监测区域的获得监测数据量较大，因此，监测数据可以更准确地描述该监测区域的地质变化情况。

3、本发明监测与预警系统及其方法中对监测数据的处理和采集几乎是同步进行的，并将混沌自适应粒子群优化算法计算应用到了监测数据的处理过程中，这不但提高了监测数据的处理速度，同时还能更准确地获得监测点的地质平均偏移值和偏移中心，从而提高了监测的准确性。

4、本发明的提供的监测与预警系统及其方法可以实现对监测区域全天候、动态监测，受地理条件和气候条件的影响较小，因此，能准确及时地获得地质灾害发生前期的预兆信息，从而能及时发出预警，尽可能地避免大量人员和财产的损失。

5、本发明提供的监测与预警系统及其方法中整个监测、数据处理和预警过程都是智能的，不需要人工记录和计算，对操作人员的专业技能和素质要求较低，因此，该监测和预警系统可适用于较偏远和人才的稀缺的地区，有利于其普遍推广。

附图说明

图1为浅层地质位移监测地理坐标图。

图2为浅层地质位移监测与预警系统组成示意图。

图3为实施例1浅层地质位移监测与预警系统的结构框图。

图中，角度传感器1，通信模块2，信息处理模块3，存储单元31，数据转换单元32，判断单元33，第一计算子单元34，第二计算子单元35，预警模块4。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。

实施例1：参见图2和图3所示：一种浅层地质位移监测与预警系统，包括传感器模块、通信模块2、信息处理模块3和预警模块4；

所述传感器模块由M个角度传感器1构成，M为自然数，一般地M的值越大，设置在该监测区域的角度传感器1的数量就越多，那么监测的灵敏度和精度就越高；角度传感器1用于检测其所分布位置的倾角，计算其检测的倾角的偏移量，并将所述偏移量传输至通信模块2；具体实施时可采用如下方法计算角度传感器1检测的倾角的偏移量，具体为：令角度传感器的初始倾角为(一般该初始倾角设为0)，角度传感器在某一监测时监测的倾角为t时刻角度传感器检测的倾角的偏移量为则有通信模块2用于将接收到的偏移量传输至信息处理模块；

信息处理模块3用于记录每个角度传感器对应的地理坐标和对其接收的偏移量进行存储，并将该偏移量换算成相应的偏移位移，再根据计算得到的偏移位移计算监测点的偏移中心和平均偏移值，同时计算监测点的偏移面积，然后判断计算出的平均偏移值是否满足预警条件，若满足预警条件向预警模块4发出触发信号，并将偏移面积传输至预警模块4；所述预警模块4用于根据接收到的触发信号发出预警信号。

本发明中的预警条件是根据监测区域地质条件的不同设置进行预先设定的，根据监测区域地质条件大致可以设置为极稳定、稳定、基本稳定、不稳定和极不稳定等五个级别，并每个等级对应相应的阀值，阀值由高到低。

为实现上述信息处理模块3的功能，其一定具有数据储存和数据处理功能，该信息处理模块3具有的上述数据处理功能可以通过现有的编程手法和器件实现，但是为了更进一步地提高信息处理模块3的数据处理速度，可采用如下技术方案作为优化：

所述信息处理模块3包括存储单元31、数据转换单元32、计算单元和判断单元33；所述计算单元包括相互连接的第一计算子单元34和第二计算子单元35；

所述存储单元31用于记录每个角度传感器对应的地理坐标，并对接收到的通信模块2传输的偏移量进行存储；

所述数据转换单元32将存储单元31存储的偏移量转换成相应的偏移位移，然后再将偏移位移换算成偏移值，并将该偏移值和该偏移值对应的偏移位移传输至判断单元33；数据转换单元应用现有技术中任何换算方法将偏移量转换成相应的偏移位移，优选采用如下方法：

角度传感器长度为A，信息处理模块接收的监测点处在X轴和Y轴方向的偏移量分别是α和β，根据勾股定理和余弦定理，计算得到角度传感器在X轴和Y轴方向的偏移位移分别为：x＝A*cosα,y＝A*cosβ。

所述判断单元33中预设有最小偏移阀值和最大偏移阀值，判断单元33将接收到的数据转换单元32传输的偏移值与最小偏移阀值进行比较，将大于等于最小偏移阀值的偏移值和其对应的偏移位移传输给第一计算子单元34，将小于最小偏移阀值的偏移值和其对应的偏移位移传输给第二计算子单元35；

所述第一计算子单元34根据每个角度传感器对应的地理坐标和判断单元33传输的偏移值对应的偏移位移计算监测点的偏移中心和平均偏移值，并将该偏移中心和平均偏移值传输给第二计算子单元35；

所述第二计算子单元35根据第一计算子单元34计算得到的偏移中心和判断单元33传输的小于最小偏移阀值的偏移值对应的偏移位移计算出监测点的偏移面积，并将该偏移面积和第一计算子单元34计算的平均偏移值传输至判断单元33；

所述判断单元33将接收到的平均偏移值与最大偏移阀值进行比较，当该平均偏移值大于最大偏移阀值向预警模块4发出触发信号，并将接收到的偏移面积传输至预警模块4。

信息处理模块3中的计算单元可采用现有的算法得到监测点的偏移中心、平均偏移值和偏移面积，为提高信息处理模块3的处理数据的速度，优选采用如下算法：第一计算子单元34采用如下算法计算得到监测点的偏移中心和平均偏移值，具体如下：

A1：所述判断单元33传输的大于等于最小偏移阀值的每个偏移值均对应一个角度传感器，每个偏移值同时也对应一个角度传感器在X轴的偏移位移和Y轴的偏移位移，设判断单元33传输的偏移值有Q个，该Q个偏移值对应Q个角度传感器，其中Q<N，判断单元33传输的偏移值有Q个，同时判断单元33也传输了Q个偏移值对应的角度传感器在X轴的偏移位移和Y轴的偏移位移；

A2：设定监测点所在的监测区域范围的边界值，在监测点所在的监测区域范围内任选一个点C(x，y)作为监测点的中心，(x，y)表示所述监测区域范围内的监测点C的位置地理坐标，然后，分别计算每个角度传感器到C点的距离L，并将每个角度传感器的权值对应设定为1/L，再根据式(1)计算获得一个监测点在X轴的加权位移值Δx在Y轴的加权位移值Δy：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;x}=\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_i*\mathrm{\&Delta;}{x}_i\\ \mathrm{\&Delta;y}=\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_i*\mathrm{\&Delta;}{y}_i\end{array}\right.---\left(1\right);$

式(1)中， $M_i=k/L_i=\frac{k}{\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}},$ k为滑坡系数，Δx_i表示第i个角度传感器在X轴上的偏移位移，Δy_i表示第i个角度传感器在Y轴上的偏移位移；x_i和y_i表示第i个角度传感器的地理坐标；L_i表示第i个角度传感器的权值，i∈(1，2......Q)；

A3：根据步骤A2计算的结果，按照式(2)计算监测点的加权偏移值，

$f=\sqrt{\mathrm{\&Delta;}{x}^2+\mathrm{\&Delta;}{y}^2}---\left(2\right);$

A4：令监测点C的位置地理坐标(x，y)的取值遍历监测区域范围内的各个地理坐标点，对监测区域范围内的各个位置地理坐标点对应的监测点C的加权偏移值利用混沌自适应粒子群优化算法进行优化，得到最优化的加权偏移值f_max及对应的x_max和y_max，将最优化的加权偏移值f_max作为监测点的平均偏移值，x_max和y_max确定的点为监测点的偏移中心，然后，将监测点的偏移中心和监测点的平均偏移值传输至第二计算子单元35。

实施例2：参见图1和图3，一种浅层地质位移监测与预警方法，具体步骤如下：

S1：确定监测地域，在确定的监测地域确定监测点的分布及具体位置；

S2：在步骤S1确定的监测点的具体位置周边分别安装八个角度传感器P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7和P8，该八个角度传感器分别监测其分布位置的倾角，采用实施例1中的计算方法将所述倾角分别转换成该八个角度传感器分布位置在X轴方向的偏移量，记为α₁，α₂，α₃，α₄，α₅，α₆，α₇，α₈和在Y轴方向的偏移量，记为β₁，β₂，β₃，β₄，β₅，β₆，β₇，β₈，并每个角度传感器将其在X轴方向的偏移量和在Y轴方向的偏移量传输至通信模块2；

S3：通信模块2将接收到的偏移量传输至信息处理模块3；

S4：所述信息处理模块3包括存储单元31、数据转换单元32、计算单元和判断单元33；所述计算单元包括相互连接的第一计算子单元34和第二计算子单元35；

S41：存储单元31记录下上述八个角度传感器对应的地理坐标，对接收的偏移量进行存储；

S42：数据转换单元将存储单元存储的偏移量转换成相应的偏移位移，优选采用如下方法将偏移量转换成相应的偏移位移：

角度传感器长度为A，信息处理模块接收的监测点处在X轴和Y轴方向的偏移量分别是α和β，根据勾股定理和余弦定理，计算得到角度传感器在X轴和Y轴方向的偏移位移分别为：x＝A*cosα,y＝A*cosβ。

具体地：设八个角度传感器P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8和的长度分别为A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7和A8，八个角度传感器分布位置在X轴方向的偏移量，记为α₁，α₂，α₃，α₄，α₅，α₆，α₇，α₈和在Y轴方向的偏移量，记为β₁，β₂，β₃，β₄，β₅，β₆，β₇，β₈，计算得到八个角度传感器在X轴的偏移位移为x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，x₆，x₇，x₈，在Y轴方向的偏移位移为y₁，y₂，y₃，y₄，y₅，y₆，y₇，y₈，再根据其中，y_k表示第k个角度传感器的偏移值，x_k表示第k个角度传感器在X轴的偏移位移，y_k表示第k个角度传感器在Y轴的偏移位移，k∈(1，2......8)，计算出八个角度传感器的偏移值，并将八个偏移值和八个偏移值对应的八个角度传感器在X轴的偏移位移及在Y轴方向的偏移位移传输至判断单元33；

S43：判断单元33中预设有最小偏移阀值和最大偏移阀值，判断单元33将接收到的八个角度传感器的偏移值与最小偏移阀值进行比较，将大于等于最小偏移阀值的五个偏移值和该五个偏移值对应的五个角度传感器P1，P2，P3，P4，P5在X轴的偏移位移x₁，x₂，x₃，x₄，x₅和在Y轴方向的偏移位移y₁，y₂，y₃，y₄，y₅传输给第一计算子单元34，将小于最小偏移阀值的三个偏移值和该三个偏移值对应的三个角度传感器P6，P7，P8在X轴的偏移位移x₆，x₇，x₈和在Y轴方向的偏移位移y₆，y₇，y₈传输给第二计算子单元35；

S44：第一计算子单元34在计算监测点的偏移中心和平均偏移值时，先设定监测点所在的监测区域S的边界值，再在监测点所在的监测区域S内任选一个点C(x，y)作为监测点的中心，(x，y)表示所述监测区域范围内的监测点C的位置地理坐标，然后，分别计算五个角度传感器P1，P2，P3，P4，P5到C点的距离L，并将五个角度传感器P1，P2，P3，P4，P5的权值对应设定为1/L，再根据式(1)计算获得一个监测点在X轴的加权位移值Δx在Y轴的加权位移值Δy：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;x}=\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_i*\mathrm{\&Delta;}{x}_i\\ \mathrm{\&Delta;y}=\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_i*\mathrm{\&Delta;}{y}_i\end{array}\right.---\left(1\right);$

式(1)中， $M_i=k/L_i=\frac{k}{\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}},$ k为滑坡系数，Δx_i表示第i个角度传感器在X轴上的偏移位移，Δy_i表示第i个角度传感器在Y轴上的偏移位移；x_i和y_i表示第i个角度传感器的地理坐标；L_i表示第i个角度传感器的权值，i∈(1，2......Q)；

S45：根据步骤S44计算的结果，按照式(2)计算监测点的加权偏移值，

$f=\sqrt{\mathrm{\&Delta;}{x}^2+\mathrm{\&Delta;}{y}^2}---\left(2\right);$

S46：令监测点C的位置地理坐标(x，y)的取值遍历监测区域范围内的各个地理坐标点，对监测区域范围内的各个位置地理坐标点对应的监测点C的加权偏移值利用混沌自适应粒子群优化算法进行优化，得到最优化的加权偏移值f_max及对应的x_max和y_max，将最优化的加权偏移值f_max作为监测点的平均偏移值，x_max和y_max确定的点为监测点的偏移中心，将监测点的偏移中心和监测点的平均偏移值传输至第二计算子单元35。

S5：第二计算子单元35在计算监测点的偏移面积时，首先计算角度传感器P6，P7和P8到监测点的偏移中心的平均距离，该平均距离可采用现有技术中平距离的计算方法，然后再以该平均距离为半径根据圆的面积计算公式，计算出监测点的偏移面积，第二计算子单元35将该监测点的偏移面积和接收到的监测点的平均偏移值传输至判断单元33；

S6：判断单元33将该平均偏移值与最大偏移阀值进行比较，当该平均偏移值大于或等于最大偏移阀值向预警模块4发出触发信号，并将收到的偏移面积传输至预警模块4；

S7：预警模块4根据接收到的触发信号发出预警信号。

在监测点安装角度传感器时，每个角度传感器的地理坐标均直接记录，并这些地理坐标存储于信息处理模块3中的存储单元31中。

本发明中第一计算子单元34在计算监测点的偏移中心和平均偏移值时利用了混沌自适应粒子群优化算法，混沌自适应粒子群优化算法(CLPSO)是一种现有的算法，该算法通过模拟鸟类捕食行为提出的基本粒子群优化算法(PSO)，是一种新的智能全局优化进化算法，它与蚁群算法、遗传算法类似，也采用“群体”和“进化”的概念，通过个体间的协作与竞争，实现最优解的搜索，能以较大概率找到问题的全局最优解，且计算效率比传统随机方法高，兼备并行处理、鲁棒性好等特点。

混沌自适应粒子群优化算法的主要思想是：随机初始化一群没有体积没有质量的粒子，每个粒子都是优化问题的一个可行解，并由目标函数确定一个适应值，然后通过叠代找到最优解。在每一次叠代中，粒子通过跟踪两个“极值”来更新自己的位置和速度。一个是粒子本身所找到的最优解，即个体极值pbest；另一个是整个种群目前找到的最优解，称之为全局极值gbest。粒子将追随当前的最优粒子而动，并经逐代搜索最后得到最优解。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种浅层地质位移监测与预警系统，其特征在于：包括传感器模块、通信模块、信息处理模块和预警模块；

所述传感器模块由M个角度传感器构成，所述角度传感器用于监测其所分布位置的倾角，计算其监测的倾角的偏移量，并将所述偏移量传输至通信模块；

所述通信模块用于将接收到的偏移量传输至信息处理模块；

所述信息处理模块用于记录每个角度传感器对应的地理坐标和对其接收的偏移量进行存储，并将该偏移量换算成相应的偏移位移，再根据计算得到的偏移位移计算监测点的偏移中心和平均偏移值，同时计算监测点的偏移面积，然后判断计算出的平均偏移值是否满足预警条件，若满足预警条件向预警模块发出触发信号，并将偏移面积传输至预警模块；

所述信息处理模块包括存储单元、数据转换单元、计算单元和判断单元；所述计算单元包括相互连接的第一计算子单元和第二计算子单元；

所述存储单元用于记录每个角度传感器对应的地理坐标，并对接收到的通信模块传输的偏移量进行存储；

所述数据转换单元将存储单元存储的偏移量转换成相应的偏移位移，然后再将偏移位移换算成偏移值，并将该偏移值和该偏移值对应的偏移位移传输至判断单元；

所述判断单元中预设有最小偏移阀值和最大偏移阀值，判断单元将接收到的数据转换单元传输的偏移值与最小偏移阀值进行比较，将大于等于最小偏移阀值的偏移值和其对应的偏移位移传输给第一计算子单元，将小于最小偏移阀值的偏移值和其对应的偏移位移传输给第二计算子单元；

所述第一计算子单元根据每个角度传感器对应的地理坐标和判断单元传输的偏移值对应的偏移位移计算监测点的偏移中心和平均偏移值，并将该偏移中心和平均偏移值传输给第二计算子单元；

所述第二计算子单元根据第一计算子单元计算得到的偏移中心和判断单元传输的小于最小偏移阀值的偏移值对应的偏移位移计算出监测点的偏移面积，并将该偏移面积和第一计算子单元计算的平均偏移值传输至判断单元；

所述判断单元将接收到的平均偏移值与最大偏移阀值进行比较，当该平均偏移值大于最大偏移阀值向预警模块发出触发信号，并将接收到的偏移面积传输至预警模块；

所述预警模块用于根据接收到的触发信号发出预警信号。

2.如权利要求1所述的浅层地质位移监测与预警系统，其特征在于：所述数据转换单元采用如下换算方法将接收的偏移量换算成偏移位移：

角度传感器长度为A，信息处理模块接收的监测点处在X轴和Y轴方向的偏移量分别是α和β，根据勾股定理和余弦定理，计算得到角度传感器在X轴和Y轴方向的偏移位移分别为：x＝A*cosα,y＝A*cosβ。

3.如权利要求2所述的浅层地质位移监测与预警系统，其特征在于：所述第一计算子单元采用如下算法计算得到监测点的偏移中心和平均偏移值，具体如下：

A1：所述判断单元传输的大于等于最小偏移阀值的每个偏移值均对应一个角度传感器，设判断单元传输的偏移值有Q个，该Q个偏移值对应Q个角度传感器，其中Q<M；

A2：设定监测点所在的监测区域范围的边界值，在监测点所在的监测区域范围内任选一个点C(x，y)作为监测点的中心，(x，y)表示所述监测区域范围内的监测点C的位置地理坐标，然后，分别计算每个角度传感器到C点的距离L，并将每个角度传感器的权值对应设定为1/L，再根据式(1)计算获得一个监测点在X轴的加权位移值△x在Y轴的加权位移值△y：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;x}=\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_i*\mathrm{\&Delta;}{x}_i\\ \mathrm{\&Delta;y}=\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_i*\mathrm{\&Delta;}{y}_i\end{array}\right.---\left(1\right);$

式(1)中， $M_i=k/L_i=\frac{k}{\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}},$ k为滑坡系数，△x_i表示第i个角度传感器在X轴上的偏移位移，△y_i表示第i个角度传感器在Y轴上的偏移位移；x_i和y_i表示第i个角度传感器的地理坐标；L_i表示第i个角度传感器的权值，i∈(1，2......Q)；

A3：根据步骤A2计算的结果，按照式(2)计算监测点的加权偏移值，

$f=\sqrt{\mathrm{\&Delta;}{x}^2+\mathrm{\&Delta;}{y}^2}---\left(2\right);$

A4：令监测点C的位置地理坐标(x，y)的取值遍历监测区域范围内的各个地理坐标点，

对监测区域范围内的各个位置地理坐标点对应的监测点C的加权偏移值利用混沌自适应粒子群优化算法进行优化，得到最优化的加权偏移值f_max及对应的x_max和y_max，将最优化的加权偏移值f_max作为监测点的平均偏移值，x_max和y_max确定的点为监测点的偏移中心，然后，将监测点的偏移中心和监测点的平均偏移值传输至第二计算子单元。

4.如权利要求3所述的浅层地质位移监测与预警系统，其特征在于：所述第二计算子单元采用如下算法计算得到监测点的偏移面积，具体如下：

所述判断单元传输的小于最小偏移阀值的每个偏移值均对应一个角度传感器，设判断单元传输的偏移值有P个，且P＝M-Q，计算P个角度传感器到所述监测点的偏移中心的平均距离，然后再以该平均距离为半径根据圆的面积计算公式计算出该监测点的偏移面积。

5.一种浅层地质位移监测与预警方法，其特征在于：采用权利要求1所述的浅层地质位移监测与预警系统，具体步骤如下：

S1：确定监测地域，在确定的监测地域确定监测点的分布及具体位置；

S2：在步骤S1确定的监测点的具体位置周边分别安装N个角度传感器，其中M≥N≥5，

所述角度传感器用于监测其所分布位置的倾角，并将所监测的倾角转换成偏移量传输至通信模块；

S3：所述通信模块将接收到的偏移量传输至信息处理模块；

S4：所述信息处理模块记录每个角度传感器对应的地理坐标，并对其接收的偏移量进行存储，同时将该偏移量换算成相应的偏移位移，

S5：所述信息处理模块根据步骤S4换算得到的角度传感器在X轴和Y轴方向的偏移位移计算监测点的偏移中心、平均偏移值和偏移面积，然后判断计算出的平均偏移值是否满足预警条件，若满足预警条件向预警模块发出触发信号，并将偏移面积传输至预警模块；

S6：所述预警模块根据接收到的触发信号发出预警信号。

6.如权利要求5所述的浅层地质位移监测与预警方法，其特征在于：所述数据转换单元采用如下换算方法将接收的偏移量换算成偏移位移：

角度传感器长度为A，信息处理模块接收的监测点处在X轴和Y轴方向的偏移量分别是α和β，根据勾股定理和余弦定理，计算得到角度传感器在X轴和Y轴方向的偏移位移分别为：x＝A*cosα,y＝A*cosβ。

7.如权利要求6所述的浅层地质位移监测与预警方法，其特征在于：所述第一计算子单元采用如下算法计算得到监测点的偏移中心和平均偏移值，具体如下：

A1：所述判断单元传输的大于等于最小偏移阀值的每个偏移值均对应一个角度传感器，设判断单元传输的偏移值有Q个，该Q个偏移值对应Q个角度传感器，其中Q<N；

A2：设定监测点所在的监测区域范围的边界值，在监测点所在的监测区域范围内任选一个点C(x，y)作为监测点的中心，(x，y)表示所述监测区域范围内的监测点C的位置地理坐标，然后，分别计算每个角度传感器到C点的距离L，并将每个角度传感器的权值对应设定为1/L，再根据式(1)计算获得一个监测点在X轴的加权位移值△x在Y轴的加权位移值△y：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;x}=\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_i*\mathrm{\&Delta;}{x}_i\\ \mathrm{\&Delta;y}=\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_i*\mathrm{\&Delta;}{y}_i\end{array}\right.---\left(1\right);$

式(1)中， $M_i=k/L_i=\frac{k}{\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}},$ k为滑坡系数，△x_i表示第i个角度传感器在X轴上的偏移位移，△y_i表示第i个角度传感器在Y轴上的偏移位移；x_i和y_i表示第i个角度传感器的地理坐标；L_i表示第i个角度传感器的权值，i∈(1，2......Q)；

A3：根据步骤A2计算的结果，按照式(2)计算监测点的加权偏移值，

$f=\sqrt{\mathrm{\&Delta;}{x}^2+\mathrm{\&Delta;}{y}^2}---\left(2\right);$

A4：令监测点C的位置地理坐标(x，y)的取值遍历监测区域范围内的各个地理坐标点，

对监测区域范围内的各个位置地理坐标点对应的监测点C的加权偏移值利用混沌自适应粒子群优化算法进行优化，得到最优化的加权偏移值f_max及对应的x_max和y_max，将最优化的加权偏移值f_max作为监测点的平均偏移值，x_max和y_max确定的点为监测点的偏移中心，然后，将监测点的偏移中心和监测点的平均偏移值传输至第二计算子单元。

8.如权利要求7所述的浅层地质位移监测与预警方法，其特征在于：所述第二计算子单元采用如下算法计算得到监测点的偏移面积，具体如下：

所述判断单元传输的小于最小偏移阀值的每个偏移值均对应一个角度传感器，设判断单元传输的偏移值有P个，且P＝N-Q，计算P个角度传感器到所述监测点的偏移中心的平均距离，然后再以该平均距离为半径根据圆的面积计算公式计算出该监测点的偏移面积。