CN105976569A - 一种滑坡灾害监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑坡灾害监测系统及方法，包括数据监测设备模块，数据监测设备模块上连接有数据传输模块，数据传输模块上连接有数据接收模块，数据传输模块和数据监测设备模块上连接有为其供电的供电模块，其中：数据监测设备模块包括用于监测降雨量的雨量监测仪、用于监测滑坡土体体积含水量的体积含水量监测仪以及用于监测滑坡表面位移的GPS设备。本发明能够通过实时监测滑坡表面位移、降雨强度以及土体体积含水量，总结土体含水量对降雨的响应情况及边坡的变形特征，从而判断边坡可能滑动的空间形态和发展趋势，及时捕捉坡体灾害的特征信息，对边坡失稳破坏的时间及范围及时的做出预测。

Description

一种滑坡灾害监测系统及方法

技术领域

本发明涉及边坡灾害监控领域，具体涉及一种滑坡灾害监测系统及方法。

背景技术

我国黄土面积大约63万km²，约占国土面积6.6％，而黄土滑坡是黄土中最常见的一种地质灾害，每年发生的滑坡高达百个，统计表明：我国仅陕西省就已经发生黄土滑坡1131处，兰州地区1300余处，甘肃省东部4576处，由于黄土特殊的结构性及其对水的敏感性，如何减少其带来的损失成为了国家性的难题，而随着经济的发展，西部大型工程的增多，黄土滑坡的监测预警引起了政府部门及相关科研人员的重视，而其监测预警工作更是处于探索阶段，许多科研人员也致力于监测预报黄土滑坡课题研究上，一些学者基于GPRS无线传输实现了黄土滑坡监测的自动化；一些学者在此基础上运用了GIS、GPS、3S等先进技术，实现了地质灾害分析预测与管理，但是由于黄土滑坡致灾因素复杂多样，孕灾机制和发育规律不明，黄土滑坡的预警预报难度很高，仍然处于探索阶段，很难做到稳定的远距离长时间监测，而且精度不能保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种滑坡灾害监测系统及方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明能够长时间的得到边坡表面位移、降雨量、土体体积含水量的实时数据，通过实时监测滑坡表面位移、降雨强度以及土体体积含水量，能够总结土体含水量对降雨的响应情况及边坡的变形特征，从而判断边坡可能滑动的空间形态和发展趋势，及时捕捉坡体灾害的特征信息，对边坡失稳破坏的时间及范围及时的做出预测。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种滑坡灾害监测系统，包括数据监测设备模块，数据监测设备模块上连接有数据传输模块，数据传输模块上连接有数据接收模块，数据传输模块和数据监测设备模块上连接有为其供电的供电模块，其中：数据监测设备模块包括用于监测降雨量的雨量监测仪、用于监测滑坡土体体积含水量的体积含水量监测仪、用于监测滑坡表面位移的GPS设备以及用于实时监控边坡动态的摄像系统。

进一步地，供电模块包括电源。

进一步地，数据传输模块包括单片机、GPRS设备、MOXA设备，雨量监测仪和体积含水量监测仪的输出端均连接至单片机，单片机与GPRS设备相连，GPRS设备通过GPRS网络与数据接收模块相连；

GPS设备的输出端连接至MOXA设备，MOXA设备通过光纤收发器连接至交换机，交换机的输出端与数据接收模块相连。

进一步地，光纤收发器包括第一光纤收发器以及第二光纤收发器，第一光纤收发器和第二光纤收发器通过光缆连接，第一光纤收发器的输入端与MOXA设备的输出端相连，第二光纤收发器的输出端与交换机的输入端相连。

进一步地，数据接收模块包括数据接收中心，数据接收中心的输入端与交换机的输出端相连，数据接收中心的输出端连接至远程数据接收中心，且GPRS设备通过GPRS网络与远程数据接收中心相连。

进一步地，摄像系统与数据接收中心相连。

一种滑坡灾害监测方法，包括以下步骤：

步骤一：通过雨量监测仪、体积含水量监测仪以及GPS设备分别监测滑坡的降雨量、土体体积含水量以及表面位移；

步骤二：将监测到的滑坡降雨量、土体体积含水量以及表面位移通过数据传输模块传输至数据接收模块；

步骤三：通过对降雨量和土体含水量的监测，对滑坡体可能发生的失稳破坏的时间和范围及时做出预测；通过对滑坡表面位移的监测，对坡体可能滑动的空间性态及发展趋势进行预测。

进一步地，数据传输模块包括单片机、GPRS设备、MOXA设备，雨量监测仪和体积含水量监测仪的输出端均连接至单片机，单片机与GPRS设备相连，GPRS设备通过GPRS网络与数据接收模块相连；

GPS设备的输出端连接至MOXA设备，MOXA设备通过光纤收发器连接至交换机，交换机的输出端与数据接收模块相连。

进一步地，光纤收发器包括第一光纤收发器以及第二光纤收发器，第一光纤收发器和第二光纤收发器通过光缆连接，第一光纤收发器的输入端与MOXA设备的输出端相连，第二光纤收发器的输出端与交换机的输入端相连。

进一步地，数据接收模块包括数据接收中心，数据接收中心的输入端与交换机的输出端相连，数据接收中心的输出端连接至远程数据接收中心，且GPRS设备通过GPRS网络与远程数据接收中心相连。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明系统通过设置雨量监测仪、体积含水量监测仪，将采集到的数据信号传入到数据传输模块，然后通过数据传输模块传输到数据接收模块，这样就实现了滑坡表面位移、降雨强度以及滑坡不同深度含水量数据的远程稳定传输。本发明能够长时间的得到边坡表面位移、降雨量、土体体积含水量的实时数据，通过实时监测滑坡表面位移、降雨强度以及土体体积含水量，能够总结土体含水量对降雨的响应情况及边坡的变形特征，从而判断边坡可能滑动的空间形态和发展趋势，及时捕捉坡体灾害的特征信息，对边坡失稳破坏的时间及范围及时的做出预测。

本发明方法通过对降雨量和土体含水量的监测，综合分析监测数据，总结土体含水量对降雨的响应情况，对滑坡体可能发生的失稳破坏的时间和范围及时做出预测；对边坡的表面位移和内部位移监测，可以对边坡自监测以来的的变形历史进行分析，判断坡体的变形特征，确定可能失稳范围及以后的变化特征，预测坡体可能滑动的空间性态及发展趋势；长时间连续对坡体进行视频监测，结合数据监测结果，总结坡体变形规律，及时捕捉坡体灾害的特征信息，事先提出预报、预警，减轻灾害损失。

附图说明

图1是本发明滑坡灾害监测系统的简易结构框图；

图2是本发明滑坡灾害监测系统的详细结构框图；

图3是本发明的GPRS设备的结构示意图；

图4是本发明的MOXA设备的结构示意图；

图5是本发明在实际应用中的现场布置图；

图6是本发明在实际应用中的降雨强度、土体体积含水量监测图。

其中，1为供电模块，2为数据监测设备模块，3为数据传输模块，4为数据接收模块，5为电源，6为GPRS设备，7为雨量监测仪，8为体积含水量监测仪，9为GPS设备，10为MOXA设备，11为第一光纤收发器，12为光缆，13为第二光纤收发器，14为交换机，15为数据接收中心，16为单片机，17为GPRS网络，18为远程数据接收中心，19为摄像系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1至图4所示，本发明提供了一种滑坡灾害监测系统，包括数据监测设备模块2，数据监测设备模块2上连接有数据传输模块3，数据传输模块3和数据监测设备模块2均与供电模块1相连，数据传输模块3上连接有数据接收模块4，其中：数据监测设备模块2包括雨量监测仪7、体积含水量监测仪8、GPS设备9、摄像系统19。供电模块1包括电源5。数据传输模块3包括单片机16、GPRS设备6、MOXA设备10，单片机16与GPRS设备6相连，GPRS设备6通过GPRS网络17与数据接收模块4相连，MOXA设备10与GPS设备9相连，光纤收发器的输入端与MOXA设备10的输出端相连，光纤收发器的输出端连接有交换机14，交换机14的输出端与数据接收模块4相连。光纤收发器包括第一光纤收发器11以及第二光纤收发器13，且第一光纤收发器11和第二光纤收发器13通过光缆12连接，第一光纤收发器11的输入端与MOXA设备10的输出端相连，第二光纤收发器13的输出端连接有交换机14。数据接收模块4包括数据接收中心15，数据接收中心15的输入端与交换机14的输出端相连，数据接收中心15的输出端与远程数据接收中心18相连，且GPRS设备6通过GPRS网络17与远程数据接收中心18相连，摄像系统19与数据接收中心15相连。

本发明的工作过程为：电源5给GPRS设备6、雨量监测仪7、体积含水量监测仪8、GPS设备9、MOXA设备10与摄像系统19供电，他们正常运行，雨量监测仪7、体积含水量监测仪8将采集到的数据信号传入到单片机16，然后通过GPRS设备6传输到远程数据接收中心18，GPS设备9将数据信号传入MOXA设备10，再通过介质光缆12传入交换机14收集，交换机14将汇集的数据信号传入数据接收中心15，进而传入远程数据接收中心18。这样就实现了滑坡表面位移、降雨强度以及滑坡不同深度含水量数据的远程稳定传输以及滑坡实时动态的监测。

本发明的系统连接方式为：

如图1、2所示，电源5分别与GPRS设备6、雨量监测仪7、体积含水量监测仪8、GPS设备9、MOXA设备10和摄像系统19相连，雨量监测仪7、体积含水量监测仪8与单片机16相连；

单片机16与GPRS设备6相连，GPRS设备6通过GPRS网络17与远程数据接收中心18相连。

GPS设备9和MOXA设备10相连，MOXA设备10与第一光纤收发器11相连，第一光纤收发器11通过光缆12与第二光纤收发器13相连，第二光纤收发器13与交换机14相连，交换机14与数据接收中心15相连，数据接收中心15与远程数据接收中心18相连，摄像系统19与数据接收中心15相连。

校检GPRS设备6的连接情况，如图3所示，打开电源开关，为GPRS设备6供电，若PWR灯闪烁，说明GSM网络注册不成功，PWR灯常亮，即GPRS设备完成了GSM网络注册，若LINK灯常亮，说明GPRS设备6已经连接到GPRS服务器，若DATA灯闪烁，GPRS设备6正在接收数据到接收机上，总之，为GPRS设备6供电以后，PWR灯常亮，LINK灯常亮，DATA灯闪烁，说明此时GPRS设备6在正常的运行，正在接收数据到接收机。

校检MOXA设备10的连接情况：如图4所示，当MOXA设备10运转正常以后，Ready灯常亮，LINK灯闪烁，Tx/Rx灯不亮，并间隔一段时间闪烁一次，说明MOXA设备10在正常运行，详细MOXA设备10的工作指示灯说明见表1。

表1MOXA设备指示灯说明表

本发明的滑坡灾害监测系统工作原理：

(1)表面位移监测原理：基于卫星GNSS系统，GPS设备9获取稳定的监测点GPS数据，通过MOXA设备10以网络信号形式传输给室外第一光纤接收器11，室外第一光纤接收器11通过光缆12以光信号形式将数据传给室内第二光纤收发器13，室内第二光纤收发器13以网络信号的形式将数据传给交换机14，交换机14将汇集数据以网络信号的形式传入数据接收中心15，然后在远程数据接收中心18。

(2)土体体积含水量、降雨量监测原理：基于GPRS无线传输技术，降雨量监测仪7、体积含水量监测仪8将采集到的数据信号传输到远程数据接收中心18。

这样就实现了滑坡土体体积含水量、表面位移、降雨强度数据的稳定远程传输，同时结合实时的边坡监控信息，为边坡失稳机理提供科学依据。

本发明采集的数据包括土体含水量、降雨量、边坡表面绝对位移、边坡内部相对位移。含水量的监测采用的AQUA-TEL-TDR土壤水分传感器：土体中的体积含水量与其表现出来的介电常数成一定的函数关系，土体体积含水量监测仪探针之间的电容与介质常数成正比关系，经过模拟信号与数字信号的转换、单片机运算处理，即可获得与土体体积含水量成正比的线性电流信号。降雨量监测采用的是漏斗式雨量筒，承水口收集到雨水注入计量翻斗中，翻斗分为两个斗室，两个斗室轮流接水，雨水体积达到一定值时，一个翻斗倒空斗里的水，另一个斗又开始接水，斗室翻转一次，就会发出脉冲信号。边坡表面位移的测量基于GPS设备，设定一个基准点，由于GPS卫星实时发送电磁波，GPS设备即可获得监测点的经纬度和三维坐标，并实时传输到数据接收模块，通过结算和基准点的位置偏差，得出边坡表面位移的变化量，边坡内部相对位移采用拉伸式位移计。

本发明数据传输采用无线与有线传输的结合：无线传输系统基于GPRS设备根据其串口参数，直接设置接收电脑的相关参数与之匹配，本发明采用的GPRS设备遵守Comway协议(北京天同诚业科技有限公司基于TCP/IP协议开发的通信协议)，安装Comway无线串口软件ComWayWlSerial，添加新的串口映射并命名，同时添加GPRS设备，然后添加已经命名好的虚拟串口，并在GPRS设备中插入SIM卡，这样含水量监测数据就会通过无线网络传输到远程接收计算机上。有线传输系统基于Moxa串口服务器，遵守TCP/IP协议，设置PC机的IP地址与Moxa串口服务器一致，修改相关的串口配置参数，设置端口管理，然后进行moxa设备的校检，GPS设备将数据信号传输到Moxa设备，以光缆为传输介质，并由交换机进行数据汇集，然后传输到现场接收计算机上，远程接收计算机上通过预设网址来访问。

数据采集端采用了实时法报数据的方式，为了了解边坡的含水量与降雨量变化，采用每小时间隔接收联络信号，远程数据采集端采用软件VisualBasic软件编制，并将程序烧入单片机中，其作用是将监测仪器的电流信号、脉冲信号转化为可以读取代表被监测对象信息的物理信号。单片机控制A/D转换器将传感器采集的模拟数据转换为数字量，通过RS-232C串行接口可以对GPRS模块设置参数，由于GPRS网络支持TCP/IP协议，所以通过收发IP数据包来传送数据。此时，远程数据接收中心向GGSN发送的所有包含IP报文的PPP报文都会被传送给Intemet网中相应的IP地址，从而完成终端数据采集端数据的读取，同时各个监测对象可以设置一个报警阈值，超过阈值就会在采集端发出警告提示。

边坡表面绝对位移和视频监控数据信号要先传输到现场数据接收中心，经过现场数据接收中心数据统计、处理在远程进行访问，现场数据接收中心由交换机与分析计算机组成，交换机负责汇集传输系统传来的数据信号并将接收的信号传递给计算机，然后计算机对接收的信号进行分析处理，储存、共享发布。数据接收中心主要采用Trimble-4D软件进行GPS网的统一平差解算，将采集到监测站的GPS信息及对应观测值的GPS时间等信息直接传输到Trimble-4D软件中相应的GPS点位下“Storage”中进行存储，Trimble-4D软件中的“Post Processing Engine”模块每一小时对数据进行解算，实时传输传输边坡表面绝对位移变化信息，提供边坡的地图视图和数据实时图表视图，实现监测对象及监测数据的实时性和可视化，软件中可以设置有相关险情预警标准，当监测期间内的日变形量发展到一定数值时，监测系统会发出预警通报。

本发明利用GPRS无线网络技术与有线传输技术的结合，基于GPS中的GNSS系统，实时稳定的传输边坡表面绝对位移、内部绝对位移、土体体积含水量、降雨量等信息，实现了边坡的实时监测和自动化监测，利用视频监控新技术，可以提供边坡的地图视图和实时的数据图表视图，实现了监测对象及监测数据的可视化。

同时监测系统设置了自动报警系统，系统中心自带预警模型，可以预设3个等级的预警阈值，超过预警阈值监测中心就会发出警报提示，同时开通了手机短信功能，报警的同时会向工作人员发出警报短信。

通过对降雨量和土体含水量的监测，综合分析监测数据，总结土体含水量对降雨的响应情况，对滑坡体可能发生的失稳破坏的时间和范围及时做出预测；对边坡的表面位移和内部位移监测，可以对边坡自监测以来的的变形历史进行分析，判断坡体的变形特征，确定可能失稳范围及以后的变化特征，预测坡体可能滑动的空间性态及发展趋势；长时间连续对坡体进行视频监测，结合数据监测结果，总结坡体变形规律，及时捕捉坡体灾害的特征信息，事先提出预报、预警，减轻灾害损失。

下面结合具体实施例做进一步说明：

任家城高边坡位于西安市周至县，坡上临任家城村，坡下临于家坡典村，坡脚中心坐标：34°10′18.63″N，108°02′09.64″E。坡体纵向长约70m，横向宽约700m，坡体整体坡度变化比较大，边坡上部整体近乎直立，下部坡度在35°-45°之间，坡顶有许多拉张裂缝和落水洞出露，而当地村民的在边坡下面建有许多窑洞，造成了边坡张应力增大，再加上边坡高度临空，坡面形成了许多卸荷裂缝，裂缝张开度较大，裂缝倾向近乎垂直，而窑洞周围张应力集中，使得边坡下部和坡脚坍塌、塌陷严重，使得村民不得不开挖边坡坡脚，开挖边坡坡脚使得边坡坡度越来越大，拉张裂缝越来越发育，边坡现在整体处于稳定状态，局部呈现蠕动变形阶段。

通过野外实际考察，结合黄土边坡的特征，该自动化监测系统选择布置6个表面GPS位移监测点，一个基准位移监测点，2个内部位移监测点，一个降雨量监测点，一个土体体积含水量监测点，设有4处视频监控摄像头，坡上两处，坡下两处，同时边坡上安装了两处现场报警滑坡接触式预警器(如图5)。

坡体变形监测分为表面绝对位移和内部相对位移监测，坡体表面绝对位移采用GPS表面位移信号传感器，在监测点处安装水泥墩，里面布置传感器，建立一个基准站，基准站选择在坡下村民院中，基准站要设置在变形体以外的稳定区域,建立便于长期保存的标志，监测中所测的变形量是监测点相对于基准站的绝对位移。传感器可以发射GPS信号，采集频率为1小时，反馈监测点的三维坐标，然后数据处理系统会记录每次的采集数据，从而进行表面绝对位移结算；深部位移采用拉伸式位移计，坡体中央打入两处平硐，其工作原理：监测平硐底部沿坡向的水平位移变化，即达到监测坡体内部位移的目的，具体实施方式为在平硐底面修建两个监测标志点，分别为基桩和移动桩,基桩选择在没有位移变化的坡体深部，位移计固定在基桩上，位移计监测钢丝绳另一端固定在移动桩上，钢丝绳的位移变化即为监测点的变形量。

由于黄土有特殊的性质，对水比较敏感，而且黄土灾害多与水有关，所以监测土体的体积含水量就显得格外重要，而黄土中降雨入渗深度有限，故土体含水量监测仪布置深度选为20cm、50cm、100cm、150cm、200cm，体积含水量监测仪误差<3％。

黄土地区的滑坡多是由于降雨诱发，降雨入渗会导致边坡内部土体含水量增加，从而改变土体的物理力学特性参数，从而诱发灾害滑坡，对降雨的实时监测，可以获取降雨量与边坡土体体积含水量之间对应关系，降雨监测利用的是漏斗式雨量筒进行监测，自动雨量站监测精度是0.2mm，可以实现实时传输监测点降雨数据，图6显示的是监测系统在不同监测点的土体含水量与降雨强度关系。

Claims (10)

1.一种滑坡灾害监测系统，其特征在于，包括数据监测设备模块(2)，数据监测设备模块(2)上连接有数据传输模块(3)，数据传输模块(3)上连接有数据接收模块(4)，数据传输模块(3)和数据监测设备模块(2)上连接有为其供电的供电模块(1)，其中：数据监测设备模块(2)包括用于监测降雨量的雨量监测仪(7)、用于监测滑坡土体体积含水量的体积含水量监测仪(8)、用于监测滑坡表面位移的GPS设备(9)以及用于实时监控边坡动态的摄像系统(19)。

2.根据权利要求1所述的一种滑坡灾害监测系统，其特征在于，供电模块(1)包括电源(5)。

3.根据权利要求1所述的一种滑坡灾害监测系统，其特征在于，数据传输模块(3)包括单片机(16)、GPRS设备(6)、MOXA设备(10)，雨量监测仪(7)和体积含水量监测仪(8)的输出端均连接至单片机(16)，单片机(16)与GPRS设备(6)相连，GPRS设备(6)通过GPRS网络(17)与数据接收模块(4)相连；

GPS设备(9)的输出端连接至MOXA设备(10)，MOXA设备(10)通过光纤收发器连接至交换机(14)，交换机(12)的输出端与数据接收模块(4)相连。

4.根据权利要求3所述的一种滑坡灾害监测系统，其特征在于，光纤收发器包括第一光纤收发器(11)以及第二光纤收发器(13)，第一光纤收发器(11)和第二光纤收发器(13)通过光缆(12)连接，第一光纤收发器(11)的输入端与MOXA设备(10)的输出端相连，第二光纤收发器(13)的输出端与交换机(14)的输入端相连。

5.根据权利要求3所述的一种滑坡灾害监测系统，其特征在于，数据接收模块(4)包括数据接收中心(15)，数据接收中心(15)的输入端与交换机(14)的输出端相连，数据接收中心(15)的输出端连接至远程数据接收中心(18)，且GPRS设备(6)通过GPRS网络(17)与远程数据接收中心(18)相连。

6.根据权利要求5所述的一种滑坡灾害监测系统，其特征在于，摄像系统(19)与数据接收中心(15)相连。

7.一种采用权利要求1所述系统的滑坡灾害监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过雨量监测仪(7)、体积含水量监测仪(8)以及GPS设备(9)分别监测滑坡的降雨量、土体体积含水量以及表面位移；

步骤二：将监测到的滑坡降雨量、土体体积含水量以及表面位移通过数据传输模块(3)传输至数据接收模块(4)；

步骤三：通过对降雨量和土体含水量的监测，对滑坡体可能发生的失稳破坏的时间和范围及时做出预测；通过对滑坡表面位移的监测，对坡体可能滑动的空间性态及发展趋势进行预测。

8.根据权利要求7所述的滑坡灾害监测方法，其特征在于，数据传输模块(3)包括单片机(16)、GPRS设备(6)、MOXA设备(10)，雨量监测仪(7)和体积含水量监测仪(8)的输出端均连接至单片机(16)，单片机(16)与GPRS设备(6)相连，GPRS设备(6)通过GPRS网络(17)与数据接收模块(4)相连；

GPS设备(9)的输出端连接至MOXA设备(10)，MOXA设备(10)通过光纤收发器连接至交换机(14)，交换机(12)的输出端与数据接收模块(4)相连。

9.根据权利要求8所述的滑坡灾害监测方法，其特征在于，光纤收发器包括第一光纤收发器(11)以及第二光纤收发器(13)，第一光纤收发器(11)和第二光纤收发器(13)通过光缆(12)连接，第一光纤收发器(11)的输入端与MOXA设备(10)的输出端相连，第二光纤收发器(13)的输出端与交换机(14)的输入端相连。

10.根据权利要求8所述的滑坡灾害监测方法，其特征在于，数据接收模块(4)包括数据接收中心(15)，数据接收中心(15)的输入端与交换机(14)的输出端相连，数据接收中心(15)的输出端连接至远程数据接收中心(18)，且GPRS设备(6)通过GPRS网络(17)与远程数据接收中心(18)相连。