CN110455259A - 一种地形监测装置及基于该装置的河道形态演变监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地形监测装置，包括筒状外壳、锥形头、第一温度传感器、第二温度传感器、传感器数据采集电路和密封塞，筒状外壳一端与锥形头密封连接，另一端采用密封塞密封，筒状外壳上设有第一开孔和第二开孔，第二开孔靠近锥形头，第一开孔和第二开孔之间的距离为筒状外壳长度的1/3～2/3，第一温度传感器和第二温度传感器分别穿过第一开孔和第二开孔，传感器数据采集电路位于筒状外壳内，第一温度传感器和第二温度传感器均通过数据线连接至传感器数据采集电路。本发明还公开了一种河道形态演变监测系统，包括信息采集装置、数据处理中心和若干地形监测装置。本发明地形监测装置可以实时获取的河道温度信息，本发明系统可以根据温度信息推出河道形态演变过程，监测灵活，测量高效。

Description

一种地形监测装置及基于该装置的河道形态演变监测系统

技术领域

本发明涉及河道监测技术，尤其涉及一种地形监测装置及基于该装置的河道形态演变监测系统。

背景技术

水坝在防洪、发电、灌溉、航运等方面发挥了重要作用，截止2017年底中国已建成各类水坝98795座，并且这一数据还在持续增加。水库运行时，下游河道常受高速水流侵蚀影响，局部岸坡受冲刷厉害，可能引起岸坡滑坡等问题，因此对坝下河道形态演变的实时监测显得尤为重要。在河道形态演变监测中，普遍采用的是定期测量方式，除了复杂的地形测量工作外，还需要长期监测和繁杂的后期工作，而欲获得更加精细的地形演变过程则必须增加测量次数。此外，目前现场测量常采用3S技术，但在需要精确水下地形特征时仍采用人力测量方法，然而这两种方法都无法实现实时监测。3S技术监测河道形态演变时，常通过遥感测量单元信息后，再用GIS软件对遥感数据进行处理，由于遥感测量和实际测量之间存在误差，并且不同遥感平台(飞机/无人机、卫星)具有不同测量精度，这就使得3S技术在小尺度高精度监测方面还不够成熟，此外飞机/无人机遥测时还需长期重复测量。人力定期测量方法作为传统方法，精度较高，但工作量巨大。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种地形监测装置及基于该装置的河道形态演变监测系统，尤其适用于坝下河道，所述地形监测装置可以实时自动获取河道温度信息，用于河道形态演变监测，所述监测系统可以根据地形监测装置实时获取的河道温度信息，推出河道形态演变过程，监测时段灵活，测量过程高效，可实现实时连续监测。

技术方案：本发明所述的地形监测装置包括筒状外壳、锥形头、第一温度传感器、第二温度传感器、传感器数据采集电路和密封塞，所述筒状外壳一端与所述锥形头密封连接，另一端采用密封塞密封，所述筒状外壳上设有第一开孔和第二开孔，第二开孔靠近锥形头，第一开孔和第二开孔之间的距离为筒状外壳长度的1/3～2/3，所述第一温度传感器和第二温度传感器分别穿过第一开孔和第二开孔，使得部分裸露于筒状外壳外，所述传感器数据采集电路位于所述筒状外壳内，所述第一温度传感器和第二温度传感器均通过数据线连接至所述传感器数据采集电路。

进一步的，所述装置还包括状态指示灯，所述状态指示灯位于筒状外壳外，并通过密封塞连接所述传感器数据采集电路。

进一步的，所述装置还包括电源和无线通信模块，所述电源和无线通信模块位于所述筒状外壳内，所述电源为整个装置供电，所述无线通信模块连接所述传感器数据采集电路。

进一步的，所述装置还包括光纤连接线和电源连接线，所述光纤连接线和电源连接线均从密封塞穿插入筒状外壳，并连接到所述传感器数据采集电路。

本发明所述的河道形态演变监测系统包括信息采集装置、数据处理中心和若干上述地形监测装置，其中：

所述地形监测装置大致等间隔的埋于河道的河岸带地下水水位以下，并使第一和第二温度传感器朝向河岸沉积物；

所述信息采集装置与所述地形监测装置连接，用于采集所有地形监测装置中的第一温度传感器和第二温度传感器的温度数据，并发送至数据处理中心；

所述数据处理中心用于根据记录的每个地形监测装置所在监测位点的初始时刻侧向含水层厚度值，反推出各监测位点含水层沉积物热扩散率k_e，再根据各采样时刻所有监测位点的第一温度传感器和第二温度传感器的温度振幅及相位，更新各采样时刻所有监测位点的侧向含水层厚度值，再通过对侧向含水层厚度值进行时间上和位置上的插值得到整个河道的侧向含水层厚度随时间的变化图，即河道形态演变动态图。

进一步的，所述数据处理中心计算含水层沉积物热扩散率k_e所采用的公式为：

式中，P表示地形监测装置的采样周期，Δz⁰表示初始时刻侧向含水层厚度值，分别表示初始时刻第一温度传感器、第二温度传感器的温度振幅，分别表示初始时刻第一温度传感器、第二温度传感器的温度相位。

进一步的，所述数据处理中心更新各采样时刻的侧向含水层厚度值所采用的公式为：

式中，Δz^t表示t时刻侧向含水层厚度值，P表示地形监测装置的采样周期，分别表示t时刻第一温度传感器、第二温度传感器的温度振幅，分别表示t时刻第一温度传感器、第二温度传感器的温度相位。其中，所述温度振幅和温度相位具体是通过对温度信息进行傅里叶变换后提取得到的。

进一步的，所述信息采集装置可通过有线或无线方式向数据处理中心发送数据。当所述地形监测装置发生工作异常时，则通过所述信息采集装置向数据处理中心发送装置异常报警信息，当所述地形监测装置采集的温度波动大于预设阈值时，则通过所述信息采集装置向数据处理中心发送地质异常预警信息。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1)高效性。目前人工现场监测方法和3S测量方法需要长期测量，且需要大量后期处理工作，其过程极其繁琐，费时费力，而此监测系统基本实现自动化监测，后期直接输出结果，监测期间通过网络查看工作状态，使得工作效率大大提高；

2)连续性。该系统可实现实时动态监控，能够实时显示坝下河道形态的动态演变过程，有利于加深对水库泄水过程影响下的河道形态演变机制的理解；

3)灵活性。本系统监测时段可灵活设置，可设定为水库泄水时自动监测，不泄水时设置为不监测或监测时间间隔变长。此外，监测单元布设密度也可根据岸坡冲淤情况和精度要求灵活布设；

4)边坡安全预警作用。河岸岸坡稳定性降低后发生崩塌或溃岸前，一般会提前在河岸内部出现裂隙或孔隙度增大的现象，此时温度信息会发生异常波动，由此可一定程度上预测岸边带崩塌和溃岸等事件，提前预警。

附图说明

图1是本发明提供的地形监测装置的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的河道形态演变监测系统的一个实施例的系统框图；

图3是地形监测装置安装位置示意图；

图4是数据处理中心执行的数据处理方法的流程示意图；

图5是温度传感器采集的温度信息示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种地形监测装置，如图1所示，包括筒状外壳101、锥形头102、第一温度传感器103、第二温度传感器104、传感器数据采集电路105和密封塞106，整个装置完全密封，图1中所示地形监测装置整体长55厘米、外径4厘米、内径3.6厘米、锥形体长5厘米，筒状外壳101为PVC管，筒状外壳101一端与锥形头102密封连接，封口处用聚丙乙烯108填充，另一端采用密封塞106密封，筒状外壳101上设有第一开孔和第二开孔，第二开孔靠近锥形头102，第一开孔和第二开孔之间的距离应当为筒状外壳长度的1/3～2/3，本实施例中为20cm，在其他实施例中，也可以选择该范围内的其他值，根据实际情况在该范围内选择即可。第一温度传感器103、第二温度传感器104分别穿过第一开孔和第二开孔，使得部分裸露于筒状外壳101外，可直接与外部接触，其灵敏度为0.1℃，传感器数据采集电路105位于筒状外壳101内，第一温度传感器103、第二温度传感器104均通过数据线107连接至传感器数据采集电路105。该装置还设有状态指示灯109，状态指示灯109位于筒状外壳101外，并通过密封塞106连接传感器数据采集电路105，状态指示灯109具体为发光二极管，不同状态颜色不同。该装置采用有线方式与其他装置连接，因此还包括光纤连接线和电源连接线110，均从密封塞106穿插入筒状外壳101，并连接到传感器数据采集电路105。筒状外壳101外壁上从第二温度传感器104至顶端刻有长度刻度，用于测量初始时刻侧向含水层厚度Δz⁰(即内侧传感器至水-土界面间含水层的厚度，内侧传感器是第一传感器或第二传感器中更靠近河岸的传感器)。

本实施例还提供了一种河道形态演变监测系统，如图2所示，包括若干实施例1中的地形监测装置1、信息采集装置2和数据处理中心3。

如图2所示，所述地形监测装置1大致等间隔(2-3米，可根据精度要求和冲淤情况设置)的埋于河道的河岸带地下水水位以下，并使第一和第二温度传感器朝向河岸沉积物。具体现场安装时，如图3所示安装方式一，对于冲淤较弱、水位波动不大的河段，通过在水面以下20～30厘米处向河岸侧向水平方向插入狭长的土壤取样铲，将地形监测装置置于沉积物中(传感器向下)，并在插入管道的同时侧向置换沉积物，随后收回铲子，让原始沉淀物沉积在管道周围；对于冲淤强烈、水位波动较大的河段，在河岸距河岸线50厘米处，用狭长的土壤取样铲垂直向下挖掘至地下水面下30～50厘米，将地形监测装置传感器向下置于沉积物中，并恢复河岸原始地貌，为避免大水流冲刷和布线方便，还可以按照安装方式二安装，即锥形头可朝向水流方向，但需在远程工作平台中设定第一温度传感器和第二温度传感器数据交换。安装后记录地形监测装置水平方向内侧传感器至水-土界面的含水层厚度。地形监测装置通电未测量时状态指示灯为红色，正常监测时为绿色。

所述信息采集装置2与所述地形监测装置1连接，可以为有线或无线连接，所述信息采集装置2用于采集所有地形监测装置中的第一温度传感器和第二温度传感器的温度数据，并发送至数据处理中心3。若采用无线连接，则信息采集装置2包括采集仪和无线传输设备(RTU)，河岸两侧各地形监测装置通过光纤与采集仪连接，同时连接地形监测装置的还有电源线，采集仪通过RTU将采集的数据传输到数据处理中心。采集仪和RTU通常在河岸两侧各布置一套，对于较窄的河流可在一侧布置后，可将连接另一侧监测单元的光纤和电源线从河流上空穿过。正常监测时，各地形监测装置通过光纤将将温度信息传至采集仪整理，采集仪通过RTU将温度信息传至数据处理中心。当某个地形监测装置发生工作异常时，地形监测装置会立即向采集仪报警，同时工作状态指示灯变红(方便现场直接找到异常监测单元位置)，采集仪通过RTU将报警信息传回数据处理中心；当某地形监测装置温度陡变或温度波动较大时(温度波动异常范围可人为设置)，也会向数据处理中心发送异常值预警，预测该区域可能将发生大规模冲刷甚至崩岸事件。温度监测时间间隔可人为设定，默认设置1小时。在数据处理中心的监测单元列表中能直接观测工作状态、实时温度信息及侧向含水层厚度，也可查看某一监测位点历史温度信息和含水层厚度。

所述数据处理中心3用于根据温度信息推出河道形态演变动态，具体过程如图4所示，包括：

1)根据记录的每个地形监测装置所在监测位点的初始时刻侧向含水层厚度值，反推出各监测位点含水层沉积物热扩散率k_e，采用的公式为：

式中，P表示地形监测装置的采样周期，Δz⁰表示初始时刻侧向含水层厚度值，分别表示初始时刻第一温度传感器、第二温度传感器的温度振幅，分别表示初始时刻第一温度传感器、第二温度传感器的温度相位。

2)根据各采样时刻所有监测位点的第一温度传感器和第二温度传感器的温度振幅及相位，更新各采样时刻所有监测位点的侧向含水层厚度值，所采用的公式为：

式中，Δz^t表示t时刻侧向含水层厚度值，P表示地形监测装置的采样周期，分别表示t时刻第一温度传感器、第二温度传感器的温度振幅，分别表示t时刻第一温度传感器、第二温度传感器的温度相位。其中，所述温度振幅和温度相位具体是通过对温度信息进行傅里叶变换后提取得到的，如图5所示。

3)耦合各监测位点位置信息并利用插值函数对同时刻每个监测位点侧向含水层实时厚度插值优化得到河道形态，再耦合不同时刻的河道形态，生成河道形态演变动态图。其中，各监测位点位置信息具体为GPS位置信息，可以根据GPS定位仪测量得到，也可以根据已有河道地形图标记得到。如果是监测的水库泄水时的温度，则可以得到水库泄水影响下的河道形态演变动态图。数据中心中获得的数据有：各监测装置各时刻温度序列、侧向含水层厚度、含水层厚度变化量，优化的河道形态图以及河道形态动态演变图。

实施例2

本实施例提供了另一种地形监测装置，该装置与实施例1地形监测装置的区别仅在于：该装置采用无线方式与其他装置连接，因此不包括光纤连接线和电源连接线110，但是包括电源和无线通信模块，电源和无线通信模块均位于筒状外壳内，电源为整个装置供电，无线通信模块连接传感器数据采集电路，无线通信模块具体可以是GPRS、3G、4G、5G、WIFI、蓝牙中任意一种。

本实施例还提供了另一种河道形态演变监测系统，与实施例1系统的区别仅在于：其包括的地形监测装置为本实施例中所述地形监测装置。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种地形监测装置，其特征在于：包括筒状外壳、锥形头、第一温度传感器、第二温度传感器、传感器数据采集电路和密封塞，所述筒状外壳一端与所述锥形头密封连接，另一端采用密封塞密封，所述筒状外壳上设有第一开孔和第二开孔，第二开孔靠近锥形头，第一开孔和第二开孔之间的距离为筒状外壳长度的1/3～2/3，所述第一温度传感器和第二温度传感器分别穿过第一开孔和第二开孔，使得部分裸露于筒状外壳外，所述传感器数据采集电路位于所述筒状外壳内，所述第一温度传感器和第二温度传感器均通过数据线连接至所述传感器数据采集电路。

2.根据权利要求1所述的地形监测装置，其特征在于：所述装置还包括状态指示灯，所述状态指示灯位于筒状外壳外，并通过密封塞连接所述传感器数据采集电路。

3.根据权利要求1所述的地形监测装置，其特征在于：所述装置还包括电源和无线通信模块，所述电源和无线通信模块位于所述筒状外壳内，所述电源为整个装置供电，所述无线通信模块连接所述传感器数据采集电路。

4.根据权利要求1所述的地形监测装置，其特征在于：所述装置还包括光纤连接线和电源连接线，所述光纤连接线和电源连接线均从密封塞穿插入筒状外壳，并连接到所述传感器数据采集电路。

5.一种河道形态演变监测系统，其特征在于：包括信息采集装置、数据处理中心和若干如权利要求1-4中任意一项所述的地形监测装置，其中：

所述地形监测装置大致等间隔的埋于河道的河岸带地下水水位以下，并使第一和第二温度传感器朝向河岸沉积物；

所述信息采集装置与所述地形监测装置连接，用于采集所有地形监测装置中的第一温度传感器和第二温度传感器的温度数据，并发送至数据处理中心；

所述数据处理中心用于根据记录的每个地形监测装置所在监测位点的初始时刻侧向含水层厚度值，反推出各监测位点含水层沉积物热扩散率k_e，再根据各采样时刻所有监测位点的第一温度传感器和第二温度传感器的温度振幅及相位，更新各采样时刻所有监测位点的侧向含水层厚度值，再通过对侧向含水层厚度值进行时间上和位置上的插值得到整个河道的侧向含水层厚度随时间的变化图，即河道形态演变动态图。

6.根据权利要求5所述的河道形态演变监测系统，其特征在于：所述数据处理中心计算含水层沉积物热扩散率k_e所采用的公式为：

式中，P表示地形监测装置的采样周期，Δz⁰表示初始时刻侧向含水层厚度值，分别表示初始时刻第一温度传感器、第二温度传感器的温度振幅，分别表示初始时刻第一温度传感器、第二温度传感器的温度相位。

7.根据权利要求5所述的河道形态演变监测系统，其特征在于：所述数据处理中心更新各采样时刻的侧向含水层厚度值所采用的公式为：

式中，Δz^t表示t时刻侧向含水层厚度值，P表示地形监测装置的采样周期，分别表示t时刻第一温度传感器、第二温度传感器的温度振幅，分别表示t时刻第一温度传感器、第二温度传感器的温度相位。

8.根据权利要求6或7所述的河道形态演变监测系统，其特征在于：所述温度振幅和温度相位具体是通过对温度信息进行傅里叶变换后提取得到的。

9.根据权利要求5所述的河道形态演变监测系统，其特征在于：所述信息采集装置通过有线或无线方式向数据处理中心发送数据。

10.根据权利要求5所述的河道形态演变监测系统，其特征在于：当所述地形监测装置发生工作异常时，则通过所述信息采集装置向数据处理中心发送装置异常报警信息，当所述地形监测装置采集的温度波动大于预设阈值时，则通过所述信息采集装置向数据处理中心发送地质异常预警信息。