CN110542708A - 一种滑坡预警系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种滑坡预警系统及方法，该系统包括无人机及安装于无人机上的滑坡预警平台，滑坡预警平台包括嵌入式处理设备及与嵌入式处理设备连接的航空摄影设备、GPS定位设备、电源、时移电法探测系统，航空摄影设备用于对工作区域进行拍照和摄像，获得工作区域的照片和视频；时移电法探测系统用于按照地面站设置的工作区域GPS坐标，通过无人机在设定的探测点部署两个电测传感器并测得工作区域的电阻率，根据照片和视频以及工作区域的电阻率进行滑坡风险结果分析。本发明通过无人机部署优化的时移电法探测系统，能覆盖偏僻或山高陡坡等平常依靠人力难以部署传感器的区域，也能结合图像识别的技术，融合上述方法的优点，提高预警工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及滑坡预警领域，具体是一种滑坡预警系统及方法。
背景技术
滑坡是指斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或者软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动的自然现象。
滑坡涉及到环境地质、水文地质和工程地质等诸多问题。目前滑坡预警有人工巡查，滑坡区域部署铺设传感器，对滑坡区域进行图像识别等方式。在实际操作中，上述方法各有难以克服的缺点。比如人工巡查方式需要消耗大量人力物力，通常盲区多，效率低，预警时间短；通过滑坡区域部署传感器只能针对重点和少数区域，对于大量偏僻或山高陡坡的地方难以部署；对滑坡区域进行图像识别的方式还不成熟，建模困难，或图像精度不够，导致预警困难。
时移电法是一种间接地球物理勘探手段，探测的基本原理是在施工面通过供电电测传感器向地下供入直流电，形成人工电场，然后利用测量电测传感器，通过仪器观测电场分布情况，研究不同隐患所引起的电场变化。在理想情况下，可将施工面视为均质体，其电阻率在垂直和水平方向变化不大，电场分布均匀；当施工面存在隐患比如滑坡风险时，均质体被破坏，导致电场分布发生变化，反映在隐患位置上所观测电阻率发生变化，结合施工面材料性质、地质情况等可以推断出隐患的性质、部位和埋深。
传统的时移电法探测系统包括电测传感转换器、多功能电测仪、若干个电测传感器和电测线组成，如图1所示。电测传感器等间距设于测量面上，多个电测传感器组成一条电测线，电测线通过电测传感电缆连接电测传感转换器。传统的时移电法探测系统需要部署多个电测传感器和多条电测线。在某些山高坡陡，难以部署的滑坡面，人力难以到达或者人力有限，很难部署时移电法探测系统。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种滑坡预警系统及方法，通过无人机部署优化的时移电法探测系统，能节省大量人力、线缆和传感器，能覆盖偏僻或山高陡坡等平常依靠人力难以部署传感器的区域，也能结合图像识别的技术，融合上述方法的优点，解决上述方法的问题和隐患，提高预警工作效率。
一种滑坡预警系统，包括无人机及安装于无人机上的滑坡预警平台，所述滑坡预警平台包括嵌入式处理设备及与嵌入式处理设备连接的航空摄影设备、GPS定位设备、电源、时移电法探测系统，所述航空摄影设备用于对工作区域进行拍照和摄像，获得工作区域的照片和视频；所述时移电法探测系统用于按照地面站设置的工作区域GPS坐标，通过无人机在设定的探测点部署两个电测传感器并测得工作区域的电阻率，根据航空摄影设备获得的照片和视频以及时移电法探测系统获得的工作区域的电阻率进行滑坡风险结果分析。
进一步的，所述时移电法探测系统包括两个电测传感器、供电电缆、电阻采集设备，两个电测传感器工作时与供电线缆和电阻采集设备连接，电源在嵌入式处理设备控制下通过供电线缆给两个电测传感器提供工作电源，电阻采集设备用于采集两个电测传感器之间的电压和电流，从而获取两个电测传感器之间的电阻率，并将所测的电阻率数据传送至嵌入式处理设备。
进一步的，所述无人机机体下方设有两个向下设置的支架，两个电测传感器分别安装在两个支架上，两个电测传感器之间距离1～2米。
进一步的，所述电测传感器为T字形，下面是尖锥形。
进一步的，所述电测传感器外壳采用铅合金制成。
一种滑坡预警方法，采用上述的滑坡预警系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、通过无人机搭载的航空摄影设备对工作区域进行拍照和摄像，获得工作区域的照片和视频；
步骤二、通过无人机搭载的时移电法探测系统对工作区域的电阻率进行探测，获得工作区域的电阻率；
步骤三、根据步骤一获得的工作区域的照片和视频以及步骤二获得的工作区域的电阻率进行滑坡风险结果分析。
进一步的，所述步骤二具体包括如下步骤：
1)操作人员通过人工操作或者自动设定的方式，通过地面站设置工作区域GPS坐标，并设定若干个探测点，探测点为矩阵式分布，有若干行和若干列，每行都在一条直线上；
2)无人机根据地面站设置工作区域GPS坐标，选择某一行或某一列的一个探测点，在探测点上部署两个电测传感器，电测传感器通过供电电缆连接；
3)无人机通过嵌入式处理设备启动电源，通过供电线缆给两个电测传感器供电，以启动两个电测传感器开始数据测量；
4)无人机通过电阻采集设备采集两个电测传感器之间的电压和电流，从而获取两个电测传感器之间的电阻率，电阻采集设备将测得电阻率回传给嵌入式处理设备；
5)重复步骤2)至4)，直到矩阵里所有的探测点都测量完毕。
进一步的，步骤2)在部署两个电测传感器时，无人机停在探测点的地面上，无人机的支架接触地面，无人机利用重力，或者启动螺旋桨反向施加压力，将电测传感器插入泥土中约20cm深。
进一步的，所述步骤三中根据步骤一获得的工作区域的照片和视频进行滑坡风险结果分析具体步骤是：操作人员根据步骤一获取的工作区域的照片和视频，采用人工识别或图像识别的技术进行滑坡风险判断，具体的，操作人员实时的观察实时图像来判断滑坡风险，或者通过计算机自动对比同一位置、不同时间的图片来识别变化，自动判断滑坡风险。
进一步的，所述步骤三中根据步骤二获得的工作区域的电阻率进行滑坡风险结果分析具体步骤为：根据步骤二获取的工作区域基于不同时间点的电阻率变化，得到工作区域随时间变化的时移电阻率层析图，根据所述电阻率层析图鉴别和动态追踪滑坡风险，具体的，每次对所有的探测点测量完毕之后，获得一个电测面的电阻率数据，对电阻率数据进行二维反演，并对不同时间点的二维反演结果进行多次的迭代、拟合和反演，得到单个电测面电阻率数据的等值线变化趋势，然后再对多个电测面的等值线变化趋势进行空间维度和时间维度上的正则化处理，获取探测面的时移电阻率层析图的自动成像。
本发明通过无人机部署一种优化的时移电法探测系统，传统的时移电法探测系统包括几十个电测传感器和多条线缆，每条线缆长达几十米，非常笨重，而且传统的时移电法探测系统需要人工部署，测量设备非常多，部署工作非常繁重；而本发明优化的时移电法探测系统只需要部署一根1m～2m的线缆和两个电测传感器，能节省大量测量设备以及能节省大量人力、线缆和传感器，能覆盖偏僻或山高陡坡等平常依靠人力难以部署传感器的区域，也能结合图像识别的技术，融合上述方法的优点，解决上述方法的问题和隐患，提高预警工作效率，可用于滑坡、水库塌岸等场景。
附图说明
图1是传统的时移电法探测系统部署结构图；
图2是本发明滑坡预警系统的结构示意图；
图3是本发明中时移电法探测系统的电路原理框图；
图4是本发明中两个电测传感器的结构示意图；
图5是采用本发明中的时移电法探测系统的探测流程图；
图6是本发明中时移电法探测系统的测量点布局图。
图中：1—无人机，2—嵌入式处理设备，3—航空摄影设备，4—GPS定位设备，5—电源，6—时移电法探测系统，11—无人机机体，12—支架，61—电测传感器A，62—电测传感器B，63—供电线缆，64—电阻采集设备。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图2所示，本发明实施例提供了一种滑坡预警系统，包括无人机1及安装于与无人机上1的滑坡预警平台，所述滑坡预警平台包括嵌入式处理设备2及与嵌入式处理设备2连接的航空摄影设备3、GPS定位设备4、电源5、时移电法探测系统6。无人机1通过航空摄影设备3对工作区域进行拍照和摄像，获得工作区域的照片和视频；所述时移电法探测系统6用于按照地面站设置的工作区域GPS坐标，通过无人机1在设定的探测点部署两个电测传感器(61、62)并测得工作区域的电阻率，根据航空摄影设备3获得的照片和视频以及时移电法探测系统6获得的工作区域的电阻率进行滑坡风险结果分析。滑坡风险结果分析部分可通过嵌入式处理设备2实现，也可由无人机上1上的通信模块将航空摄影设备3获得的照片和视频以及时移电法探测系统6获得的工作区域的电阻率等数据回传至后台系统实现。
如图3所示，所述时移电法探测系统包括两个电测传感器61和62(即电测传感器A和电测传感器B)、供电电缆63、电阻采集设备64，两个电测传感器(61、62)工作时与供电线缆63和电阻采集设备64连接，电源5在嵌入式处理设备2控制下通过供电线缆63给两个电测传感器(61、62)提供工作电源，电阻采集设备64用于采集两个电测传感器(61、62)之间的电压和电流，从而获取两个电测传感器之间(61、62)的电阻率，并将所测的电阻率数据传送至嵌入式处理设备2。
所述无人机部署电测传感器的硬件结构如图4所示，无人机机体11下方设有两个向下设置的支架12，两个电测传感器(61、62)分别安装在两个支架12上，两个电测传感器(61、62)之间距离1～2米左右，不需要频繁安装或卸载。所述的电测传感器(61、62)为T字形，方便夹取，下面是尖锥形，方便插入泥土中。电测传感器(61、62)外壳采用铅合金制成，坚硬且不容易腐蚀，具体的可以采用偶极-偶极、对称四极、三极等装置形式。为了保证电测传感器只插入探测面规定的20cm深，可以考虑在传感器上20cm高的位置加装保护装置。
本发明实施例还提供一种滑坡预警方法，采用上述滑坡预警系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、通过无人机1搭载的航空摄影设备3对工作区域进行拍照和摄像，获得工作区域的照片和视频；
步骤二、通过无人机1搭载的时移电法探测系统6对工作区域的电阻率进行探测，获得工作区域的电阻率，步骤二可在步骤一进行对工作区域进行拍照和摄像的同时进行，如图5所示，具体探测步骤如下：
1)操作人员通过人工操作或者自动设定的方式，通过地面站设置工作区域GPS坐标，并设定若干个探测点，探测点为矩阵式分布，有若干行和若干列，如图6所示，在实际操作中，可以设置5行或5列，每行之间平行分布，每列之间平行分布，每行都在一条直线上。
2)无人机1根据地面站设置工作区域GPS坐标，选择某一行或某一列的一个探测点，在探测点上部署两个电测传感器(61、62)，电测传感器(61、62)通过供电电缆63连接，电测传感器都在上述的直线上，保持对齐，这样方便数据对比；
具体布置时，无人机1停在探测点的地面上，无人机1的支架12接触地面；无人机1利用重力，或者启动螺旋桨反向施加压力，将电测传感器(61、62)插入泥土中，大概20cm深。
3)无人机1通过嵌入式处理设备2启动电源5，通过供电线缆63给两个电测传感器(61、62)供电，以启动两个电测传感器(61、62)开始数据测量，也可同时启动定时器；
4)无人机1通过电阻采集设备64采集两个电测传感器(61、62)之间的电压和电流，从而获取两个电测传感器(61、62)之间的电阻率，电阻采集设备64将测得电阻率回传给嵌入式处理设备2；测量成功或者定时器超时，启动螺旋桨开始下一个测量或返回。
5)重复步骤2)至4)，直到矩阵里所有的探测点都测量完毕。
步骤三、根据步骤一获得的工作区域的照片和视频以及步骤二获得的工作区域的电阻率进行滑坡风险结果分析。
所述步骤三中的滑坡风险结果分析具体步骤是：
(a)操作人员根据步骤一获取的工作区域的照片和视频，采用人工识别或图像识别的技术进行滑坡风险判断。操作人员可以实时的观察实时图像来判断滑坡风险，或者通过计算机自动对比同一位置、不同时间的图片来识别变化，自动判断滑坡风险。
(b)根据步骤二获取的的工作区域基于不同时间点的电阻率变化，得到工作区域随时间变化的时移电阻率层析图，根据所述电阻率层析图鉴别和动态追踪滑坡风险。每次对所有的探测点测量完毕之后，获得一个电测面的电阻率数据。对电阻率数据进行二维反演，并对不同时间点的二维反演结果进行多次的迭代、拟合和反演，就可以得到单个电测面电阻率数据的等值线变化趋势，然后再对多个电测面的等值线变化趋势进行空间维度和时间维度上的正则化处理，获取探测面的时移电阻率层析图的自动成像。
具体的数据分析可以有四种模式：一，根据电阻率变化推测目标体的变化情况；二，各时刻数据独立反演，然后根据反演结果的变化情况推测目标体变化情况；三，某时刻数据独立反演，然后根据反演结果构建反演的初始模型，提高反演精度和效率。四，根据某时刻电阻率数据和上一时刻电阻率数据的差值进行反演，获得目标体电阻率参数的变化量。
反演可以通过软件自动完成。在读入测量数据后，反演程序根据选项使用有限差分或有限元法计算电阻率值，借助于求解最小二乘方程来修改正演模型参数。反演结果可显示拟合误差、断面深度、电阻率大小及等值线变化趋势，显示方式可为JPG格式、BMP格式等，同时也可实现文件数据多格式化输出与转化等。
本发明结合图像识别和优化的时移电法探测系统两种方法的优点，既可以利用图像识别方法的快速方便的优点，又可以利用一种优化的时移电法探测系统的探测效率高，精度高，能实现隐患的准确定位的优点，取长补短，大大提高滑坡的预警效率和质量；能节省大量人力、线缆和传感器，能覆盖偏僻或山高陡坡等平常依靠人力难以部署传感器的区域，节省人力成本；无人机的支架上安装有电测传感器，不用频繁安装和卸载，节省人力和成本。
本发明可以设定为自动方式对规定工作区域开展工作，或人工操作方式对重点或关键区域开展工作。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种滑坡预警系统，其特征在于：包括无人机(1)及安装于无人机上(1)的滑坡预警平台，所述滑坡预警平台包括嵌入式处理设备(2)及与嵌入式处理设备(2)连接的航空摄影设备(3)、GPS定位设备(4)、电源(5)、时移电法探测系统(6)，所述航空摄影设备(3)用于对工作区域进行拍照和摄像，获得工作区域的照片和视频；所述时移电法探测系统(6)用于按照地面站设置的工作区域GPS坐标，通过无人机(1)在设定的探测点部署两个电测传感器(61、62)并测得工作区域的电阻率，根据航空摄影设备(3)获得的照片和视频以及时移电法探测系统(6)获得的工作区域的电阻率进行滑坡风险结果分析。
2.如权利要求1所述的滑坡预警系统，其特征在于：所述时移电法探测系统包括两个电测传感器(61、62)、供电电缆(63)、电阻采集设备(64)，两个电测传感器(61、62)工作时与供电线缆(63)和电阻采集设备(64)连接，电源(5)在嵌入式处理设备(2)控制下通过供电线缆(63)给两个电测传感器(61、62)提供工作电源，电阻采集设备(64)用于采集两个电测传感器(61、62)之间的电压和电流，从而获取两个电测传感器之间(61、62)的电阻率，并将所测的电阻率数据传送至嵌入式处理设备(2)。
3.如权利要求1所述的滑坡预警系统，其特征在于：所述无人机机体(11)下方设有两个向下设置的支架(12)，两个电测传感器(61、62)分别安装在两个支架(12)上，两个电测传感器(61、62)之间距离1～2米。
4.如权利要求1所述的滑坡预警系统，其特征在于：所述电测传感器(61、62)为T字形，下面是尖锥形。
5.如权利要求1所述的滑坡预警系统，其特征在于：所述电测传感器(61、62)外壳采用铅合金制成。
6.一种滑坡预警方法，其特征在于：采用如权利要求1-5中任一项所述的滑坡预警系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、通过无人机(1)搭载的航空摄影设备(3)对工作区域进行拍照和摄像，获得工作区域的照片和视频；
步骤二、通过无人机(1)搭载的时移电法探测系统(6)对工作区域的电阻率进行探测，获得工作区域的电阻率；
步骤三、根据步骤一获得的工作区域的照片和视频以及步骤二获得的工作区域的电阻率进行滑坡风险结果分析。
7.如权利要求6所述的滑坡预警系统，其特征在于：所述步骤二具体包括如下步骤：
1)操作人员通过人工操作或者自动设定的方式，通过地面站设置工作区域GPS坐标，并设定若干个探测点，探测点为矩阵式分布，有若干行和若干列，每行都在一条直线上；
2)无人机(1)根据地面站设置工作区域GPS坐标，选择某一行或某一列的一个探测点，在探测点上部署两个电测传感器(61、62)，电测传感器(61、62)通过供电电缆(63)连接；
3)无人机(1)通过嵌入式处理设备(2)启动电源(5)，通过供电线缆(63)给两个电测传感器(61、62)供电，以启动两个电测传感器(61、62)开始数据测量；
4)无人机(1)通过电阻采集设备(64)采集两个电测传感器(61、62)之间的电压和电流，从而获取两个电测传感器(61、62)之间的电阻率，电阻采集设备(64)将测得电阻率回传给嵌入式处理设备(2)；
5)重复步骤2)至4)，直到矩阵里所有的探测点都测量完毕。
8.如权利要求7所述的滑坡预警系统，其特征在于：步骤2)在部署两个电测传感器(61、62)时，无人机(1)停在探测点的地面上，无人机(1)的支架(12)接触地面，无人机(1)利用重力，或者启动螺旋桨反向施加压力，将电测传感器(61、62)插入泥土中约20cm深。
9.如权利要求6所述的滑坡预警系统，其特征在于：所述步骤三中根据步骤一获得的工作区域的照片和视频进行滑坡风险结果分析具体步骤是：操作人员根据步骤一获取的工作区域的照片和视频，采用人工识别或图像识别的技术进行滑坡风险判断，具体的，操作人员实时的观察实时图像来判断滑坡风险，或者通过计算机自动对比同一位置、不同时间的图片来识别变化，自动判断滑坡风险。
10.如权利要求6所述的滑坡预警系统，其特征在于：所述步骤三中根据步骤二获得的工作区域的电阻率进行滑坡风险结果分析具体步骤为：根据步骤二获取的的工作区域基于不同时间点的电阻率变化，得到工作区域随时间变化的时移电阻率层析图，根据所述电阻率层析图鉴别和动态追踪滑坡风险，具体的，每次对所有的探测点测量完毕之后，获得一个电测面的电阻率数据，对电阻率数据进行二维反演，并对不同时间点的二维反演结果进行多次的迭代、拟合和反演，得到单个电测面电阻率数据的等值线变化趋势，然后再对多个电测面的等值线变化趋势进行空间维度和时间维度上的正则化处理，获取探测面的时移电阻率层析图的自动成像。
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