CN110992652A - 基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警系统及方法，采用多参数监测，通过对压力、倾斜、位移及危岩体图像信息的融合分析对被测边坡地质安全性的合理判定，覆盖范围广，具备数据远传功能，适用于偏远地区多危岩体预警的多危岩体边坡地质灾害远程预警，扩大边坡监测范围，可实现边远地区边坡的有效监测，同时降低人力成本投入。

Description

基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警系统及方法

技术领域

本公开涉及工程勘察装置相关技术领域，具体的说，是涉及基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

一些岩体虽然还没有发生崩塌,但具备发生崩塌的主要条件,而且已出现崩塌前兆现象,因此预示不久可能发生崩塌,这样的岩体称为危岩体。危岩体崩塌属于地质灾害中的一个重要类型，是一种自然动力地质现象,同时也是一种人类活动作用于自然边坡条件下产生的工程地质灾变的过程。相较于地震而言，危岩崩塌的发生频率与影响范围都超过了地震，这是一个严重的全球性山地灾害问题，会对水电工程、道路工程等基础设施造成极大的危害，甚至会严重影响人民的生命财产安全。

目前危岩体崩塌监测预警主要方法包括：危岩体的外部变形监测和内部变形监测。其中,外部变形监测由于原理简单且数据直观，应用范围较内部变形监测更大。外部变形监测所采用的方法主要包括：大地形变测量、卫星定位系统(GPS)测量、地面倾斜测量、自动遥测、激光全息摄影等。发明人发现，虽然上述方法可以通过监测危岩体位移、裂缝变形和地面变形等情况进行预警，但检测参数相对单一，预警存在误报的可能,且对于一些偏远地区多危岩体尚不能进行有效覆盖检测。因此，为了降低危岩体预警系统成本及有效提高其预警准确度及监测覆盖范围，有必要设计一种成本较低，监测参数多，覆盖范围广且具有较好预警效果的多危岩体边坡地质灾害远程预警系统。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警系统及方法，采用多参数监测，通过对压力、倾斜、位移及危岩体图像信息的融合分析对被测边坡地质安全性的合理判定，覆盖范围广，具备数据远传功能，适用于偏远地区多危岩体预警的多危岩体边坡地质灾害远程预警，扩大边坡监测范围，可实现边远地区边坡的有效监测，同时降低人力成本投入。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警系统，包括设置在待测危岩体检测区域的检测装置组和预警系统控制中心，所述预警系统控制中心与检测装置组的每个检测装置无线连接；

所述检测装置组包括无人机检测装置及定点设置的检测装置，所述预警系统控制中心根据定点设置的检测装置检测的数据，确定关键监测位置，控制无人机检测装置对关键监测位置进行监测。

一个或多个实施例提供了基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警方法，包括如下步骤：

获取待检测危岩体的位移、倾斜角度及压力数据；

根据获取的位移、倾斜角度及压力数据融合分析，确定关键监测位置区域；

根据确定的关键监测位置区域，生成无人机巡航规划路径；

获取关键监测位置区域的待检测危岩体的位移、倾斜角度及压力数据，以及无人机拍摄的图像信息，根据获取的关键监测位置区域的数据融合分析，生成预警信息。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开采用多参数监测，通过对压力、倾斜、位移及危岩体图像信息的融合分析对被测边坡地质安全性的合理判定，覆盖范围广，具备数据远传功能，适用于偏远地区多危岩体预警的多危岩体边坡地质灾害远程预警，扩大边坡监测范围，可实现边远地区边坡的有效监测，同时降低人力成本投入。

(2)本公开分别设置了定点检测装置和自由巡航监测的无人机，通过动静结合的检测方式可以全面的监控多危岩体的变化，从而生成准确的报警的信号，并且通过数据的融合判断可以实现在灾害发生前提前预警，便于提前做好防护措施，减少损失。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是根据一个或多个实施方式的系统的框图；

图2是本公开实施例的压力检测装置示意图；

图3是本公开实施例的倾斜检测装置示意图；

图4是本公开实施例的位移检测装置示意图；

图5是本公开实施例的无人机图像检测装置示意图；

图6是本公开实施例的预警系统控制中心示意图；

图7是本公开实施例的本公开实施例的预警方法流程图；

其中：1、压力检测装置，2、倾斜检测装置，3、位移检测装置，4、无人机检测装置，5、预警系统控制中心，6、移动终端报警设备，7、下位机软件，8、移动客户端软件；

101、壳体，102、压力传导元件，103、第一电源模块，104、第一蓄电池，105、压力信号转换元件，106、压力检测分析元件，107、第二无线通信模块，108、压力信号输出接口，109、充电接口，110、充电线；

201、外壳，202、倾斜敏感元件，203、充电模块，204、第二蓄电池，205、倾斜信号转换元件，206、倾斜检测分析元件，207、第三无线通信模块，208、倾斜信号输出接口，209、通过充电接口，210、倾斜充电延长线；

301、位移检测壳体，302、位移敏感元件，303、移动端，304、位移信号转换元件，305、充电转换模块，306、第三蓄电池，307、位移检测分析元件，308、移信号输出接口，309、第四无线通信模块，310、位移充电接口；

401、人机机架，402、无人机动力元件，403、摄像装置，404、供电电源，405、无人机高度传感器，406、无人机GPS定位模块，407、无人机主控单元，408、第一无线通信模块；

501、预警系统控制器，502、光伏发电装置，503、控制中心蓄电池，504、控制中心无线传输模块，505、预警装置外壳。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警系统，包括设置在待测危岩体检测区域的检测装置组和预警系统控制中心5，所述预警系统控制中心5与检测装置组的每个检测装置无线连接；所述检测装置组包括无人机检测装置4及定点设置的检测装置，所述预警系统控制中心5根据定点设置的检测装置检测的数据，确定关键监测位置区域，控制无人机检测装置4对关键监测位置区域进行监测。所述关键监测位置区域是根据定点设置的检测装置的数据检测判断发生岩体崩塌概率较大的位置。

本实施例设置定点检测装置和无线巡航的无人机检测装置4，克服了只设置定点检测装置存在的局限性，减少了定点设置装置的数量，实现了当只设置定点检测装置时，对危岩体不能全面检测的问题。

所述预警系统控制中心5设置下位机软件7被配置为实现各个检测模块数据的采集、存储、分析、显示、传输及无人机的有效控制。

作为进一步的改进，还包括移动终端报警设备6，所述移动终端报警设备6与预警系统控制中心5设置移动客户端软件8，可用于实现接收预警系统控制中心5传输的数据，进行数据的显示及报警。移动终端报警设备可以为平板电脑、笔记本电脑、手机等。

在确定关键监测位置区域之前，无人机检测装置4设置在固定位置，也可以按照设定在监控区域进行巡航监测；当确定关键监测位置区域，按照预警系统控制中心5的控制指令对关键监测位置区域进行监测。

作为一种可实现的结构，如图5所示，检测装置组的无人机检测装置4包括无人机机架401，设置在无人机机架401上的摄像装置403、无人机动力元件402、无人机定位装置、第一无线通信模块408和无人机主控单元407，无人机主控单元407分别与无人机机架401上的摄像装置403、无人机动力元件402、无人机定位装置和第一无线通信模块408连接，无人机主控单元407接收预警系统控制中心发送的控制指令，控制无人机按照设定的路径飞行以及控制摄像装置403采集图像。

可选的，无人机机架401可以为工字型，可以在机架的每个端头设置无人机动力元件402，所述无人机动力元件402可以包括螺旋桨及螺旋桨固定座，螺旋桨通过螺旋桨固定座设置在无人机机架401上，并与无人机主控单元407电连接。本实施例设置了四个无人机动力元件402。无人机动力元件402的驱动可以采用电机驱动，包括供电电源404和驱动电机，所述驱动电机的输出轴连接无人机动力元件402的螺旋桨。

在一些实施例中，无人机定位装置包括无人机高度传感器405和无人机GPS定位模块406，用于准确确定无人机的位置。第一无线通信模块408可以为NB-I OT物联网模块、LoRa无线通信模块、RF无线通信模块或者为Zi gBee无线通信模块。

无人机检测装置4包含危岩体图像数据采集及传输的装置，采用工字型对称设计，具有结构简单、耗能低续航能力强、成本造价低，便于降低预警系统的整体造价成本。

可选的，在一些实施例中，定点设置的检测装置包括压力检测装置1、倾斜检测装置2和位移检测装置3，分别与待检测的危岩体接触设置，分别用于检测危岩体变化导致的压力、倾斜角度及位移数据。

作为进一步的改进，可选的，如图2所示，压力检测装置1包括壳体101，设置在壳体101表面的压力传导元件102，设置在壳体内的压力信号处理单元以及第二无线通信模块107，所述压力信号处理单元分别与压力传导元件102和第二无线通信模块107连接。

作为一种可实现的结构，所述壳体101可以为中空的柱体、椎体、台体正方体或者为长方体，壳体101上表面设置凹槽，所述压力传导元件102设置在凹槽内并且其底面压力信号转换元件105接触设置。可选的，压力传导元件为可以承受一定压力产生应变的材料，本实施例中可以设置为不锈钢体，外形与凹槽内壁匹配。

压力传导元件102设置为接触面测量，可以减少压力检测装置1设置的数量，可保证压力检测装置1与危岩体有效接触，从而保证压力测量准确性；也方便通过安装压力检测装置1时加大压力检测装置1与危岩体的接触力为其设定一定数值的初始压力值，从而避免由于压力检测装置1与危岩体接触不良导致的压力测量死区，从而影响预警系统的准确性。

可选的，压力信号处理单元包括压力信号转换元件105和压力检测分析元件106，所述压力信号转换元件105可以为箔式应变片和阻值转换电路，阻值转换电路包括电源及电压信号采集电路，电源与所述箔式应变片串联连接，所述电压信号采集电路并联在箔式应变片两端。箔式应变片用于将压力传导元件102的应变变化转化箔式应变片的阻值变化，压力检测分析元件106可以为具备AD采集功能的51单片机最小系统，用于将采集的电压信号处理，获得压力变化数据。

本实施例中，压力检测装置1的电能供给可以采用可充电电源，包括第一蓄电池104以及与蓄电池104连接的第一电源模块103，还可以设置充电接口109及充电线110用于与外接电源进行连接。第二无线通信模块107可以为LoRa无线通信模块、RF无线通信模块或者为Zi gBee无线通信模块，通过压力信号输出接口108与压力信号处理单元连接。

作为进一步的改进，可选的，如图3所示，倾斜检测装置2包括外壳201，设置在外壳201内的倾斜信号处理单元、与倾斜信号处理单元电连接的第三无线通信模块207和悬空设置在外壳201内的倾斜敏感元件202。

作为一种可实现的方式，所述倾斜敏感元件202包括底部呈圆弧状的弧状外壳2021，可滚动设置在弧状外壳2021内的滚珠2022，所述弧状外壳2021和滚珠2022均为导体，弧状外壳2021的底面中心位置和滚珠2022分别与倾斜信号处理单元电连接。

可选的，倾斜敏感元件202的底部可以呈椭球状、半椭球状、球状或者半球状。

倾斜敏感元件202的结构具体的可以如图3所示，滚珠2022在弧状外壳2021内滚动，滚珠2022与弧状外壳2021的底面中心位置距离发生变化，使得两点之间的阻值发生变化，可以判断设置了倾斜检测装置2的物体发生了倾斜。

在一些实施例中，第三无线通信模块207可以为LoRa无线通信模块、RF无线通信模块或者为Zi gBee无线通信模块，通过倾斜信号输出接口208与倾斜信号处理单元连接。

本实施例中，倾斜检测装置2的电能供给可以采用可充电电源，包括第二蓄电池204，以及第二蓄电池204连接的充电模块203，充电模块203通过充电接口209及倾斜充电延长线210与外部电源连接。

可选的，倾斜信号处理单元包括倾斜信号转换元件205和倾斜检测分析元件206，所述倾斜信号转换元件205可以为直流电桥电路，用于将倾斜敏感元件倾斜感知元件2023在倾斜敏感元件底座元件2022不同空间位置的阻值转化为电压信号，倾斜检测分析元件206可以为具备AD采集功能的51单片机最小系统，用于对倾斜信号转换元件205输出电压信号的分析，获得倾斜角度大小的测量。

作为进一步的改进，可选的，如图4所示，位移检测装置3包括移动端303和检测端，所述检测端包括位移检测壳体301、第三无线通信模块309、设置在位移检测壳体301内的位移敏感元件302与位移信号处理单元，移动端303为圆柱体可伸缩与位移敏感元件302套接；位移信号处理单元分别与位移敏感元件302和第三无线通信模块309连接。

使用时，移动端303的一端固定在危岩体上，检测端固定在地面上，当危岩体移动，可以直接将信号通过移动端303的移动距离确定。

位移敏感元件302可以包括相互连接的弹簧与箔式应变片，用于将位移信号转换为箔式应变片阻值的变化。

第四无线通信模块309可以为LoRa无线通信模块、RF无线通信模块或者为Zi gBee无线通信模块，通过倾斜信号输出接口308与位移信号处理单元连接。

本实施例中，位移检测装置3的电能供给可以采用可充电电源，包括第三蓄电池306，以及第三蓄电池306连接的充电转换模块305，充电转换模块305通过位移充电接口310及位移充电延长线311与外部电源连接。

可选的，位移信号处理单元包括位移信号转换元件304和位移检测分析元件307，位移信号转换元件304可以为直流电桥电路，用于将箔式应变片阻值的变化转化为电压信号，位移检测分析元件307可以为具备AD采集功能的51单片机最小系统，用于对位移信号转换元件304输出电压信号的分析，获得位移的测量。

位移信号处理单元通过位移信号输出接口308连接第四无线通信模块309。

优选的，上述中的压力充电接口109、压力信号输出接口108、充电接口209、倾斜信号输出接口208、移信号输出接口308和位移充电接口310均可以采用防水接口。

所述预警系统控制中心5包括预警装置外壳505、控制中心无线传输模块504和设置在预警装置外壳505内的预警系统控制器501，所述预警系统控制器501与控制中心无线传输模块504电连接。

供电装置可以采用光伏发电装置502和市电供电结合的方式，分别通过充电装置与控制中心蓄电池503连接，为蓄电池503充电，通过蓄电池503为预警系统控制中心5供电。

本实施例还提供基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警方法，可以作为在预警系统控制中心执行的步骤，如图7所示，具体包括如下：

步骤1、获取待检测危岩体的位移、倾斜角度及压力数据；

步骤2、根据获取的位移、倾斜角度及压力数据融合分析，确定关键监测位置区域；

步骤3、根据确定的关键监测位置区域，生成无人机巡航规划路径；

步骤4、获取关键监测位置区域的待检测危岩体的位移、倾斜角度及压力数据，以及无人机拍摄的图像信息，根据获取的关键监测位置区域的数据融合分析，生成预警信息。

通过动静结合的检测方式可以全面的监控危岩体的变化，从而生成准确的报警的信号，并且通过数据的融合判断可以实现在灾害发生前提前预警，便于提前做好防护措施，减少损失。

步骤1中获取待检测危岩体的位移、倾斜角度及压力数据，可以分别通过设置在危岩体上的定点设置的装置检测。

在危岩体的检测区域内的危岩体上分别设置多组定点检测装置，多个根据获取的位移、倾斜角度及压力数据融合分析，确定关键监测位置区域，所述融合分析的方法具体为：

步骤11、以定点检测装置的位置为横坐标，分别以检测的位移、倾斜角度及压力数据的变化量为纵坐标，绘制变化曲线；

步骤12、设定变化阈值，超出变化阈值的曲线上对应的位置为关键监测位置区域。

步骤3中，根据确定的关键监测位置区域，生成无人机巡航规划路径的方法，具体为：绘制危岩体的检测区域内的地图，根据关键监测位置区域生成从无人机初始位置至关键监测位置区域的最短路径，作为无人机巡航规划路径。

步骤4中，获取关键监测位置区域的待检测危岩体的位移、倾斜角度及压力数据，以及无人机拍摄的图像信息，根据获取的关键监测位置区域的数据融合分析，生成预警信息的方法，可以具体如下：

步骤41获取关键监测位置区域每个危岩体设置定点检测装置的位移、倾斜角度及压力数据，结合位移检测装置及压力检测装置的设置位置，获得位移方向及压力方向，从而获得危岩体倾斜的大致方向即为预测移动方向；

步骤42、通过无人机拍摄的图像信息与为变化之前的图像信息进行比对，通过图像比对获得第二移动方向，与第二移动方向夹角如果小于设定的夹角阈值，确定预测移动方向与第二移动方向之间的方向为危岩体移动方向即危岩体的位置变化方向，执行下一步；否则，执行步骤41；

步骤43、危岩体的位置变化与所处位置的边坡走势是否一致，如果是，并且倾斜的角度超出设定的阈值，生成报警信息；否则，执行步骤41。

所述预警信息至少包括危岩体的位置，以及采集的位移、倾斜角度、压力数据及图像信息。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警系统，其特征是：包括设置在待测危岩体检测区域的检测装置组和预警系统控制中心，所述预警系统控制中心与检测装置组的每个检测装置无线连接；

所述检测装置组包括无人机检测装置及定点设置的检测装置，所述预警系统控制中心根据定点设置的检测装置检测的数据，确定关键监测位置，控制无人机检测装置对关键监测位置进行监测。

2.如权利要求1所述的基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警系统，其特征是：无人机检测装置包括无人机机架，设置在无人机机架上的摄像装置、无人机动力元件、无人机定位装置、第一无线通信模块和无人机主控单元，无人机主控单元分别与摄像装置、无人机动力元件、无人机定位装置和第一无线通信模块连接。

3.如权利要求2所述的基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警系统，其特征是：无人机机架为工字型，无人机机架的每个端部设置一个无人机动力元件；

或者，无人机定位装置包括无人机高度传感器和无人机GPS定位模块，高度传感器和无人机GPS定位模块分别与无人机主控单元连接。

4.如权利要求1所述的基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警系统，其特征是：定点设置的检测装置包括压力检测装置、倾斜检测装置和位移检测装置，分别与待检测的危岩体接触设置，用于检测危岩体变化导致的压力、倾斜角度及位移数据。

5.如权利要求4所述的基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警系统，其特征是：压力检测装置包括壳体，设置在壳体表面的压力传导元件，设置在壳体内的压力信号处理单元以及第二无线通信模块，所述压力信号处理单元分别与压力传导元件和第二无线通信模块连接；所述壳体上表面设置凹槽，所述压力传导元件设置在凹槽内与壳体接触设置。

6.如权利要求4所述的基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警系统，其特征是：倾斜检测装置包括外壳，设置在外壳内的倾斜信号处理单元、与倾斜信号处理单元电连接的第三无线通信模块和悬空设置在外壳内的倾斜敏感元件；

所述倾斜敏感元件包括底部呈圆弧状的弧状外壳，可滚动设置在弧状外壳1内的滚珠，所述弧状外壳和滚珠均为导体，弧状外壳的底面中心位置和滚珠分别与倾斜信号处理单元电连接。

7.如权利要求4所述的基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警系统，其特征是：位移检测装置包括移动端和检测端，所述检测端包括位移检测壳体、第三无线通信模块、设置在位移检测壳体内的位移敏感元件2与位移信号处理单元，所述移动端可伸缩与位移敏感元件套接，位移信号处理单元分别与位移敏感元件和第三无线通信模块连接。

8.基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警方法，其特征是，包括如下步骤：

获取待检测危岩体的位移、倾斜角度及压力数据；

根据获取的位移、倾斜角度及压力数据融合分析，确定关键监测位置区域；

根据确定的关键监测位置区域，生成无人机巡航规划路径；

获取关键监测位置区域的待检测危岩体的位移、倾斜角度及压力数据，以及无人机拍摄的图像信息，根据获取的关键监测位置区域的数据融合分析，生成预警信息。

9.如权利要求8所述的基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警方法，其特征是：根据获取的位移、倾斜角度及压力数据融合分析，确定关键监测位置区域，所述融合分析的方法具体为：

以定点检测装置的位置为横坐标，分别以检测的位移、倾斜角度及压力数据的变化量为纵坐标，绘制变化曲线；

设定变化阈值，超出变化阈值的曲线上对应的位置为关键监测位置区域。

10.如权利要求8所述的基于参数融合的危岩体边坡地质灾害远程预警方法，其特征是：获取关键监测位置区域的待检测危岩体的位移、倾斜角度及压力数据，以及无人机拍摄的图像信息，根据获取的关键监测位置区域的数据融合分析，生成预警信息的方法，具体如下：

步骤41获取关键监测位置区域每个危岩体设置定点检测装置的位移、倾斜角度及压力数据，结合位移检测装置及压力检测装置的设置位置，获得位移方向及压力方向，从而获得危岩体倾斜的大致方向即为预测移动方向；

步骤42、通过无人机拍摄的图像信息与为变化之前的图像信息进行比对，通过图像比对获得第二移动方向，与第二移动方向夹角如果小于设定的夹角阈值，确定预测移动方向与第二移动方向之间的方向为危岩体移动方向即危岩体的位置变化方向，执行下一步；否则，执行步骤41；

步骤43、危岩体的位置变化与所处位置的边坡走势是否一致，如果是，并且倾斜的角度超出设定的阈值，生成报警信息；否则，执行步骤41。

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