CN112924990B - 基于gnss加速度计融合的滑坡体监测方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测方法和系统，其中，方法包括：获取一个周期内分别通过GNSS接收机和加速度计采集得到的载体速度和载体加速度；将所述载体速度和载体加速度进行多速率卡尔曼滤波，并对滤波后的数据进行RTS平滑处理，获取第一观测值；根据设定规则进行预设周期或实时观测获取第二观测值，将所述第二观测值和所述第一观测值进行计算，获取滑动量；预设滑动量阈值，将所述滑动量与所述滑动量阈值的比值作为滑动结果；根据所述滑动结果判断滑动变形级别，根据所述滑动变形级别进行对应的处理。本发明能够实现定时获取或实时获取观测数据，且能够降低设备噪声带来的影响，提高观测数据的精度度。

Description

基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测方法和系统
技术领域
本发明涉及滑坡监测技术领域，尤其涉及一种基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测方法和系统。
背景技术
滑坡是主要的地质灾害之一，多发生在山地的山坡、丘陵地区的斜边、岸边、路堤或基坑等地带。滑坡的发生会带来诸多危害，轻则破坏公路、摧毁建筑，重则危害人的生命安全。因此要避免山体滑坡造成损失和伤害，就需要对可能发生滑坡的山体进行监测，并及时报警。现有技术中采用GNSS(Global Navigation Satellite System全球导航卫星系统定位)技术对山体进行监测，能够不受气候条件的限制，易于实现监测系统的自动化。
但是由于每一个滑坡体都需要设置多个观测点，而每一个观测点又需要设置对应的GNSS设备，GNSS设备实时获取监测数据导致能耗较高，不够环保；但是减少观测点的设置又会导致观测数据的精确性降低，导致分析结果不准确。此外设备本身在获取监测数据时也会不可避免地产生噪声，降低观测数据的精确度。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测和系统。
一种基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测方法，包括以下步骤：获取一个周期内分别通过GNSS接收机和加速度计采集得到的载体速度和载体加速度；将所述载体速度和载体加速度进行多速率卡尔曼滤波，并对滤波后的数据进行RTS平滑处理，获取第一观测值；根据预定规则进行预设周期或实时观测获取第二观测值，将所述第二观测值和所述第一观测值进行计算，获取滑动量；预设滑动量阈值，将所述滑动量与所述滑动量阈值的比值作为滑动结果；根据所述滑动结果判断滑动变形级别，根据所述滑动变形级别进行对应的处理。
在其中一个实施例中，所述GNSS接收机还包括有接收天线和接收线缆，所述接收天线通过所述接收线缆与所述GNSS接收机连接，所述接收天线设置有多个，且接收天线之间阵列排布。
在其中一个实施例中，所述将所述载体速度和载体加速进行多速率卡曼滤波，并对滤波后的数据进行RTS平滑处理，获取第一观测值，具体包括：根据观测周期和载体速度计算获取载体位移；将所述载体位移作为观测量，所述载体加速度作为控制量，建立卡尔曼观测方程；获取实时载体加速度，将所述实时载体加速度代入所述卡尔曼观测方程，对所述载体位移进行更新；对更新后的载体位移进行RTS平滑处理，将平滑处理后的载体位移作为第一观测值。
在其中一个实施例中，所述根据设定规则进行预设周期或实时观测获取第二观测值，将所述第二观测值和所述第一观测值进行计算，获取滑动量，具体包括：将所述第一观测值与所述第二观测值进行做差后取绝对值，将所述绝对值作为滑动量。
在其中一个实施例中，所述预设滑动量阈值，将所述滑动量与所述滑动量阈值的比值作为滑动结果，具体包括：对获取的所有滑动量进行取中值处理，将所述中值的两倍作为预设滑动量阈值。
在其中一个实施例中，所述根据所述滑动结果判断滑动变形级别，根据所述滑动变形级别进行对应的处理，具体包括：在所述滑动结果小于0.25时，设定为轻度滑动，根据预设周期获取第二观测值，对所述GNSS接收机和加速度计所在观测点进行绿色标记；在所述滑动结果在0.25～0.5之间时，设定为中度滑动，实时观测获取所述第二观测值，实时获取滑动量和滑动结果，对所述GNSS接收机和加速度计所在观测点进行橙色标记；在所述滑动结果大于0.5时，设定为重度滑动，实时观测获取所述第二观测值，持续监测获取滑动量和滑动结果，并提取所述GNSS接收机和加速度计所在观测点的位置数据，发出携带有位置数据的报警信息，将所述观测点进行红色标记。
一种基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测系统，包括：数据采集模块、数据传输模块、监控中心和供电模块；所述数据采集模块、所述数据传输模块和所述监控中心之间通信连接；所述供电模块与所述数据采集模块连接；所述数据采集模块包括GNSS接收机和加速度计，所述GNSS接收机用于测量获取载体位移，所述加速度计用于测量获取载体加速度；所述GNSS接收机包括接收天线和接收线缆，所述接收天线阵列排布，且通过所述接收线缆与所述GNSS接收机连接；所述数据传输模块包括有局域组网单元和无线网络传输单元，所述局域组网单元用于所述GNSS接收机之间和所述加速度计之间进行数据传输，所述无线网络传输单元用于所述GNSS接收机和所述加速度计将采集到的数据传输至所述监控中心；所述监控中心用于将所述载体位移和载体加速度进行处理，获取当前观测点的滑动变形级别，并提供对应的处理对策。
在其中一个实施例中，所述数据采集模块还包括：传感器接口，所述传感器接口用于连接雨量计、倾斜仪、裂缝计和水位计。
相比于现有技术，本发明的优点及有益效果在于：
1、本发明能够实现定时获取或实时获取观测数据，根据不同的情形适用不同的获取方式，从而能够在不减少观测点的同时降低观测设备的能耗。
2、本发明通过卡尔曼滤波和RTS平滑对观测数据进行处理，降低设备噪声带来的影响，提高了观测数据的精确度。
附图说明
图1为一个实施例中基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测方法的流程示意图；
图2为一个实施例中基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测方法，包括以下步骤：
步骤S101，获取一个周期内分别通过GNSS接收机和加速度计采集得到的载体速度和载体加速度。
具体地，GNSS接收机和加速度计的载体可以是设置在滑坡体内的测量装置。加速度计用于监测载体加速度。
其中，设置有GNSS接收机和加速度计的位置作为观测点，可以在一个观测点设置多个接收机和加速度计，从而精确判断该观测点的滑坡情况。
具体地，可以将监控中心与GNSS接收机和加速度计进行通信连接，在GNSS接收机和加速度计采集到数据之后，通过无线通信网络传输至监控中心，监控中心通过对采集数据的处理分析后，获取滑坡体当前的状态，并根据不同状态对观测点进行对应的处理。
步骤S102，将载体速度和载体加速度进行多速率卡尔曼滤波，并对滤波后的数据进行RTS平滑处理，获取第一观测值。
具体地，GNSS接收机和加速度计在一个周期内，获取多个载体速度和多个载体加速度，但是GNSS接收机和加速度计在测量过程中会产生不可避免的噪声，因此可以对多个载体速度和载体加速度进行多速率的卡尔曼滤波，从而减少噪声对测量结果的影响，获取滤波结果。
具体地，还可以将一个周期内的滤波结果进行分段，分段长度可以进行预先设定，对分段后的滤波结果进行逐段平滑，从而改善在融合过程中应用RTS(Rauch TungStriebel，容积卡尔曼平滑器)平滑造成的实时性欠佳问题。
步骤S103，根据设定规则将进行预设周期或实时观测获取第二观测值，将第二观测值和第一观测值进行计算，获取滑动量。
具体地，根据设定规则中对应的不同情况，可以根据预设周期定时获取或通过实时观测实时获取第二观测值。其中，在前一个周期监测到滑动变形级别为重度滑动或重度滑动时，采用实时观测的方式实时获取第二观测值；在前一个周期检测到滑动变形级别为轻度滑动时，采用预设周期定时获取的方式获取第二观测值。
具体地，将第二观测值与上一周期获取的第一观测值进行计算，获取滑动量。可以将相邻周期的观测值之间的差值作为滑动量。
步骤S104，预设滑动量阈值，将滑动量与滑动量阈值的比值作为滑动结果。
具体地，对于滑动量可以预先设置滑动量阈值，例如将历史监测中获取的所有滑动量的中值的两倍作为滑动量阈值。将当前获取的滑动量与滑动量阈值的比值作为滑动结果。
步骤S105，根据滑动结果判断滑动变形级别，根据滑动变形级别进行对应的处理。
具体地，根据滑动量与滑动阈值获取的滑动结果，判断滑动变形级别，滑动变形级别中设置有不同级别对应的处理对策，根据当前的滑动结果查询对应的处理对策，对该观测点的滑动变形进行处理。
在本实施例中，获取一个周期内分别通过GNSS接收机和加速度计采集得到的载体速度和载体加速度，将载体速度和载体加速度进行多速率卡尔曼滤波，并对滤波后的数据进行RTS平滑处理，获取第一观测值，提高了观测数据的精度，根据设定规则进行预设周期或实时观测获取第二观测值，将第二观测值和第一观测值进行计算，获取滑动量，从而满足不同情况下对观测数据的定时或实时的获取，预设滑动量阈值，将滑动量和滑动量阈值的比值作为滑动结果，根据滑动结果判断滑动变形级别，根据滑动变形级别对该观测点进行对应的处理，能够提高监测设备获取的观测数据精度，且根据能够需要对观测数据进行定时或实时的获取，适应不同场景的应用情况，同时降低能耗。
其中，GNSS接收机还包括有接收天线和接收线缆，接收天线通过所述接收线缆与GNSS接收机连接，接收天线设置有多个，且接收天线之间阵列排布。
具体地，由于GNSS接收成本较高，且每个观测点需要设置多个监测设备，因此可以将接收天线阵列设置在观测点，在每个观测点设置一台GNSS接收机，并通过接收线缆将接收天线与GNSS接收机进行连接，实现一台GNSS接收机能够获取多个观测位置的观测数据，提高该观测点的观测精确性的同时，减少了GNSS接收机的设置，进一步降低了能耗和成本。
其中，步骤S102具体包括：根据观测周期和载体速度计算获取载体位移；将载体位移作为观测量，载体加速度作为控制量，建立卡尔曼观测方程；获取实时载体加速度，将实时载体加速度代入卡尔曼观测方程，对载体位移进行更新；对更新后的载体位移进行RTS平滑处理，将更平滑处理后的载体位移作为第一观测值。
具体地，卡尔曼滤波是一个在时间域上不断预测、修正的递推过程，被广泛地应用于动态数据处理。由于在滑坡监测过程中，加速度计的采样频率与GNSS接收机的采样频率往往不一致，就需要先将载体加速度和载体速度通过卡尔曼滤波进行融合，然后根据载体加速度和载体速度获取观测值。
在融合过程中，根据观测周期和载体速度获取载体位移，或者直接通过GNSS接收机获取载体位移，将载体位移作为观测量，载体加速度作为控制量，建立卡尔曼观测方程，然后获取实时载体加速度，并带入卡尔曼观测方程，对载体位移进行更新，对更新后的载体位移进行RTS平滑处理，提高载体位移精度，从而将平滑处理后的载体位移作为第一观测值。
其中，步骤S103具体包括：将第一观测值与第二观测值进行做差后取绝对值，将绝对值作为滑动量。
其中，步骤S104具体包括：对获取的所有滑动量进行取中值处理，将所述中值的两倍作为预设滑动量阈值。
具体地，获取历史数据中所有的滑动量，取所有滑动量的中值，将该中值的两倍作为预设滑动量阈值。当然，也可以根据不同的地形需要，对该滑动量阈值进行对应的更改，在滑动量超过该滑动量阈值时，立即发出报警信息，便于工作人员对滑坡异常进行及时的处理。
其中，步骤S105具体包括：在所述滑动结果小于0.25时，设定为轻度滑动，根据预设周期获取第二观测值，对所述GNSS接收机和加速度计所在观测点进行绿色标记；在所述滑动结果在0.25～0.5之间时，设定为中度滑动，实时观测获取所述第二观测值，实时获取滑动量和滑动结果，对所述GNSS接收机和加速度计所在观测点进行橙色标记；在所述滑动结果大于0.5时，设定为重度滑动，实时观测获取所述第二观测值，持续监测获取滑动量和滑动结果，并提取所述GNSS接收机和所述加速度计所在观测点的位置数据，发出携带有位置数据的报警信息，将所述观测点进行红色标记。
具体地，在轻度滑动时，定时获取监测结果，并进行绿色标记；在中度滑动时，实时获取监测结果，并进行橙色标记，便于对该观测点进行持续的观测；在重度滑动时，实时获取监测结果，对该观测点进行持续观测，并获取该观测点的位置信息，立即通知工作人员，便于工作人员进行及时的处理。
如图2所示，提供了一种基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测系统20，包括：数据采集模块21、数据传输模块22、监控中心23和供电模块24，其中：
数据采集模块21、数据传输模块22和监控中心23之间通信连接；供电模块24与所述数据采集21模块连接；
数据采集模块21包括GNSS接收机和加速度计，GNSS接收机用于测量获取载体位移，加速度计用于测量获取载体加速度；GNSS接收机包括接收天线和接收线缆，接收天线阵列排布，且通过接收线缆与GNSS接收机连接；
数据传输模块22包括有局域组网单元和无线网络传输单元，局域组网单元用于GNSS接收机之间和加速度计之间进行数据传输，无线网络传输单元用于GNSS接收机和加速度计将采集到的数据传输至所述监控中心；
监控中心23用于将载体位移和载体加速度进行处理，获取当前观测点的滑动变形级别，并提供对应的处理对策。
其中，数据采集模块21还包括：传感器接口，传感器接口用于连接雨量计、倾斜仪、裂缝计和水位计。
具体地，传感器接口可以通过连接雨量计、倾斜仪、裂缝计和水位计等不同的传感器，判断引起滑坡的原因，便于工作人员从根本上控制滑坡继续发展的态势。
在一个实施例中，监控中心23还用于：根据观测周期和载体速度计算获取载体位移；将所述载体位移作为观测量，所述载体加速度作为控制量，建立卡尔曼观测方程；获取实时载体加速度，将所述实时载体加速度代入所述卡尔曼观测方程，对所述载体位移进行更新；对更新后的载体位移进行RTS平滑处理，将平滑处理后的载体位移作为第一观测值。
在一个实施例中，监控中心23还用于根据滑动结果判断滑动变形级别，根据滑动变形级别进行对应的处理，具体为：
在滑动结果小于0.25时，设定为轻度滑动，根据预设周期获取第二观测值，对GNSS接收机和加速度计所在观测点进行绿色标记；
在滑动结果在0.25～0.5之间时，设定为中度滑动，实时观测获取所述第二观测值，实时获取滑动量和滑动结果，对GNSS接收机和加速度计所在观测点进行橙色标记；
在滑动结果大于0.5时，设定为重度滑动，实时观测获取所述第二观测值，持续监测获取滑动量和滑动结果，并提取GNSS接收机和加速度计所在观测点的位置数据，发出携带有位置数据的报警信息，将观测点进行红色标记。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在计算机存储介质(ROM/RAM、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取一个周期内分别通过GNSS接收机和加速度计采集得到的载体速度和载体加速度；
将所述载体速度和载体加速度进行多速率卡尔曼滤波，并对滤波后的数据进行RTS平滑处理，获取第一观测值，具体包括：根据观测周期和载体速度计算获取载体位移；将所述载体位移作为观测量，所述载体加速度作为控制量，建立卡尔曼观测方程；获取实时载体加速度，将所述实时载体加速度代入所述卡尔曼观测方程，对所述载体位移进行更新；对更新后的载体位移进行RTS平滑处理，将平滑处理后的载体位移作为第一观测值；
根据设定规则进行预设周期或实时观测获取第二观测值，将所述第二观测值和所述第一观测值进行计算，获取滑动量，具体包括：将所述第一观测值与所述第二观测值进行做差后取绝对值，将所述绝对值作为滑动量；
预设滑动量阈值，将所述滑动量与所述滑动量阈值的比值作为滑动结果；
根据所述滑动结果判断滑动变形级别，根据所述滑动变形级别进行对应的处理。
2.根据权利要求1所述的基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测方法，其特征在于，所述GNSS接收机还包括有接收天线和接收线缆，所述接收天线通过所述接收线缆与所述GNSS接收机连接，所述接收天线设置有多个，且接收天线之间阵列排布。
3.根据权利要求1所述的基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测方法，其特征在于，所述预设滑动量阈值，将所述滑动量与所述滑动量阈值的比值作为滑动结果，具体包括：
对获取的所有滑动量进行取中值处理，将所述中值的两倍作为预设滑动量阈值。
4.根据权利要求3所述的基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测方法，其特征在于，所述根据所述滑动结果判断滑动变形级别，根据所述滑动变形级别进行对应的处理，具体包括：
在所述滑动结果小于0.25时，设定为轻度滑动，根据预设周期获取第二观测值，对所述GNSS接收机和加速度计所在观测点进行绿色标记；
在所述滑动结果在0.25～0.5之间时，设定为中度滑动，实时观测获取所述第二观测值，实时获取滑动量和滑动结果，对所述GNSS接收机和加速度计所在观测点进行橙色标记；
在所述滑动结果大于0.5时，设定为重度滑动，实时观测获取所述第二观测值，持续监测获取滑动量和滑动结果，并提取所述GNSS接收机和加速度计所在观测点的位置数据，发出携带有位置数据的报警信息，将所述观测点进行红色标记。
5.一种基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测系统，其特征在于，用于实现如权利要求1-4任一项所述的一种基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测方法，包括：数据采集模块、数据传输模块、监控中心和供电模块；
所述数据采集模块、所述数据传输模块和所述监控中心之间通信连接；所述供电模块与所述数据采集模块连接；
所述数据采集模块包括GNSS接收机和加速度计，所述GNSS接收机用于测量获取载体位移，所述加速度计用于测量获取载体加速度；所述GNSS接收机包括接收天线和接收线缆，所述接收天线阵列排布，且通过所述接收线缆与所述GNSS接收机连接；
所述数据传输模块包括有局域组网单元和无线网络传输单元，所述局域组网单元用于所述GNSS接收机之间和所述加速度计之间进行数据传输，所述无线网络传输单元用于所述GNSS接收机和所述加速度计将采集到的数据传输至所述监控中心；
所述监控中心用于将所述载体位移和载体加速度进行处理，获取当前观测点的滑动变形级别，并提供对应的处理对策。
6.根据权利要求5所述的基于GNSS加速度计融合的滑坡体监测系统，其特征在于，所述数据采集模块还包括：传感器接口，所述传感器接口用于连接雨量计、倾斜仪、裂缝计和水位计。
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