CN113847955A - 一种基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法 - Google Patents

一种基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法 Download PDF

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CN113847955A CN202111126446.5A CN202111126446A CN113847955A CN 113847955 A CN113847955 A CN 113847955A CN 202111126446 A CN202111126446 A CN 202111126446A CN 113847955 A CN113847955 A CN 113847955A
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Abstract

本发明公开一种基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法，包括以下步骤：a.在边坡内布设三角形光源，在三角形光源和滑坡体之间的边坡上布设中间带小孔的不透光板，在滑坡体上方布设光屏；b.调节光源、不透光板及光屏的相对位置，使三角形光源的中心、不透光板的小孔中心和光屏在一条直线上，且该直线垂直滑坡滑动方向，在光屏上清晰的观察到倒置的三角形的像，保持三角形像位于光屏中心；d.根据三角形像边长的变化计算水平向滑动位移和水平向滑动速度。本发明成本低廉、安装简便，具有适用性强的特点。

Description

一种基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法
技术领域
本发明属于滑坡灾害监测领域，具体地说涉及一种应用于滑坡滑动位移和滑动速度监测的方法，更加具体的说是一种在边坡上布设的光源通过不透光板上小孔在滑坡体上的光屏上产生小孔成像，根据光屏上小孔成像位置变化和小孔成像大小的变化计算滑坡体滑动位移和滑动速度的新方法。
背景技术
目前国内外滑坡滑动位移监测预警方法和滑动速度监测预警方法已有多种，但基于小孔成像的位移变化和小孔成像大小变化监测滑坡体滑动位移和滑动速度的方法未见报道。
我国西部多高山峡谷，汛期滑坡灾害频发，滑坡灾害每年给我国带来巨大的人员伤亡和财产损失。目前国内外滑坡滑动位移和滑动速度监测方法主要有全球卫星定位系统监测方法、遥感雷达监测方法、地基雷达监测方法、三维激光扫描仪干涉监测方法、柔性钻孔测斜仪监测方法、钻孔测斜仪监测方法、基于地磁场监测方法和群测群防等方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法，根据光屏上色散光顶点坐标及边长的变化监测滑坡体滑动速度和滑动的位移。该方法基于小孔成像的位移变化和小孔成像大小变化，根据这些变化来监测滑坡体滑动位移和滑动速度。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法，包括以下方法：
a.安装监测设备：在边坡上布设三角形光源，在三角形光源和滑坡体之间的边坡上布设中间带小孔的不透光板，在滑坡体上布设光屏；
b.调整光源、不透光板及光屏的相对位置：调节光源、不透光板及光屏的相对位置，使三角形光源的中心、不透光板的小孔中心和光屏在一条直线上，在光屏上清晰的观察到倒置的三角形的像；
c.在光屏上沿坡向向下为负，沿坡向向上为正，向光源方向为正，反光源方向为负；
d.滑坡体向下滑动时，光屏跟着滑坡体向下/上滑动，光屏上的三角形像的三个顶点的坐标反向向上/下运动；当滑坡体背离三角形光源水平向滑动时，光屏跟着滑坡体背离三角形光源水平向滑动，光屏上的三角形像变大；当滑坡体向正三角形光源水平向滑动时，光屏跟着滑坡体向正三角形光源水平向滑动，光屏上的三角形像变小；读取光屏上三角形像两个顶点的坐标，根据三角形像顶点坐标的变化计算坡向滑动位移和坡向滑动速度，根据三角形像边长的变化计算水平向滑动位移和水平向滑动速度。
上述基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法，其特征在于，所述光屏为黑色光屏。
上述基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法，在光屏上设置刻度，能够直观的读取光屏上三角形像三个顶点的坐标。
上述基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法，所述步骤b.调整光源、不透光板及光屏的相对位置：调节光源、不透光板及光屏的相对位置，使三角形光源的中心、不透光板的小孔中心和光屏在一条直线上，且该直线垂直滑坡滑动方向，在光屏上清晰的观察到倒置的三角形的像，保持三角形像位于光屏中心。
上述基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法，所述步骤d中根据正三角形像顶点坐标的变化计算坡向滑动位移和坡向滑动速度，根据正三角形像边长的变化计算水平向滑动位移和水平向滑动速度的计算公式如下：
设t0时刻读取光屏上正三角形像2个顶点坐标，第一个顶点坐标(x10，y10)，第二个顶点坐标(x20，y20)，不透光板到光屏垂直距离为K0；ti时刻读取光屏上正三角形像2个顶点坐标，第一个顶点坐标(x1i，y1i)，第二个顶点坐标(x2i，y2i)。根据光沿直线传播和相似三角形原理计算ti(i＝1，2，3…n)时刻滑坡滑动位移和滑坡滑动速度；
ti时刻正三角形坡向滑动位移为：
Figure BDA0003275887570000031
ti时刻正三角形坡向滑动位移方向：若x1i-x10＞0则，滑动方向沿坡向向下；若x1i-x10＜0则，滑动方向沿坡向向上；
ti-1至ti沿坡向滑动速度：
Figure BDA0003275887570000032
ti-1至ti沿坡向滑动速度方向：若x1i-x1(i-1)＞0则，滑动速度方向沿坡向向下；若x1i-x1(i-1)＜0则，滑动速度方向沿坡向向上；
t0时刻正三角形像边长为：
Figure BDA0003275887570000041
ti时刻正三角形像边长为：
Figure BDA0003275887570000042
ti时刻垂直坡向滑动位移：
Figure BDA0003275887570000043
ti时刻垂直坡向滑动位移方向为：若Li-L(i-1)＞0则，背离光源方向滑动；若Li-L(i-1)＜0则，向光源方向滑动；
根据相似三角形原理，ti-1至ti垂直坡向滑动速度：
Figure BDA0003275887570000044
ti-1至ti沿坡向滑动速度方向：若Li-L(i-1)＞0则，滑动速度方向背离光源方向；若Li-L(i-1)＜0则，滑动速度方向向光源方向。
采用以上技术方案，本发明有以下技术效果：
本发明根据光屏上色散光顶点坐标及边长的变化监测滑坡体滑动速度和滑动的位移。该方法基于小孔成像的位移变化和小孔成像大小变化，根据这些变化来监测滑坡体滑动位移和滑动速度。本发明成本低廉、安装简便，具有适用性强的特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
本发明中正三角形光源采用江门市典艺雅照明有限公司正三角形灯，正三角形灯边长120mm，供电电压85-265V；不透光板采用不透光的白色PVC板，板厚度3mm，板中心开直径6mm孔；光屏采用泰州钰杰教学设备有限公司的黑色光屏。
实施例1
一种基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法，其特征在于包括以下步骤：
a.安装监测设备：在边坡内布设三角形光源，在三角形光源和滑坡体之间的边坡上布设中间带小孔的不透光板，在滑坡体上方布设光屏；
本发明的三角形光源和不透光板是固定在边坡上，不伸到滑坡体的，光屏是通过光屏底架插设在滑坡上，从而使得光屏与光屏底架随滑坡移动。
b.调整光源、不透光板及光屏的相对位置：调节光源、不透光板及光屏的相对位置，使三角形光源的中心、不透光板的小孔中心和光屏在一条直线上，且该直线垂直滑坡滑动方向，在光屏上清晰的观察到倒置的三角形的像，保持三角形像位于光屏中心；
在这里光源、不透光板和光屏的位置没有严格的规定，只要能在光屏上出现清晰的小孔成像即可。
c.在光屏上沿坡向向下为负，沿坡向向上为正，向光源方向为正，反光源方向为负；
d.滑坡体向下滑动时，光屏跟着滑坡体向下/上滑动，光屏上的三角形像的n个顶点的坐标反向向上/下运动；当滑坡体背离三角形光源水平向滑动时，光屏跟着滑坡体背离三角形光源水平向滑动，光屏上的三角形像变大；当滑坡体向正三角形光源水平向滑动时，光屏跟着滑坡体向正三角形光源水平向滑动，光屏上的三角形像变小；读取光屏上三角形像两个顶点的坐标，根据三角形像顶点坐标的变化计算坡向滑动位移和坡向滑动速度，根据三角形像边长的变化计算水平向滑动位移和水平向滑动速度。
本发明光屏其他颜色光屏也可以，黑色光屏效果最好。
为了方便读取三个顶点的坐标，本发明在光屏上设置刻度，能够直观的读取光屏上三角形像三个顶点的坐标。可以机读也可以人工读取。
实施例2：
一种基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法，其特征在于包括以下步骤：
a.安装监测设备：在边坡上垂直布设正三角形光源，正三角形某个顶点竖直向上。在光源和滑坡体之间的边坡上垂直布设不透光板，板中间有小孔，在滑坡体上垂直布设黑色光屏。正三角形光源不局限于正三角形，实际应用中任意形状光源均可。
b.调整正三角形光源、不透光板及光屏的相对位置：调节正三角形光源、不透光板上小孔及光屏的相对位置，使三者在一条直线上，且该直线垂直滑坡滑动方向，并且在光屏上清晰的观察到倒置的正三角形的像，尽量保持正三角形像位于光屏中心。
c.在光屏上设置合适刻度，能够直观的读取光屏上正三角形像3个顶点的坐标，刻度沿坡向向下为负，沿坡向向上为正，向光源方向为正，反光源方向为负。
d.当滑坡体向下滑动时，光屏跟着滑坡体向下/上滑动，光屏上的正三角形像三个顶点的坐标反向向上/下运动；当滑坡体背离正三角形光源水平向滑动时，光屏跟着滑坡体背离正三角形光源水平向滑动，光屏上的正三角形像变大；当滑坡体向正三角形光源水平向滑动时，光屏跟着滑坡体向正三角形光源水平向滑动，光屏上的正三角形像变小。读取光屏上正三角形像2个顶点的坐标，根据正三角形像顶点坐标的变化计算坡向滑动位移和坡向滑动速度，根据正三角形像边长的变化计算水平向滑动位移和水平向滑动速度。
本实施例中，所述的在光屏上设置合适刻度，能够直观的读取光屏上正三角形像2个顶点的坐标，不局限于人工方法读取光屏上正三角形像2个顶点的坐标，也可采用机器自动读取光屏上正三角形像2个顶点的坐标。
本实施例中，所述步骤d中根据正三角形像顶点坐标的变化计算坡向滑动位移和坡向滑动速度，根据正三角形像边长的变化计算水平向滑动位移和水平向滑动速度的计算公式如下：
设t0时刻读取光屏上正三角形像2个顶点坐标，第一个顶点坐标(x10，y10)，第二个顶点坐标(x20，y20)，不透光板到光屏垂直距离为K0；ti时刻读取光屏上正三角形像2个顶点坐标，第一个顶点坐标(x1i，y1i)，第二个顶点坐标(x2i，y2i)。根据光沿直线传播和相似三角形原理计算ti(i＝1，2，3…n)时刻滑坡滑动位移和滑坡滑动速度。
ti时刻正三角形坡向滑动位移为：
Figure BDA0003275887570000081
ti时刻正三角形坡向滑动位移方向：若x1i-x10＞0则，滑动方向沿坡向向下；若x1i-x10＜0则，滑动方向沿坡向向上。
ti-1至ti沿坡向滑动速度：
Figure BDA0003275887570000082
ti-1至ti沿坡向滑动速度方向：若x1i-x1(i-1)＞0则，滑动速度方向沿坡向向下；若x1i-x1(i-1)＜0则，滑动速度方向沿坡向向上。
t0时刻正三角形像边长为：
Figure BDA0003275887570000083
ti时刻正三角形像边长为：
Figure BDA0003275887570000084
ti时刻垂直坡向滑动位移：
Figure BDA0003275887570000085
ti时刻垂直坡向滑动位移方向为：若Li-L(i-1)＞0则，背离光源方向滑动；若Li-L(i-1)＜0则，向光源方向滑动。
根据相似三角形原理，ti-1至ti垂直坡向滑动速度：
Figure BDA0003275887570000086
Figure BDA0003275887570000091
ti-1至ti沿坡向滑动速度方向：若Li+L(i+1)＞0则，滑动速度方向背离光源方向；若Li+L(i-1)＜0则，滑动速度方向向光源方向。
实施例3
a.安装监测设备：在边坡上垂直布设江门市典艺雅照明有限公司正三角形灯，正三角形灯电源线方向的顶点竖直向上。在光源和滑坡体之间的边坡上垂直布设白色PVC板，板厚度3mm，板中心开直径6mm孔。在滑坡体上垂直布设泰州钰杰教学设备有限公司的黑色光屏。
b.调整正三角形灯、白色PVC板及黑色光屏的相对位置，使三者在一条直线上，且该直线垂直滑坡滑动方向，并且在光屏上清晰的观察到倒置的正三角形灯的像，尽量保持正三角形灯像位于光屏中心。
c.在黑色光屏上设置合适刻度，刻度沿坡向向下为负，沿坡向向上为正，向正三角形灯方向为正，反正三角形灯方向为负，刻度的精度达到mm级。在黑色光屏上读取正三角形灯像2个顶点的坐标分别为(x10＝59.97，y10＝34.46)和(x20＝-60.03，y20＝34.46)。白色PVC板到黑色光屏垂直距离为495mm。
d.每间隔1月读取一次黑色光屏上正三角形灯像2个顶点坐标，共读数5次。第1月末读取黑色光屏上正三角形灯像2个顶点坐标为(x11＝65.89，y11＝32.77)和(x21＝-66.11，y21＝32.77)。第2月末读取黑色光屏上正三角形灯像2个顶点坐标为(x12＝68.59，y12＝28.73)和(x22＝-69.41，y22＝28.73)。第3月末读取黑色光屏上正三角形灯像2个顶点坐标为(x13＝71.97，y13＝27.58)和(x23＝-72.03，y23＝27.58)。第4月末读取黑色光屏上正三角形灯像2个顶点坐标为(x14＝76.16，y14＝26.31)和(x24＝-75.64，y24＝26.31)。第5月末读取黑色光屏上正三角形灯像2个顶点坐标为(x15＝80.47，y15＝22.44)和(x25＝-80.52，y25＝22.44)。
根据公式
Figure BDA0003275887570000101
计算5月滑坡体沿坡向滑动位移分别为(1m，6.16mm)，(2m，10.35mm)，(3m，13.83mm)，(4m，18.13mm)，(5m，23.76mm)。x1i-x1(i-1)＞0滑动方向沿坡向向下。
根据公式
Figure BDA0003275887570000102
Figure BDA0003275887570000103
计算5月滑坡体沿坡向滑动速度分别为(1m，6.16mm/m)，(2m，4.19mm/m)，(3m，3.48mm/m)，(4m，4.29mm/m)，(5m，5.64mm/m)。x1i-x1(i-1)＞0，滑动速度方向沿坡向向下。
ti时刻垂直坡向滑动位移：
根据公式
Figure BDA0003275887570000104
5个月滑坡体沿垂直坡向滑动位移分别为(1m，49.50mm)，(2m，74.25mm)，(3m，99.00mm)，(4m，131.18mm)，(5m，169.08mm)。Li-L(i-1)＞0，滑动方向背离光源方向滑动。
根据公式
Figure BDA0003275887570000105
Figure BDA0003275887570000111
计算5月滑坡体沿坡向滑动速度分别为(1m，49.50mm/m)，(2m，24.75mm/m)，(3m，24.75mm/m)，(4m，32.18mm/m)，(5m，37.91mm/m)。Li-L(i-1)＞0，滑动速度方向背离光源方向。
实施例4
一种基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度监测方法，包括以下步骤：
a.安装监测设备：在边坡上垂直布设江门市典艺雅照明有限公司正三角形灯，正三角形灯电源线方向的顶点竖直向上。在光源和滑坡体之间的边坡上垂直布设白色PVC板，板厚度3mm，板中心开直径6mm孔。在滑坡体上垂直布设泰州钰杰教学设备有限公司的黑色光屏。
b.调整正三角形灯、白色PVC板及黑色光屏的相对位置，使三者在一条直线上，且该直线垂直滑坡滑动方向，并且在光屏上清晰的观察到倒置的正三角形灯的像，尽量保持正三角形灯像位于光屏中心。
c.在黑色光屏上设置合适刻度，刻度沿坡向向下为负，沿坡向向上为正，向正三角形灯方向为正，反正三角形灯方向为负，刻度的精度达到mm级。在黑色光屏上读取正三角形灯像2个顶点的坐标分别为(x10＝60.97，y10＝33.46)和(x20＝-59.03，y20＝33.46)。白色PVC板到黑色光屏垂直距离为1m。
d.每间隔1月读取一次黑色光屏上正三角形灯像2个顶点坐标，共读数5次。第1月末读取黑色光屏上正三角形灯像2个顶点坐标为(x11＝65.36，y11＝30.22)和(x21＝-56.28，y21＝30.22)。第2月末读取黑色光屏上正三角形灯像2个顶点坐标为(x12＝68.63，y12＝27.92)和(x22＝-53.45，y22＝27.92)。第3月末读取黑色光屏上正三角形灯像2个顶点坐标为(x13＝78.20，y13＝25.44)和(x23＝-51.84，y23＝25.44)。第4月末读取黑色光屏上正三角形灯像2个顶点坐标为(x14＝86.74，y14＝24.27)和(x24＝-50.34，y24＝24.27)。第5月末读取黑色光屏上正三角形灯像2个顶点坐标为(x15＝92.35，y15＝22.43)和(x25＝-48.58，y25＝22.43)。
根据公式
Figure BDA0003275887570000121
计算5月滑坡体沿坡向滑动位移分别为(1m，5.46mm)，(2m，9.45mm)，(3m，19.01mm)，(4m，27.36mm)，(5m，33.26mm)。x1i-x1(i-1)＞0滑动方向沿坡向向下。
根据公式
Figure BDA0003275887570000122
Figure BDA0003275887570000123
计算5月滑坡体沿坡向滑动速度分别为(1m，5.46mm/m)，(2m，4.00m/m)，(3m，9.55mm/m)，(4m，8.35mm/m)，(5m，5.90mm/m)。x1i-x1(i-1)＞0，滑动速度方向沿坡向向下。
ti时刻垂直坡向滑动位移：
根据公式
Figure BDA0003275887570000124
5个月滑坡体沿垂直坡向滑动位移分别为(1m，4.10mm)，(2m，5.20mm)，(3m，25.10mm)，(4m，42.70mm)，(5m，52.33mm)。Li-L(i-1)＞0，滑动方向背离光源方向滑动。
根据公式
Figure BDA0003275887570000132
计算5月滑坡体沿坡向滑动速度分别为(1m，4.10mm/m)，(2m，1.10mm/m)，(3m，19.90mm/m)，(4m，17.60mm/m)，(5m，9.63mm/m)。Li-L(i-1)＞0，滑动速度方向背离光源方向。
本发明的技术方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法，其特征在于，包括以下方法：
a.安装监测设备：在边坡上布设三角形光源，在三角形光源和滑坡体之间的边坡上布设中间带小孔的不透光板，在滑坡体上布设光屏；
b.调整光源、不透光板及光屏的相对位置：调节光源、不透光板及光屏的相对位置，使三角形光源的中心、不透光板的小孔中心和光屏在一条直线上，在光屏上清晰的观察到倒置的三角形的像；
c.在光屏上沿坡向向下为负，沿坡向向上为正，向光源方向为正，反光源方向为负；
d.滑坡体向下滑动时，光屏跟着滑坡体向下/上滑动，光屏上的三角形像的三个顶点的坐标反向向上/下运动；当滑坡体背离三角形光源水平向滑动时，光屏跟着滑坡体背离三角形光源水平向滑动，光屏上的三角形像变大；当滑坡体向正三角形光源水平向滑动时，光屏跟着滑坡体向正三角形光源水平向滑动，光屏上的三角形像变小；读取光屏上三角形像两个顶点的坐标，根据三角形像顶点坐标的变化计算坡向滑动位移和坡向滑动速度，根据三角形像边长的变化计算水平向滑动位移和水平向滑动速度。
2.根据权利要求1所述的基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法，其特征在于，所述光屏为黑色光屏。
3.根据权利要求1所述的基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法，其特征在于，在光屏上设置刻度，能够直观的读取光屏上三角形像三个顶点的坐标。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法，其特征在于，所述步骤b.调整光源、不透光板及光屏的相对位置：调节光源、不透光板及光屏的相对位置，使三角形光源的中心、不透光板的小孔中心和光屏在一条直线上，且该直线垂直滑坡滑动方向，在光屏上清晰的观察到倒置的三角形的像，保持三角形像位于光屏中心。
5.根据权利要求4所述的基于小孔成像的滑坡滑动位移和滑动速度的监测方法，其特征在于，所述步骤d中根据正三角形像顶点坐标的变化计算坡向滑动位移和坡向滑动速度，根据正三角形像边长的变化计算水平向滑动位移和水平向滑动速度的计算公式如下：
设t0时刻读取光屏上正三角形像2个顶点坐标，第一个顶点坐标(x10，y10)，第二个顶点坐标(x20，y20)，不透光板到光屏垂直距离为K0；ti时刻读取光屏上正三角形像2个顶点坐标，第一个顶点坐标(x1i，y1i)，第二个顶点坐标(x2i，y2i)。根据光沿直线传播和相似三角形原理计算ti(i＝1,2,3…n)时刻滑坡滑动位移和滑坡滑动速度；
ti时刻正三角形坡向滑动位移为：
Figure FDA0003275887560000021
ti时刻正三角形坡向滑动位移方向：若x1i-x10>0则，滑动方向沿坡向向下；若x1i-x10<0则，滑动方向沿坡向向上；
ti-1至ti沿坡向滑动速度：
Figure FDA0003275887560000031
ti-1至ti沿坡向滑动速度方向：若x1i-x1(i-1)>0则，滑动速度方向沿坡向向下；若x1i-x1(i-1)<0则，滑动速度方向沿坡向向上；
t0时刻正三角形像边长为：
Figure FDA0003275887560000032
ti时刻正三角形像边长为：
Figure FDA0003275887560000033
ti时刻垂直坡向滑动位移：
Figure FDA0003275887560000034
ti时刻垂直坡向滑动位移方向为：若Li-L(i-1)>0则，背离光源方向滑动；若Li-L(i-1)<0则，向光源方向滑动；
根据相似三角形原理，ti-1至ti垂直坡向滑动速度：
Figure FDA0003275887560000035
ti-1至ti沿坡向滑动速度方向：若Li-L(i-1)>0则，滑动速度方向背离光源方向；若Li-L(i-1)<0则，滑动速度方向向光源方向。
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