CN114267157B - 基于光学遥感监测突发性工程地质灾害三级监测预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学遥感监测突发性工程地质灾害三级监测预警方法，包括：获取岩体的位移指标和振动速度频谱图；基于振动速度频谱图，计算均方频率指标和低频能量占比指标；将得到的位移指标、均方频率指标及低频能量占比指标分别与各自对应的预警阈值进行比较，根据比较结果实现对突发性地质灾害的预警分析。本监测预警方法适用于工程地质灾害监测预警，为高山峡谷等高风险地区工程更好的应对突发性地质灾害提供了新的技术支持。

Description

基于光学遥感监测突发性工程地质灾害三级监测预警方法

技术领域

本发明涉及工程地质灾害监测预警技术领域，特别涉及一种基于光学遥感监测突发性工程地质灾害三级监测预警方法。

背景技术

随着大量交通、水利和能源工程在复杂多变的高山峡谷的建设，越来越多的高陡边坡工程案例随之出现，加剧了崩塌等地质灾害的破坏风险和数量等级。因此，如何实现高山峡谷地区突发性地质灾害的预警研究，有效减少地质灾害造成的人员伤亡和财产损失，是目前工程建设亟待解决的主要问题之一。但目前现有的突发性工程地质灾害监测预警方法存在时效性与准确性不足的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于光学遥感监测突发性工程地质灾害三级监测预警方法，以解决现有地质灾害监测预警方法存在的时效性与准确性不足的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种基于光学遥感监测突发性工程地质灾害三级监测预警方法，包括：

获取岩体的位移指标和振动速度频谱图；

基于所述振动速度频谱图，计算均方频率指标和低频能量占比指标；

将得到的位移指标、均方频率指标以及低频能量占比指标分别与各自对应的预警阈值进行比较，根据比较结果实现对突发性地质灾害的预警分析。

进一步地，所述位移指标通过激光测距仪测得。

进一步地，所述振动速度频谱图的获取方式为：

通过激光多普勒测振仪对岩体表面的振动速度进行监测；

对振动速度数据进行傅里叶变换，得到对应时刻岩体的振动速度频谱图。

进一步地，所述均方频率指标f_b的计算公式为：

式中，f表示频率，p(f)表示f对应的幅值。

进一步地，所述低频能量占比指标E_r1的计算公式为：

式中，f表示频率，p(f)表示f对应的幅值。

进一步地，低频能量占比是指0-10Hz中的振动能量占总振动能量的比值。

进一步地，所述位移指标的预警阈值为3mm，所述均方频率指标的预警阈值为30Hz，所述低频能量占比指标的预警阈值为50％。

进一步地，所述将得到的位移指标、均方频率指标以及低频能量占比指标分别与各自对应的预警阈值进行比较，根据比较结果实现对突发性地质灾害的预警分析，包括：

将得到的位移指标以及均方频率指标分别与各自对应的预警阈值进行比较；

当位移指标、均方频率指标中的其中一项指标达到其对应的预警阈值时，触发一级报警；

当位移指标、均方频率指标以及低频能量占比指标中的其中两项指标均达到各自对应的预警阈值时，触发二级报警；

当位移指标、均方频率指标以及低频能量占比指标均达到各自对应的预警阈值时，触发三级报警。

再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。

又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

相对于传统监测方法，本发明提供的突发性工程地质灾害三级监测预警方法基于位移指标，均方频率与低频能量占比等可以从岩体振动中的频域特征与能量特征上进行损伤分析与破坏前兆识别，因此在突发性地质灾害的早期预警方面具有明显优势。更为重要的是，由于这三种指标可由LDV与LRF监测得出，因此在工程监测中具有简单便捷、安全高效等技术应用优势。由此，本发明提供了新的监测指标与预警方法，为岩体崩塌等脆性破坏灾害提供了技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于光学遥感监测突发性工程地质灾害三级监测预警方法的执行流程示意图；

图2a是本发明实施例提供的振动速度历史曲线图；

图2b是本发明实施例提供的振动速度频谱图；

图3是本发明实施例提供的获取岩体的位移指标和振动速度的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

目前随着光学监测技术的发展，新一代激光多普勒测振仪(LDV)已可以实现目标岩体的远程振动监测。基于此，本实施例针对现有的突发性工程地质灾害监测预警方法时效性与准确性不足的问题，通过引入LDV与激光测距仪(LRF)，实现对岩体位移与振动的高精度远程监测，通过开展岩体崩塌破坏早期预警方法试验研究，为突发性地质灾害监测预警提供新的监测指标与预警方法，以期为现场更好的应对岩体崩塌等脆性破坏灾害提供技术支持。

基于上述，本实施例提供了一种基于光学遥感监测突发性工程地质灾害三级监测预警方法，该方法的执行流程如图1所示，包括以下步骤：

S1，获取岩体的位移指标和振动速度频谱图；

具体地，在本实施例中，如图3所示，上述S1的实现过程如下：

通过激光测距仪测得岩体的位移指标。通过激光多普勒测振仪对岩体表面的振动速度进行监测，如图2a所示，对监测到的振动速度进行傅里叶变换处理，可得该时刻岩体的振动速度频谱图，如图2b所示。

S2，基于所述振动速度频谱图，计算均方频率指标和低频能量占比指标；

其中，基于岩体的振动速度频谱图，根据如下公式可计算均方频率指标f_b：

式中，f表示频率，p(f)表示该频率对应的幅值。基于频率的损伤识别模型可知，均方频率越小，说明岩体可能发生损伤，趋于危险。

基于岩体的振动速度频谱图，根据如下公式可计算低频能量占比E_r1：

式中，f表示频率，p(f)表示该频率对应的幅值。

其中，低频能量占比是指0-10Hz中的振动能量占总振动能量的比值，当低频能量占比越大，说明振动信号在低频区间的成分增多。

S3，将得到的位移指标、均方频率指标以及低频能量占比指标分别与各自对应的预警阈值进行比较，根据比较结果实现对突发性地质灾害的预警分析。

具体地，在本实施例中，设置位移指标的预警阈值为3mm，设置均方频率指标的预警阈值为30Hz，设置低频能量占比指标的预警阈值为50％。

根据上述理论公式可实现突发性地质灾害监测预警，具体为：将得到的位移指标以及均方频率指标分别与各自对应的预警阈值进行比较，当位移指标、均方频率指标中的其中一项达到其对应的预警阈值时，触发一级报警；当位移指标、均方频率指标及低频能量占比指标中的其中两项达到各自对应的预警阈值时，触发二级报警；当位移指标、均方频率指标及低频能量占比指标均达到各自对应的预警阈值时，触发三级报警。

下面，通过实验的方式，验证本实施例方法的有效性。

实验中，分别采用LRF(型号：DL4169)与LDV(型号：UD100型)来实现岩体崩塌全过程的位移监测与振动监测，如图3所示。实验自计时起，515秒后发生崩塌下滑破坏，LRF与LDV分别测量了不同时刻岩体的位移、均方频域与低频能量占比指标，实验结果如表1所示。

表1实验结果

试验环境振动的均方频率为42Hz，危岩的固有振动频率预警值为6Hz，低频能量占比预警阈值为50％，计算可得其均方频率预警阈值为30Hz。

由表1可知，岩体在380s触发均方频率预警时，其低频能量占比并未达到50％的预警线，为单一主指标报警；当到达500s时，均方频率与低频能量占比均达到预警线，触发二级报警。基于均方频率与低频能量占比的双动力学指标监测预警方法，可为工程提供更严格的预警等级，进而引起人们的重视并及时做出应急决策。基于位移指标、单动力学指标与本方法的效果分析如表2所示。

表2基于位移、动力学指标与多指标的三种预警方法对比

由表2可知，在本实验中采用多指标监测预警方法可提前135s实现突发性地质灾害的早期预警，并在之后的8次监测中7次成功预警，准确率达87.5％，优于传统方法的0s的预警时效与12.5％的预警准确率。此外，本基于光学遥感监测突发性工程地质灾害三级监测预警方法，基于更多信息源，可实现三级预警，即380s触发一级报警，500s时触发二级报警，515s时触发三级报警。本方法不仅可以降低振动监测中遇到高频破裂信号等因素的干扰，且具有较好的时效性和准确性，可以为工程中更科学的预警突发性地质灾害提供新的技术支持。

综上，本基于光学遥感监测突发性工程地质灾害三级监测预警方法，通过光学遥感技术获取岩体静力学与动力学指标等多个信息，可有效识别岩体相对丰富的致灾因子信息，通过集成多个监测指标实现了突发性工程地质灾害的三级预警，在一定程度上改善了突发性地质灾害监测预警的时效性与准确性。

本实施例针对现有突发性工程地质灾害监测预警时效性与准确性的不足，提出一种基于激光遥感监测技术的突发性工程地质灾害早期预警方法。实验结果得出，本实施例提供的预警方法，不仅可以提前135s实现突发性地质灾害的预警，准确率也可从原有的12.5％上升到87.5％。与传统监测预警方法相比，本实施例的方法不仅在突发性地质灾害预警时效性和准确性方面表现优异，而且可以实现灾害的三级预警，为工程现场崩塌等脆性破坏灾害的预警预防提供了相对可靠的解决方案。因此，激光多普勒测振仪等光学遥感监测技术可以为高山峡谷等地质灾害高风险地区更好的应对突发性地质灾害提供新的技术支持。

第二实施例

本实施例提供一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现第一实施例的方法。

该电子设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，CPU)和一个或一个以上的存储器，其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行上述方法。

第三实施例

本实施例提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现第一实施例的方法。其中，该计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。其内存储的指令可由终端中的处理器加载并执行上述方法。

此外，需要说明的是，本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (4)

1.一种基于光学遥感监测突发性工程地质灾害三级监测预警方法，其特征在于，所述基于光学遥感监测突发性工程地质灾害三级监测预警方法包括：

获取岩体的位移指标和振动速度频谱图；

基于所述振动速度频谱图，计算均方频率指标和低频能量占比指标；

将得到的位移指标、均方频率指标以及低频能量占比指标分别与各自对应的预警阈值进行比较，根据比较结果实现对突发性地质灾害的预警分析；

所述低频能量占比指标E_r1的计算公式为：

式中，f表示频率，p(f)表示f对应的幅值；

所述低频能量占比是指0-10Hz中的振动能量占总振动能量的比值；

所述位移指标的预警阈值为3mm，所述均方频率指标的预警阈值为30Hz，所述低频能量占比指标的预警阈值为50％；

所述将得到的位移指标、均方频率指标以及低频能量占比指标分别与各自对应的预警阈值进行比较，根据比较结果实现对突发性地质灾害的预警分析，包括：

将得到的位移指标及均方频率指标分别与各自对应的预警阈值进行比较；

当位移指标、均方频率指标中的其中一项指标达到其对应的预警阈值时，触发一级报警；

当位移指标、均方频率指标以及低频能量占比指标中的其中两项指标均达到各自对应的预警阈值时，触发二级报警；

当位移指标、均方频率指标以及低频能量占比指标均达到各自对应的预警阈值时，触发三级报警。

2.如权利要求1所述的基于光学遥感监测突发性工程地质灾害三级监测预警方法，其特征在于，所述位移指标通过激光测距仪测得。

3.如权利要求1所述的基于光学遥感监测突发性工程地质灾害三级监测预警方法，其特征在于，所述振动速度频谱图的获取方式为：

通过激光多普勒测振仪对岩体表面的振动速度进行监测；

对振动速度数据进行傅里叶变换，得到对应时刻岩体的振动速度频谱图。

4.如权利要求1所述的基于光学遥感监测突发性工程地质灾害三级监测预警方法，其特征在于，所述均方频率指标f_b的计算公式为：

式中，f表示频率，p(f)表示f对应的幅值。

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