CN114973602A - 一种山体滑坡监测预报警方法及系统 - Google Patents

一种山体滑坡监测预报警方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种山体滑坡监测预报警方法及系统，通过滑坡监测模块采集监测点的初始位置坐标和位移坐标，通过主控模块构建所有监测点的向量组，并计算所有监测点的向量组的向量模，在有多个监测点的向量组的向量模超过报警阈值时，通过报警模块进行山体滑坡报警；本发明解决了现有山体滑坡监测系统和方法存在报警不准确、误报率高的问题。

Description

一种山体滑坡监测预报警方法及系统
技术领域
本发明涉及地质灾害防治技术领域，具体涉及一种山体滑坡监测预报警方法及系统。
背景技术
21世纪初到最近五年，国外已经利用智能监控系统对滑坡进行监测和预警。现有技术利用图像监控系统对滑坡进行预报，该系统由高分辨率光学摄像机安装在位于滑坡前的稳定顶板上的混凝土柱上，并由数据记录仪控制。国外对滑坡监测做了大量研究，涉及传感、通信、信息处理等技术，同时需要民用、机械、电气和计算机工程等方面的合作。现有山体滑坡监测系统和方法存在报警不准确、误报率高的情况。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种山体滑坡监测预报警方法及系统解决了现有山体滑坡监测系统和方法存在报警不准确、误报率高的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种山体滑坡监测预报警方法，包括以下步骤：
S1、在山体未发生位移时，记录某个时间段的所有监测点的初始位置坐标；
S2、判断监测点的初始位置坐标是否满足滑坡安全监测标准要求，若是，则跳转至步骤S3，若否，调整监测点的传感器，并跳转至步骤S1；
S3、在山体发生位移时，记录某个时间段的所有监测点的位移坐标；
S4、根据监测点的位移坐标和初始位置坐标，构建所有监测点的向量组；
S5、计算所有监测点的向量组的向量模；
S6、在有多个监测点的向量组的向量模超过报警阈值时，进行山体滑坡报警。
本发明的有益效果为：本发明通过记录监测点的初始位置坐标和位移坐标，建立向量组，一方面可以通过向量组内的特征向量的方向去判断滑坡位移方向，从而对滑坡走向进行准确的判断，另一方面可以通过计算向量组的向量模判断位移的长短，判断滑坡程度的大小，结合这两方面，可以充分对滑坡方向和滑坡规模进行精确的判断，从而进行准确报警，降低误报率。
进一步地，所述步骤S1包括以下分步骤：
S11、在山体未发生位移时，通过倾角传感器测量在某个时间段内监测点的初始坐标信息；
S12、对在某个时间段内测得的同一个监测点的初始坐标信息中的横坐标求平均值，得到初始横坐标；
S13、对在某个时间段内测得的同一个监测点的初始坐标信息中的纵坐标求平均值，得到初始纵坐标；
S14、将同一监测点的初始横坐标和初始纵坐标作为同一监测点的初始位置坐标。
进一步地，所述步骤S13和S14中采用最小圆的方式求纵横坐标的均值。
上述进一步方案的有益效果为：对一段时间内的初始坐标信息求取平均值，从而保障初始位置坐标的准确率。
进一步地，所述步骤S4中监测点的向量组为：tfi＝(Ai,Bi)，Ai＝(mAi,rmAi)，Bi＝(mBi,rmBi)，rmAi＝|rAi-RAi|，rmBi＝|rBi-RBi|，其中，tfi为第i个监测点的向量组，Ai为第i个监测点的特征向量，mAi为第i个监测点的初始位置坐标，rmAi为第i个监测点的位移值，Bi为第i个监测点的相邻监测点的特征向量，mBi为第i个监测点的相邻监测点的初始位置坐标，rmBi为第i个监测点的相邻监测点的位移值，rAi为第i个监测点的位移坐标的最小圆的半径，RAi为第i个监测点的位移坐标的最大圆的半径，rBi为第i个监测点的相邻监测点的位移坐标的最小圆的半径，RBi为第i个监测点的相邻监测点的位移坐标的最大圆的半径。
上述进一步方案的有益效果为：对一段时间内的所有监测点位移值求取，从而保障监测点位移值的准确，降低误报率。
进一步地，所述步骤S5中计算所有监测点的向量组的向量模的公式为：
Figure BDA0003642126930000031
其中，Mi为第i个监测点的向量组的向量模。
进一步地，所述步骤S6中报警阈值的公式为：
M＝k1k2f
其中，M为报警阈值，k1为距离调整系数，k2为安全系数，f为滑坡距离。
一种山体滑坡监测预报警系统，包括：电源模块、滑坡监测模块、主控模块、第一电源监测模块、第二电源监测模块、存储模块、报警模块、通信模块和模数转换模块；
所述电源模块分别与滑坡监测模块、主控模块、第一电源监测模块、第二电源监测模块、存储模块、报警模块、通信模块和模数转换模块的供电端电连接；所述主控模块分别与第一电源监测模块、第二电源监测模块、存储模块、报警模块、通信模块和模数转换模块电连接；所述模数转换模块还与滑坡监测模块电连接。
进一步地，所述电源模块包括：太阳能电池组、第一稳压电路、第二稳压电路和第三稳压电路；
所述太阳能电池组分别与第一稳压电路的输入端、第一电源监测模块的输入端和滑坡监测模块的供电端连接；所述第一稳压电路的输出端分别与第二稳压电路的输入端、第三稳压电路的输入端和模数转换模块的供电端连接；所述第二稳压电路的输出端分别与主控模块的供电端和存储模块的供电端连接；所述第三稳压电路的输出端分别与第二电源监测模块的输入端和通信模块的供电端连接。
进一步地，所述滑坡监测模块包括：倾角传感器、拉线式位移传感器、负荷压力传感器和直线位移传感器。
综上，本发明的有益效果为：本发明通过电源模块为各个模块供电，通过滑坡监测模块采集山体滑坡数据，在本地端，通过主控模块处理山体滑坡数据，监测山体滑坡数据的异常，在山体滑坡数据异常时，通过报警模块报警，通过通信模块将山体滑坡数据发送至第三平台，进行远端监测和报警，同时还通过第一电源监测模块和第二电源监测模块监测电源数据，保障供电正常。
附图说明
图1为一种山体滑坡监测预报警方法的流程图；
图2为一种山体滑坡监测预报警系统的系统框图；
图3为电源模块的连接关系图；
图4为测试结果曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种山体滑坡监测预报警方法，包括以下步骤：
S1、在山体未发生位移时，记录某个时间段的所有监测点的初始位置坐标；
所述步骤S1包括以下分步骤：
S11、在山体未发生位移时，通过倾角传感器测量在某个时间段内监测点的初始坐标信息；
S12、对在某个时间段内测得的同一个监测点的初始坐标信息中的横坐标求平均值，得到初始横坐标；
S13、对在某个时间段内测得的同一个监测点的初始坐标信息中的纵坐标求平均值，得到初始纵坐标；
S14、将同一监测点的初始横坐标和初始纵坐标作为同一监测点的初始位置坐标。
所述步骤S13和S14中采用最小圆的方式求纵横坐标的均值。
S2、判断监测点的初始位置坐标是否满足滑坡安全监测标准要求，若是，则跳转至步骤S3，若否，调整监测点的传感器，并跳转至步骤S1；
S3、在山体发生位移时，记录某个时间段的所有监测点的位移坐标；
S4、根据监测点的位移坐标和初始位置坐标，构建所有监测点的向量组；
所述步骤S4中监测点的向量组为：tfi＝(Ai,Bi)，Ai＝(mAi,rmAi)，Bi＝(mBi,rmBi)，rmAi＝|rAi-RAi|，rmBi＝|rBi-RBi|，其中，tfi为第i个监测点的向量组，Ai为第i个监测点的特征向量，mAi为第i个监测点的初始位置坐标，rmAi为第i个监测点的位移值，Bi为第i个监测点的相邻监测点的特征向量，mBi为第i个监测点的相邻监测点的初始位置坐标，rmBi为第i个监测点的相邻监测点的位移值，rAi为第i个监测点的位移坐标的最小圆的半径，RAi为第i个监测点的位移坐标的最大圆的半径，rBi为第i个监测点的相邻监测点的位移坐标的最小圆的半径，RBi为第i个监测点的相邻监测点的位移坐标的最大圆的半径。
S5、计算所有监测点的向量组的向量模；
所述步骤S5中计算所有监测点的向量组的向量模的公式为：
Figure BDA0003642126930000061
其中，Mi为第i个监测点的向量组的向量模。
S6、在有多个监测点的向量组的向量模超过报警阈值时，进行山体滑坡报警。
所述步骤S6中报警阈值的公式为：
M＝k1k2f
其中，M为报警阈值，k1为距离调整系数，k2为安全系数，f为滑坡距离。
在本实施例中，布置了m个监测点，在单个监测点的向量模超过报警阈值时，可不进行报警，在两个以上监测点的向量模超过报警阈值时，且特征向量Ai方向相同，则根据超过报警阈值的监测点数量进行不同程度的报警。
如图2所示，一种山体滑坡监测预报警系统，包括：电源模块、滑坡监测模块、主控模块、第一电源监测模块、第二电源监测模块、存储模块、报警模块、通信模块和模数转换模块；
所述电源模块分别与滑坡监测模块、主控模块、第一电源监测模块、第二电源监测模块、存储模块、报警模块、通信模块和模数转换模块的供电端电连接；所述主控模块分别与第一电源监测模块、第二电源监测模块、存储模块、报警模块、通信模块和模数转换模块电连接；所述模数转换模块还与滑坡监测模块电连接。
山体滑坡监测预报警系统通过在现场的报警模块来进行现场监测报警，提醒现场人员和周围群众疏散及安全处理。通过上位机软件或者滑坡监测云平台进行远程设置预报警值，同时山体滑坡监测预报警系统采集到的传感数据发送至上位机软件或者滑坡监测云平台，进行远程报警和监控。
在本实施例中，本系统还包括485转换模块，主控模块的主控芯片采用STM32F103ZET6，通信模块采用4G模块。
如图3所示，所述电源模块包括：太阳能电池组、第一稳压电路、第二稳压电路和第三稳压电路；
所述太阳能电池组分别与第一稳压电路的输入端、第一电源监测模块的输入端和滑坡监测模块的供电端连接；所述第一稳压电路的输出端分别与第二稳压电路的输入端、第三稳压电路的输入端和模数转换模块的供电端连接；所述第二稳压电路的输出端分别与主控模块的供电端和存储模块的供电端连接；所述第三稳压电路的输出端分别与第二电源监测模块的输入端和通信模块的供电端连接。
第一电源监测模块用于监测太阳能电池组输出的电压，第二电源监测模块用于监测第三稳压电路输出的电压。
通过对市场上目前各种传感器的比较，选取精度高、功能强和智能化程度高的高精度倾角传感器、拉线式位移传感器、负荷压力传感器、直线位移传感器以及声光报警器，如表1所示。这些传感器具有在野外恶劣环境下工作的特点。
表1传感器类型与性能指标
Figure BDA0003642126930000071
Figure BDA0003642126930000081
针对滑坡中典型的山体位移变化，选取倾角传感器和拉线式位移传感器对一定斜坡角度和裂缝位移变化进行模拟测量实验，并进行误差分析。
滑坡裂缝中重点监测的是拉张裂缝和剪切裂缝，测试选取0-5V(4-20m A)8路模拟信号。实验中，以拉线式位移传感器作为电压测试信号，其量程为0-1000mm输出电压为0-5V，高精度倾角传感器作为电流测试信号，其量程为0-±30°输出电流为4-20m A，频率为1Hz，选取调试模式，打印数据通过串口助手。设置固定倾角为10°，连续测量250次，得到的数据通过串口打印结果并保存文件，图4为测试结果曲线图。
由图4中的数据，通过计算求取测量的平均值为10.088度，图4中的峰值为10.092°，最小值为10.081°，实际手工测量的值为10°，得到的测量误差为0.05％。

Claims (9)

1.一种山体滑坡监测预报警方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在山体未发生位移时，记录某个时间段的所有监测点的初始位置坐标；
S2、判断监测点的初始位置坐标是否满足滑坡安全监测标准要求，若是，则跳转至步骤S3，若否，调整监测点的传感器，并跳转至步骤S1；
S3、在山体发生位移时，记录某个时间段的所有监测点的位移坐标；
S4、根据监测点的位移坐标和初始位置坐标，构建所有监测点的向量组；
S5、计算所有监测点的向量组的向量模；
S6、在有多个监测点的向量组的向量模超过报警阈值时，进行山体滑坡报警。
2.根据权利要求1所述的山体滑坡监测预报警方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下分步骤：
S11、在山体未发生位移时，通过倾角传感器测量在某个时间段内监测点的初始坐标信息；
S12、对在某个时间段内测得的同一个监测点的初始坐标信息中的横坐标求平均值，得到初始横坐标；
S13、对在某个时间段内测得的同一个监测点的初始坐标信息中的纵坐标求平均值，得到初始纵坐标；
S14、将同一监测点的初始横坐标和初始纵坐标作为同一监测点的初始位置坐标。
3.根据权利要求2所述的山体滑坡监测预报警方法，其特征在于，所述步骤S13和S14中采用最小圆的方式求纵横坐标的均值。
4.根据权利要求1所述的山体滑坡监测预报警方法，其特征在于，所述步骤S4中监测点的向量组为：tfi＝(Ai，Bi)，Ai＝(mAi，rmAi)，Bi＝(mBi，rmBi)，rmAi＝|rAi-RAi|，rmBi＝|rBi-RBi|，其中，tfi为第i个监测点的向量组，Ai为第i个监测点的特征向量，mAi为第i个监测点的初始位置坐标，rmAi为第i个监测点的位移值，Bi为第i个监测点的相邻监测点的特征向量，mBi为第i个监测点的相邻监测点的初始位置坐标，rmBi为第i个监测点的相邻监测点的位移值，rAi为第i个监测点的位移坐标的最小圆的半径，RAi为第i个监测点的位移坐标的最大圆的半径，rBi为第i个监测点的相邻监测点的位移坐标的最小圆的半径，RBi为第i个监测点的相邻监测点的位移坐标的最大圆的半径。
5.根据权利要求4所述的山体滑坡监测预报警方法，其特征在于，所述步骤S5中计算所有监测点的向量组的向量模的公式为：
Figure FDA0003642126920000021
其中，Mi为第i个监测点的向量组的向量模。
6.根据权利要求1所述的山体滑坡监测预报警方法，其特征在于，所述步骤S6中报警阈值的公式为：
M＝k1k2f
其中，M为报警阈值，k1为距离调整系数，k2为安全系数，f为滑坡距离。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的山体滑坡监测预报警方法的系统，其特征在于，包括：电源模块、滑坡监测模块、主控模块、第一电源监测模块、第二电源监测模块、存储模块、报警模块、通信模块和模数转换模块；
所述电源模块分别与滑坡监测模块、主控模块、第一电源监测模块、第二电源监测模块、存储模块、报警模块、通信模块和模数转换模块的供电端电连接；所述主控模块分别与第一电源监测模块、第二电源监测模块、存储模块、报警模块、通信模块和模数转换模块电连接；所述模数转换模块还与滑坡监测模块电连接。
8.根据权利要求7所述的山体滑坡监测预报警方法的系统，其特征在于，所述电源模块包括：太阳能电池组、第一稳压电路、第二稳压电路和第三稳压电路；
所述太阳能电池组分别与第一稳压电路的输入端、第一电源监测模块的输入端和滑坡监测模块的供电端连接；所述第一稳压电路的输出端分别与第二稳压电路的输入端、第三稳压电路的输入端和模数转换模块的供电端连接；所述第二稳压电路的输出端分别与主控模块的供电端和存储模块的供电端连接；所述第三稳压电路的输出端分别与第二电源监测模块的输入端和通信模块的供电端连接。
9.根据权利要求7所述的山体滑坡监测预报警方法的系统，其特征在于，所述滑坡监测模块包括：倾角传感器、拉线式位移传感器、负荷压力传感器和直线位移传感器。
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张维科: "塔子坪滑坡滑动实时位移监测预警及数据分析", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库基础科学辑》 *

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CN114973602B (zh) 2023-05-30

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