CN116110195A - 泥石流预警的方法及计算机存储介质 - Google Patents

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CN116110195A CN202111317505.7A CN202111317505A CN116110195A CN 116110195 A CN116110195 A CN 116110195A CN 202111317505 A CN202111317505 A CN 202111317505A CN 116110195 A CN116110195 A CN 116110195A
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signal
length
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詹森
夏顺盈
牟春雷
李阳春
刘建平
刘宇薇
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Abstract

本发明提供了一种泥石流预警的方法及计算机存储介质。该方法包括步骤一、以t1时常采集信号为单位对地声采集仪采集的信号进行连续处理判断，包括：1.1判断当前t1时常采集信号是否满足条件a和b，若均满足，则判定当前t1时常采集信号为疑似泥石流信号，并转至步骤1.2；条件a，t1时常采集信号的能量归一化差值大于阈值K；条件b，t1时常采集信号的频率范围处于泥石流特征频率范围内；1.2按照步骤1.1方式继续进行在后连续多个t1时常采集信号处理判断；步骤二、判断是否存在连续n个t1时常采集信号均同时满足条件a和b，若是，则触发泥石流预警。本发明方法大大提高了泥石流监测预警准确性。

Description

泥石流预警的方法及计算机存储介质
技术领域
本发明涉及一种泥石流预警的方法及计算机存储介质，尤其是一种结合能量归一化差值和泥石流信号特征实现泥石流预警的方法。
背景技术
泥石流是在适当的地形条件下，由于暴雨等水源条件激发，山坡或沟壑中的固体堆积物被大量水体浸透，使得泥沙、石块与水混合并在自身重力的作用下失去稳定性而形成的高含沙流体，其特征是暴发突然，短时间内就能聚集大量泥沙、石块冲出沟外。泥石流在雨季暴发频率高，对工农业生产以及人民生命财产造成巨大损害，且对其它人类活动造成威胁，是最主要的地质灾害监测预警目标之一。
传统上的泥石流防治主要是以修建工程构造物为主，但其造价高且施工期长，在人口稀疏的地区建造效益甚低。在我国大部分泥石流易发区，以单条沟壑作为监测单元，结合当地地形地貌、历史降雨数据，划定泥石流发生的警戒雨量，再综合当前气象部门提供的即使性降雨信息(累积雨量和降雨强度)等致灾因子，研判泥石流发生状态，进行泥石流灾害预报。此方法再多个泥石流监测实例中起到一定作，但是监测准确度较低，仍难达到泥石流预警监测要求。近年来，国内外学者们开发了一系列新型的、准确度较高、应变时间较短的事发型泥石流监测方法，其中以地声监测最具代表性。
地声是由泥石流流动时流体中石块与石块摩擦撞击，流体中石块与沟壑、河床中石块摩擦撞击产生的能量转化为地表振动时产生的。地声传播速度快，可达到800～1000m/s，其主要频率范围为10～150HZ。通过地声检波器，可采集到地声信号，并应用处理程序进行监测资料的统计、波形及频谱分析，经自动判定频率、幅值及时间后，判定泥石流发生状态、进行泥石流预警。然而，通过地声检测仪器获取泥石流地声信号时，不可避免混入环境噪声和人为产生的噪声信号，干扰真实地声信号，造成泥石流监测虚警率高。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明提供了一种泥石流预警的方法及计算机存储介质。
本发明的技术解决方案为：
根据一方面，提供一种泥石流预警的方法，该方法包括：
步骤一、以t1时常采集信号为单位对地声采集仪采集的信号进行连续处理判断，包括：
1.1判断当前t1时常采集信号是否满足条件a和b，若均满足，则判定当前t1时常采集信号为疑似泥石流信号，并转至步骤1.2；否则判断当前t1时常采集信号为疑似泥石流信号；
条件a，t1时常采集信号的能量归一化差值大于阈值K；
条件b，t1时常采集信号的频率范围处于泥石流特征频率范围内；
1.2按照步骤1.1方式继续进行在后连续多个t1时常采集信号处理判断；
步骤二、根据步骤一得到的处理判断结果，进一步判断是否存在连续n个t1时常采集信号均同时满足条件a和b，若是，则触发泥石流预警，其中，n个t1时常不小于设定时间阈值T。
进一步地，通过下述方式获取t1时常采集信号的能量归一化差值：
在采集信号上取一个测试点i，分别计算i点对应的长度为l1的短窗能量SA和长度为l2的长窗能量LA；
根据所述短窗能量SA和长窗能量LA计算能量归一化差值。
进一步地，通过下式计算i点对应的长度为l1的短窗能量SA和长度为l2的长窗能量LA：
Figure BDA0003344040890000031
Figure BDA0003344040890000032
其中，A(i)为i时刻的泥石流地声信号的能量值。
进一步地，通过下式根据所述短窗能量SA和长窗能量LA计算能量归一化差值：
Figure BDA0003344040890000033
其中，RA为能量归一化差值。
进一步地，所述短时窗长度l1取值为泥石流地声信号主周期的2～3倍，所述长窗长度l2是短窗长度的5～10倍。
进一步地，所述阈值K不低于0.3。
进一步地，所述t1时常为1s；所述设定时间阈值T为10s。
进一步地，对t1时常采集信号做FFT频域分析以获取t1时常采集信号的频率范围。
进一步地，所述泥石流特征频率范围为10～150HZ。
根据另一方面，提供一种计算机存储介质，其中存储有实现上述泥石流预警的方法的计算机程序。
上述技术方案通过设置条件a(t1时常采集信号的能量归一化差值大于阈值K)和条件b(t1时常采集信号的频率范围处于泥石流特征频率范围内)对地声采集仪采集的信号进行筛选以获取疑似泥石流信号，并在此基础上，对同时满足条件a和b的信号进行持续时长判断，由此能够获取真实地声信号，准确判断出泥石流发生状态，提高泥石流监测预警准确性。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例提供的短窗能量(SA)和长窗能量(LA)计算方法示意图；
图2示出了根据本发明实施例提供的泥石流预警的方法流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
在本发明的一个实施例中，提供一种泥石流预警的方法，该方法包括：
步骤一、以t1时常采集信号为单位对地声采集仪采集的信号进行连续处理判断，包括：
1.1判断当前t1时常采集信号是否满足条件a和b，若均满足，则判定当前t1时常采集信号为疑似泥石流信号，并转至步骤1.2；否则判断当前t1时常采集信号为疑似泥石流信号；
条件a，t1时常采集信号的能量归一化差值大于阈值K；
条件b，t1时常采集信号的频率范围处于泥石流特征频率范围内；
1.2按照步骤1.1方式继续进行在后连续多个t1时常采集信号处理判断；
步骤二、根据步骤一得到的处理判断结果，进一步判断是否存在连续n个t1时常采集信号均同时满足条件a和b，若是，则触发泥石流预警，其中，n个t1时常不小于设定时间阈值T。
举例来说，可以以1S采集数据为单位进行处理，1S采集信号经过能量归一化差值方法判断输入信号幅值能量是否大于阈值K；并进一步判断信号是否处于泥石流特征频率范围内，如果满足同时满足条件a和b，则判定为疑似泥石流信号，并对满足条件a和b的信号进行时长判断，比如，若连续10s的信号均满足条件a和b，则触发预警。
可见，本发明实施例通过设置条件a(t1时常采集信号的能量归一化差值大于阈值K)和条件b(t1时常采集信号的频率范围处于泥石流特征频率范围内)对地声采集仪采集的信号进行筛选以获取疑似泥石流信号，并在此基础上，对同时满足条件a和b的信号进行持续时长判断，由此能够获取真实地声信号，准确判断出泥石流发生状态，提高泥石流监测预警准确性。
在上述实施例中，作为本发明一项重要之处，如图1所示，通过下述方式获取t1时常采集信号的能量归一化差值：
在采集信号上取一个测试点i，分别计算i点对应的长度为l2的短窗能量SA和长度为l1的长窗能量LA；
根据所述短窗能量SA和长窗能量LA计算能量归一化差值。
也即，计算两个不同长度窗口内信号幅值能量大小，短窗能量记为SA和长窗能量记为LA，计算两个能量值的归一化差值，记为RA,值域为0-1，值越大，信号能量越强。通过该方法可压制幅值能量变化小的噪声信号，放大幅值能量变化大的地声信号。进而通过设置能量归一化差值阈值K，分离地声信号与噪声信号。
具体的，如图1所示，图1中，i为任意一个测试点；1是测试点i所对应的长窗口，长度为l2；2是测试点i所对应的短窗口，长度为l1。在采集到的信号记录上取一个测试点i，分别计算i点对应的长度为l2的短窗能量(SA)和长度为l1的长窗能量(LA)，通过计算测试点i所对应的短窗能量(SA)与长窗能量(LA)的归一化差值可以反映出采集信号的能量变化，设置能量归一化差值阈值K，判断出有无地声信号出现。
本实施例中，通过下式计算i点对应的长度为l2的短窗能量SA和长度为l1的长窗能量LA：
Figure BDA0003344040890000061
Figure BDA0003344040890000062
其中，A(i)为t1时常采集信号的能量幅值。
通过下式根据所述短窗能量SA和长窗能量LA计算能量归一化差值：
Figure BDA0003344040890000071
其中，RA为能量归一化差值。
也即，当发生一个有效的泥石流事件并被检波器采集时，短窗能量(SA)与长窗能量(LA)的归一化差值会明显增加，如果此时的归一化差值大于预定的判断阈值k，那么可以认为该时刻疑似泥石流发生。
在上述实施例中，为了保证判断结果的准确性，所述短时窗长度l1取值为泥石流地声信号主周期的2～3倍，所述长窗长度l2是短窗长度的5～10倍。
在上述实施例中，可根据设定参考现场环境来设置阈值K，优选的，所述阈值K不低于0.3。
在上述实施例中，为了保证预警的准确性，所述t1时常可以为1s；所述设定时间阈值T可以为10s。
在上述实施例中，为了获取采集信号的频率范围，对t1时常采集信号做FFT频域分析以获取t1时常采集信号的频率范围。
本实施例中，具体的FFT频域分析手段为本领域常规技术，在此不再详细赘述。
在上述实施例中，为了进一步提高判断结果的准确性，所述泥石流特征频率范围设置为10～150HZ。
举例来说，地声监测仪采样频率为1024HZ，获取的地声信号数据做FFT频域分析，进一步判断超过阈值的信号频率范围是否处于地声特征频率范围10～150HZ；对满足条件a和b的信号进行持续时间分析。由于泥石流发生时持续时间较长，设置10S的持续时间，可屏蔽持续时长短的噪声的干扰。采集数据时长以1S为单位，进行能量归一化差值和FFT操作，若连续10S信号数据满足这两步操作，则判断为泥石流发生，触发预警。
根据本发明一种具体实施例，如图2所示，泥石流预警的方法包括：首先输入地声采集仪采集的信号，以1S采集数据为单位进行处理；1S采集信号经过能量归一化差值方法判断输入信号幅值能量是否大于阈值K。若否，则返回能量归一化差值操作，若是则继续执行FFT频域分析判断；对信号做FFT频域分析，判断信号是否处于泥石流特征频率范围内(10～150HZ)，若否，返回到能量归一化差值操作，若是，继续执行时长判断；将满足前两步判断的信号进行持续时长判断，若连续10s信号都满足能量归一化差值操作和FFT操作，则触发预警，否则返回能量归一化差值操作。
根据另一实施例，还提供一种计算机存储介质，其中存储有实现上述泥石流预警的方法的计算机程序。
综上，本发明实施例的目的是通过不同时长窗口内能量的归一化差值，检测泥石流发生时真实地声信号，并结合泥石流信号特征，综合判断泥石流发生状态，大大提高了泥石流监测预警准确性。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种泥石流预警的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、以t1时常采集信号为单位对地声采集仪采集的信号进行连续处理判断，包括：
1.1判断当前t1时常采集信号是否满足条件a和b，若均满足，则判定当前t1时常采集信号为疑似泥石流信号，并转至步骤1.2；否则判断当前t1时常采集信号为疑似泥石流信号；
条件a，t1时常采集信号的能量归一化差值大于阈值K；
条件b，t1时常采集信号的频率范围处于泥石流特征频率范围内；
1.2按照步骤1.1方式继续进行在后连续多个t1时常采集信号处理判断；
步骤二、根据步骤一得到的处理判断结果，进一步判断是否存在连续n个t1时常采集信号均同时满足条件a和b，若是，则触发泥石流预警，其中，n个t1时常不小于设定时间阈值T。
2.根据权利要求1所述的一种泥石流预警的方法，其特征在于，通过下述方式获取t1时常采集信号的能量归一化差值：
在采集信号上取一个测试点i，分别计算i点对应的长度为l1的短窗能量SA和长度为l2的长窗能量LA；
根据所述短窗能量SA和长窗能量LA计算能量归一化差值。
3.根据权利要求2所述的一种泥石流预警的方法，其特征在于，通过下式计算i点对应的长度为l1的短窗能量SA和长度为l2的长窗能量LA：
Figure FDA0003344040880000011
Figure FDA0003344040880000021
其中，A(i)为i时刻的泥石流地声信号的能量值。
4.根据权利要求3所述的一种泥石流预警的方法，其特征在于，通过下式根据所述短窗能量SA和长窗能量LA计算能量归一化差值：
Figure FDA0003344040880000022
其中，RA为能量归一化差值。
5.根据权利要求3所述的一种泥石流预警的方法，其特征在于，所述短时窗长度l1取值为泥石流地声信号主周期的2～3倍，所述长窗长度l2是短窗长度的5～10倍。
6.根据权利要求1所述的一种泥石流预警的方法，其特征在于，所述阈值K不低于0.3。
7.根据权利要求1所述的一种泥石流预警的方法，其特征在于，所述t1时常为1s；所述设定时间阈值T为10s。
8.根据权利要求1所述的一种泥石流预警的方法，其特征在于，对t1时常采集信号做FFT频域分析以获取t1时常采集信号的频率范围。
9.根据权利要求1所述的一种泥石流预警的方法，其特征在于，所述泥石流特征频率范围为10～150HZ。
10.一种计算机存储介质，其中存储有实现权利要求1-9任一项所述泥石流预警的方法的计算机程序。
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