CN116399211A - 一种基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法，通过现场查看边坡滑移的发展情况找到边坡的滑移线，在边坡滑移的风险区域布置两个北斗监测点；然后将风险区域划分成网格点，每一个网格点是一个虚拟监测点，最后通过两个北斗监测点的监测数据计算每个虚拟监测点的位移，最终形成边坡面滑移的预警。本发明能够在边坡滑移的发展过程中，通过在边坡上布设两个北斗监测点，然后基于两点的监测数据来获得面滑移监测，实现了对边坡监测由关键点的监测数据扩展为滑移面监测数据的升级，能更好的反映和预警边坡滑移的变化趋势。

Description

一种基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法
技术领域
本发明涉及边坡安全监测技术领域，具体涉及一种基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法。
背景技术
边坡稳定性确定问题一直是一个困扰广大工程技术人员的难题。近年来随着电子信息技术的不断发展和国家重大公共设施的完善，开始出现基于北斗卫星导航系统的边坡形变监测技术，得益于北斗系统的高精度，使得厘米级的形变监测成为可能。然而使用北斗定位系统得到的是单个定位天线所在监测点的坐标变化情况，一般通过提高布设监测点位的数量，通过综合分析多个点的滑移情况来判断整个边坡的滑移情况，最终提高监测的准确度。
北斗卫星导航系统进行边坡形变监测虽然提高了监测精度，但是依然存在两个比较关键的难题：
第一是多个监测点位的选取困难：当对某一个具有潜在滑坡风险的边坡进行北斗监测的时候，工程技术人员首先会根据岩土专业知识对滑坡体进行现场勘探，根据边坡滑移线的情况选取具备代表意义的滑坡监测点，但是一般代表意义的滑坡点大多处在滑移线的附近，往往滑移线附近的地质条件不好，土质疏松，裂缝很多，不满足建设混凝土地基安装北斗监测设备的要求。
第二是如何综合利用多个监测点的数据来分析计算整个边坡的滑移的问题：多个监测点位，每一个都有自己的滑移数据，如何用这些数据来计算出一个能代表边坡滑移情况的值，或者说如何建立一个预警值的模型，这也是一个难点。现有的方法大多是针对单个监测点的数据来发出预警，选取滑移值最大的监测点数据来代表整个边坡的最大滑移数据，这里面就会存在较大的误差。
综上所述，急需一种基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法，旨在解决现有技术中采用北斗卫星导航系统进行边坡形变监测需要布置多个北斗监测点的问题，具体技术方案如下：
一种基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法，包括以下步骤：
步骤S1、找到滑移线以及滑移线下方边坡滑移的风险区域，并绘制俯视平面图；
步骤S2、在滑移线下方的左、右两侧分别布设北斗监测点；
步骤S3、计算北斗监测点的滑移值，在俯视平面图上标注北斗监测点滑移前、后的位置；
步骤S4、分别将两个北斗监测点滑移前、后的位置进行连线，两个连线延长相交的点为虚拟滑移起始点，虚拟滑移起始点与北斗监测点之间的连线方向作为滑移趋势线；
步骤S5、两条滑移趋势线之间的风险区域为可计算滑坡风险区域，对可计算滑坡风险区域进行网格划分，得到n个虚拟监测点；
步骤S6、计算虚拟监测点滑移后的位置点，具体是：在两条滑移趋势线上找到两个滑移等值点，将虚拟监测点与虚拟滑移起始点的连线方向作为第三条滑移趋势线，在第三条滑移趋势线上找到第三个滑移等值点，并计算第三个滑移等值点滑移后的位置点；根据第三滑移等值点的滑移值，计算虚拟监测点滑移后的位置点；
步骤S7、重复步骤S6，获得所有虚拟监测点滑移后的位置点。
以上技术方案中优选的，根据所有虚拟监测点滑移后的位置点进行边坡的滑坡预警。
以上技术方案中优选的，所述步骤S1中绘制俯视平面图时，同时建立平面直角坐标系，坐标原点为
Figure SMS_1
。
以上技术方案中优选的，在监测的时间方向上设置滑移时间窗口，分别统计滑移时间窗口内两个北斗监测点的水平位移数据，将北斗监测点位移数据的平均值当做北斗监测点的位移数据。
以上技术方案中优选的，所述虚拟滑移起始点位于滑移线的上方，其滑移量为0。
以上技术方案中优选的，两个北斗监测点滑移前的坐标位置分别为点
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和点/>
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，滑移后的坐标位置分别为点/>
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，两个北斗监测点滑移前、后位置的连线分别为/>
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，则虚拟滑移起始点/>
Figure SMS_8
的坐标根据表达式1）和表达式2）计算：
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1），
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2）。
以上技术方案中优选的，所述步骤S6中在两条滑移趋势线上找到两个滑移等值点，具体是：
两个北斗监测点的滑移值分别为
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和/>
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，第一条滑移趋势线对应滑移值为
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的北斗监测点，第二条滑移趋势线对应滑移值为/>
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的北斗监测点；
假设
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大于/>
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，那么在第一条滑移趋势线上必然存在一个点/>
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，其滑移后的位置点为/>
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和点B即为两个滑移等值点；
根据滑移趋势线上各点的滑移值均匀递增变化得：
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3），
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4），
根据
Figure SMS_24
三点共线得：
Figure SMS_25
5）。
以上技术方案中优选的，将虚拟监测点
Figure SMS_26
和虚拟滑移起始点Q连线的方向作为第三条滑移趋势线，在第三条滑移趋势线上存在第三个滑移等值点/>
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和B组成的曲线为等值线，线上所有的点的滑移值均相等，等值线上的点与虚拟滑移起始点的连线的长度随着夹角变化呈均匀变化规律，得到：
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6），
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7），
由
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三点共线得：
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为第一条滑移趋势线和第二条滑移趋势线之间的夹角，/>
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为第一条滑移趋势线和第三条滑移趋势线之间的夹角。
以上技术方案中优选的，滑移后的位置点
Figure SMS_38
根据表达式10）和表达式11）计算：
根据等值线上各点滑移值相同得：
Figure SMS_39
9），
Figure SMS_40
10），
根据
Figure SMS_41
三点共线得：
Figure SMS_42
11）。
以上技术方案中优选的，根据表达式13）和表达式14）计算虚拟监测点P滑移后的位置点
Figure SMS_43
：
根据滑移趋势线上各点的滑移值为均匀递增得：
Figure SMS_44
12），
Figure SMS_45
13），
根据
Figure SMS_46
三点共线得：
Figure SMS_47
14）。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
本发明能够在边坡滑移的发展过程中，通过在边坡上布设两个北斗监测点，然后基于两点的监测数据来获得可计算滑坡风险区域的面滑移，实现了对边坡监测由关键点的监测数据扩展为滑移面监测数据的升级，能更好的反映和预警边坡滑移的变化趋势。
现有技术中需要布设多个北斗监测点实现监测，本发明仅需设置两个北斗监测点，相较于现有技术大大降低了北斗监测点选址存在的困难；经过实际验证，本发明的方法能够满足监测的需求，节约监测成本。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是俯视平面图标注两个北斗监测点滑移前、后位置的示意图；
图2是可计算滑坡风险区域网格划分后的示意图；
图3是绘制等值线后的示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1：
本实施例提供了一种基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法，该方法的原理是将边坡土壤离散化，将边坡看成是由一个一个的土壤颗粒相互作用，堆集起来的整体。将边坡滑移的发展情况看成是土壤颗粒在受到外力扰动之后，在重力和摩擦力相互作用下缓慢达到新的平衡的过程。由于边坡形状各异，在竖直方向上的受力和平衡过程难以直接分析，但是在俯视平面图上，水平方向上的分力方向能满足基本分析。
所述基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法包括以下步骤：
步骤S1、找到滑移线以及滑移线下方边坡滑移的风险区域，并绘制俯视平面图；
具体的，关于如何找到滑移线以及风险区域为本领域的公知常识，需要岩土工程的专业知识并结合经验参数进行判断，本实施例中不对其进行展开说明。具体的，通过现场查看边坡滑移的发展情况，找到边坡的滑移线，滑移线明显的时候会在地面上形成连贯的裂缝。
进一步的，所述步骤S1中绘制俯视平面图时，同时建立平面直角坐标系，坐标原点为
Figure SMS_48
，便于后续的计算。绘制的俯视平面图包括滑移线和风险区域，即步骤S1是绘制监测边坡的俯视平面图。
步骤S2、在滑移线下方的左、右两侧分别布设北斗监测点；
具体的，北斗监测点的布设位置要满足两个方面的要求：一个是地质条件符合，即能够开挖地基，能够浇筑混凝土底座，另一个是要能具有一定的代表性，能够代表该区域内的整体滑移趋势。本领域人员知晓，北斗监测点的选取涉及到众多的经验知识，本实施例中不再对其进行详细说明。
步骤S3、计算北斗监测点的滑移值，在俯视平面图上标注北斗监测点滑移前、后的位置；
具体的，本实施例中在监测的时间方向上设置滑移时间窗口，分别统计滑移时间窗口内两个北斗监测点的水平位移数据，将北斗监测点位移数据的平均值当做北斗监测点的位移数据。
步骤S4、分别将两个北斗监测点滑移前、后的位置进行连线，两个连线延长相交的点为虚拟滑移起始点，虚拟滑移起始点与北斗监测点之间的连线方向作为滑移趋势线（实际操作时，可以将虚拟滑移起始点与北斗监测点之间的连线作为滑移趋势线）；
参见图1，两个北斗监测点滑移前的坐标位置分别为点
Figure SMS_49
和点
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，滑移后的坐标位置分别为点/>
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，则虚拟滑移起始点/>
Figure SMS_55
的坐标根据表达式1）和表达式2）计算：
Figure SMS_56
1），
Figure SMS_57
2）。
参见图2，所述虚拟滑移起始点位于滑移线的上方，其滑移量为0；即虚拟滑移起始点位于滑移线上方不会产生滑移的安全区域（即非风险区域），本实施例的方法才能顺利的进行应用；若是虚拟滑移起始点位于风险区域内部，则本实施例的方法不适用，认为选取的两个北斗监测点的位置不能代表整个边坡面滑移的趋势，需要对其进行调整。
步骤S5、两条滑移趋势线之间的风险区域为可计算滑坡风险区域，对可计算滑坡风险区域进行网格划分，得到n个虚拟监测点；
优选的，本实施例中按照等间距的方法划分网格，每一个网格线的交叉点都是一个待计算的虚拟监测点，如下图2中的
Figure SMS_58
点；虚拟监测点是人为设置的，其初始的坐标是已知的。结合图2可知，北斗监测点的位置选取与可计算滑坡风险区域的大小息息相关，理论上来讲，在满足虚拟滑移起始点位于滑移线上方的情况下，两个北斗监测点之间的距离越近，可计算滑坡风险区域则越小，两个北斗监测点之间的距离越远，可计算滑坡风险区域则越大。
步骤S6、计算虚拟监测点滑移后的位置点，具体是：在两条滑移趋势线上找到两个滑移等值点，将虚拟监测点与虚拟滑移起始点的连线方向作为第三条滑移趋势线，在第三条滑移趋势线上找到第三个滑移等值点，并计算第三个滑移等值点滑移后的位置点；根据第三滑移等值点的滑移值，计算虚拟监测点滑移后的位置点；
进一步的，步骤S6的具体计算方式如下：
首先，假设两个北斗监测点的滑移值不同，将滑移值小的北斗监测点作为第一个滑移等值点，在滑移值大的北斗监测点的滑移趋势线上寻找与第一个滑移等值点滑移值相等的第二个滑移等值点；第二个滑移等值点的坐标根据其滑移趋势线上各点的滑移值均匀递增变化的特点、以及虚拟滑移起始点、第二个滑移等值点滑移前的位置点和滑移值大的北斗监测点滑移前的位置点三点共线构建方程组进行求解。
因此，在两条滑移趋势线上找到两个滑移等值点，具体方式是：
如图3所示，两个北斗监测点的滑移值分别为
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和/>
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，第一条滑移趋势线对应滑移值为/>
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的北斗监测点，第二条滑移趋势线对应滑移值为/>
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的北斗监测点；
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，那么在第一条滑移趋势线上必然存在一个点/>
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；
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Figure SMS_68
，点/>
Figure SMS_69
和点B即为两个滑移等值点；
根据滑移趋势线上各点的滑移值均匀递增变化得：
Figure SMS_70
3），
Figure SMS_71
4），
根据
Figure SMS_72
三点共线得：
Figure SMS_73
5）。
然后，将虚拟监测点与虚拟滑移起始点的连线方向作为第三条滑移趋势线，在第三条滑移趋势线上找到第三个滑移等值点，第三滑移等值点的坐标根据三个滑移等值点组成的等值线上各点的滑移值相等、等值线上各点与虚拟滑移起始点的连线的长度随着夹角变化呈均匀变化规律、以及虚拟滑移起始点、虚拟监测点滑移前的位置点和第三滑移等值点滑移前的位置点三点共线构建方程组进行求解；
具体的，如图3所示，虚拟监测点
Figure SMS_74
和虚拟滑移起始点Q连线的方向作为第三条滑移趋势线，在第三条滑移趋势线上存在第三个滑移等值点/>
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，其滑移后的位置点为/>
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；
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和B组成的曲线为等值线，线上所有的点的滑移值均相等，等值线上的点与虚拟滑移起始点的连线的长度随着夹角变化呈均匀变化规律，得到：
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6），
Figure SMS_80
7），
由
Figure SMS_81
三点共线得：
Figure SMS_82
8），
根据表达式7）和表达式8）计算点
Figure SMS_83
，/>
Figure SMS_84
为第一条滑移趋势线和第二条滑移趋势线之间的夹角，/>
Figure SMS_85
为第一条滑移趋势线和第三条滑移趋势线之间的夹角。
其次，根据三个滑移等值点的滑移值相同，以及虚拟滑移起始点、第三个滑移等值点滑移前的位置点和滑移后的位置点三点共线构建方程组，计算第三个滑移等值点滑移后的位置点；
具体的，滑移后的位置点
Figure SMS_86
根据表达式10）和表达式11）计算：
根据等值线上各点滑移值相同得：
Figure SMS_87
9），
Figure SMS_88
10），
根据
Figure SMS_89
三点共线得：
Figure SMS_90
11）。
最后，根据第三条滑移趋势线上各点的滑移值为均匀递增，以及虚拟滑移起始点、虚拟监测点滑移前的位置点和滑移后的位置点三点共线构建方程组，计算虚拟监测点滑移后的位置点；
具体的，根据表达式13）和表达式14）计算虚拟监测点P滑移后的位置点
Figure SMS_91
：
根据滑移趋势线上各点的滑移值为均匀递增得：
Figure SMS_92
12），
Figure SMS_93
13），
根据
Figure SMS_94
三点共线得：
Figure SMS_95
14）。
步骤S7、重复步骤S6，获得所有虚拟监测点滑移后的位置点。
进一步的，根据所有虚拟监测点滑移后的位置点进行边坡的滑坡预警，可以根据各虚拟监测点的位置变化形成边坡面滑移的趋势图。预警设置时，可以根据滑坡风险区域的最大滑移值预警，也可以根据整体均值预警，还可以根据选取的最大风险位置虚拟点的滑移值预警，具体方式可以具体设计，本实施例不展开论述。
应用案例：
选取湘西某高速公路土质边坡1月1日到1月31日的监测数据作为试验数据。在滑移线下方的两侧安装有两个北斗监测点，同时在两个北斗监测点之间的风险区域也安装了一个北斗监测点。本次试验通过将两侧两个北斗监测点的数据按照本实施例的方法计算出第三个北斗监测点位置处的滑移位置，将计算值与该点处实际的北斗监测点的监测值进行对比，验证方法的可行性。
首先绘制边坡的俯视平面图，选取合适的观测点位作为坐标原点，两个北斗监测点的坐标分别为A(40，24)、B(67.8，30.6)，选取的均值时间窗口为1个月，一个月内A和B两个北斗监测点的平均滑移位置分别为
Figure SMS_96
(37.5，18)、/>
Figure SMS_97
(70，27)。第三个北斗监测点也就是处在风险区域内的测试点位P点的坐标为P(52.5,40)，在一个时间窗口内，第三个北斗监测点的平均滑移位置为/>
Figure SMS_98
(49.8,38.1)。
根据本实施例的方法计算出虚拟滑移起始点Q（53,55），计算得到等值点
Figure SMS_99
（67.8,30.6），计算得到第3个等值点/>
Figure SMS_100
（52.3,32.5），计算得到第3个等值点的滑移位置/>
Figure SMS_101
（52,28.6），计算得到虚拟监测点P的滑移位置/>
Figure SMS_102
（52.4,36.8）。
比较
Figure SMS_103
和/>
Figure SMS_104
，两者基本接近，在平面直角坐标系内X轴和Y轴的误差值分别为5.2%、-3.4%，说明本实施例的方法能满足使用需求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、找到滑移线以及滑移线下方边坡滑移的风险区域，并绘制俯视平面图；
步骤S2、在滑移线下方的左、右两侧分别布设北斗监测点；
步骤S3、计算北斗监测点的滑移值，在俯视平面图上标注北斗监测点滑移前、后的位置；
步骤S4、分别将两个北斗监测点滑移前、后的位置进行连线，两个连线延长相交的点为虚拟滑移起始点，虚拟滑移起始点与北斗监测点之间的连线方向作为滑移趋势线；
步骤S5、两条滑移趋势线之间的风险区域为可计算滑坡风险区域，对可计算滑坡风险区域进行网格划分，得到n个虚拟监测点；
步骤S6、计算虚拟监测点滑移后的位置点，具体是：在两条滑移趋势线上找到两个滑移等值点，将虚拟监测点与虚拟滑移起始点的连线方向作为第三条滑移趋势线，在第三条滑移趋势线上找到第三个滑移等值点，并计算第三个滑移等值点滑移后的位置点；根据第三滑移等值点的滑移值，计算虚拟监测点滑移后的位置点；
步骤S7、重复步骤S6，获得所有虚拟监测点滑移后的位置点。
2.根据权利要求1所述的基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法，其特征在于，根据所有虚拟监测点滑移后的位置点进行边坡的滑坡预警。
3.根据权利要求1所述的基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法，其特征在于，所述步骤S1中绘制俯视平面图时，同时建立平面直角坐标系，坐标原点为
Figure QLYQS_1
。
4.根据权利要求1所述的基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法，其特征在于，在监测的时间方向上设置滑移时间窗口，分别统计滑移时间窗口内两个北斗监测点的水平位移数据，将北斗监测点位移数据的平均值当做北斗监测点的位移数据。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法，其特征在于，所述虚拟滑移起始点位于滑移线的上方，其滑移量为0。
6.根据权利要求5所述的基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法，其特征在于，两个北斗监测点滑移前的坐标位置分别为点
Figure QLYQS_2
和点/>
Figure QLYQS_3
，滑移后的坐标位置分别为点/>
Figure QLYQS_4
和点/>
Figure QLYQS_5
，两个北斗监测点滑移前、后位置的连线分别为/>
Figure QLYQS_6
和/>
Figure QLYQS_7
，则虚拟滑移起始点/>
Figure QLYQS_8
的坐标根据表达式1）和表达式2）计算：
Figure QLYQS_9
1），
Figure QLYQS_10
2）。
7.根据权利要求6所述的基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法，其特征在于，所述步骤S6中在两条滑移趋势线上找到两个滑移等值点，具体是：
两个北斗监测点的滑移值分别为
Figure QLYQS_11
和/>
Figure QLYQS_12
，第一条滑移趋势线对应滑移值为
Figure QLYQS_13
的北斗监测点，第二条滑移趋势线对应滑移值为/>
Figure QLYQS_14
的北斗监测点；
假设
Figure QLYQS_15
大于/>
Figure QLYQS_16
，那么在第一条滑移趋势线上必然存在一个点/>
Figure QLYQS_17
，其滑移后的位置点为/>
Figure QLYQS_18
，滑移值/>
Figure QLYQS_19
；
根据表达式4）和表达式5）计算点
Figure QLYQS_20
，点B1和点B即为两个滑移等值点；
根据滑移趋势线上各点的滑移值均匀递增变化得：
Figure QLYQS_21
3），
Figure QLYQS_22
4），
根据
Figure QLYQS_23
三点共线得：
Figure QLYQS_24
5）。
8.根据权利要求7所述的基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法，其特征在于，将虚拟监测点
Figure QLYQS_25
和虚拟滑移起始点Q连线的方向作为第三条滑移趋势线，在第三条滑移趋势线上存在第三个滑移等值点/>
Figure QLYQS_26
，其滑移后的位置点为/>
Figure QLYQS_27
；
点
Figure QLYQS_28
、/>
Figure QLYQS_29
和B组成的曲线为等值线，线上所有的点的滑移值均相等，等值线上的点与虚拟滑移起始点的连线的长度随着夹角变化呈均匀变化规律，得到：
Figure QLYQS_30
6），
Figure QLYQS_31
7），
由
Figure QLYQS_32
三点共线得：
Figure QLYQS_33
8），
根据表达式7）和表达式8）计算点
Figure QLYQS_34
，/>
Figure QLYQS_35
为第一条滑移趋势线和第二条滑移趋势线之间的夹角，/>
Figure QLYQS_36
为第一条滑移趋势线和第三条滑移趋势线之间的夹角。
9.根据权利要求8所述的基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法，其特征在于，滑移后的位置点
Figure QLYQS_37
根据表达式10）和表达式11）计算：
根据等值线上各点滑移值相同得：
Figure QLYQS_38
9），
Figure QLYQS_39
10），
根据
Figure QLYQS_40
三点共线得：
Figure QLYQS_41
11）。
10.根据权利要求9所述的基于两点北斗监测定位计算边坡面滑移的方法，其特征在于，根据表达式13）和表达式14）计算虚拟监测点P滑移后的位置点
Figure QLYQS_42
：
根据滑移趋势线上各点的滑移值为均匀递增得：
Figure QLYQS_43
12），
Figure QLYQS_44
13），
根据
Figure QLYQS_45
三点共线得：
Figure QLYQS_46
14）。
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