一种地裂缝变形监测系统及监测方法与流程

本发明属于地裂缝监测技术领域，尤其是涉及一种地裂缝变形监测系统及监测方法。

背景技术：

目前，随着工程建设快速发展，城市建设中的工程地质问题也较为突出，地裂缝灾害作为一种表生的地质灾害现象，在建设中也普遍存在。前人经过多年研究，积累了大量的资料，而且数据标准化和规范化有所欠缺，未能形成统一系统，严重阻碍了地裂缝灾害研究向数字化、智能化的发展步伐。并且，现如今对地裂缝进行变形监测时，没有一个统一、标准且规范的监测方法可供遵循，实际监测时不可避免地存在监测过程比较随意、监测效果较差、费工费时等问题。并且，缺少相配套且专用于地裂缝变形监测的监测系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种地裂缝变形监测系统，其结构简单、设计合理且使用操作简便、安装布设方便、使用效果好，能简便、快速完成地裂缝变形监测过程，并且监测效果好。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种地裂缝变形监测系统，其特征在于：包括上位监测主机、高程测量系统和用于获取被监测地裂缝所处区域的GPS位置信息的GPS定位系统；所述高程测量系统包括两组分别对被监测地裂缝上部两侧多个水准点的高程进行测量的水准仪，每组所述水准仪均包括多个对被监测地裂缝同一侧上部的多个水准点的高程进行测量的水准仪，多个所述水准仪沿被监测地裂缝的纵向延伸方向由前至后进行布设，前后相邻两个所述水准仪之间的间距为10m～20m，多个所述水准仪均与上位监测主机连接；所述水准点为布设在地表上的测点；所述GPS定位系统包括GPS基准站和布设在被监测地裂缝所处区域上的GPS监测站，所述GPS基准站与GPS监测站之间以无线通信方式进行双向通信且二者与上位监测主机之间均以无线通信方式进行双向通信。

上述一种地裂缝变形监测系统，其特征是：所述GPS监测站的数量为多个，多个所述GPS监测站沿被监测地裂缝的纵向延伸方向由前至后进行布设。

上述一种地裂缝变形监测系统，其特征是：所述GPS基准站与GPS监测站均布设于被监测地裂缝周侧的固定建筑物上。

上述一种地裂缝变形监测系统，其特征是：所述GPS基准站包括第一GPS接收机和与第一GPS接收机连接的第一无线通信设备，所述GPS监测站包括第二GPS接收机以及分别与第二GPS接收机连接的第二无线通信设备和无线数据传输单元，所述第二GPS接收机与第一GPS接收机之间通过第二无线通信设备与第一无线通信设备进行通信，所述第二GPS接收机与上位监测主机之间通过无线数据传输单元进行通信。

上述一种地裂缝变形监测系统，其特征是：还包括由钻探勘探人员手持的手持式终端，所述手持式终端包括手持式外壳、安装在所述手持式外壳内的电子线路板、安装在所述手持式外壳上的图像采集装置以及布设在所述手持式外壳上的显示单元和参数输入单元，所述电子线路板上设置有数据处理器和与数据处理器连接的无线通信模块，所述图像采集装置、显示单元和参数输入单元均与数据处理器连接；所述数据处理器通过无线通信模块与上位监测主机进行双向通信。

上述一种地裂缝变形监测系统，其特征是：所述水准仪为数字水准仪；所述水准仪与上位监测主机之间以无线通信方式进行双向通信。

同时，本发明公开了一种方法步骤简单、设计合理且监测简便、使用效果好的地裂缝变形监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、高程测量：采用高程测量系统且按照预先设计的测量时间间隔，对被监测地裂缝上部两侧多个水准点的高程分别进行测量，并将所测量的高程信息同步传送至上位监测主机，获得多个不同测量时间被监测地裂缝的高程信息；

每个测量时间被监测地裂缝的高程信息均包括该测量时间采用高程测量系统测量出的被监测地裂缝上部两侧多个水准点的高程信息；

步骤二、高程信息分析处理：所述上位监测主机按照测量时间先后顺序对高程测量系统测量出的高程信息分别进行处理；所述上位监测主机对任一个测量时间被监测地裂缝的高程信息的分析处理方法均相同；

对任一个测量时间被监测地裂缝的高程信息进行分析处理时，过程如下：

步骤201、高程信息接收及同步存储：所述上位监测主机接收到高程测量系统测量出的当前测量时间被监测地裂缝的高程信息后，对所接收到的当前测量时间被监测地裂缝的高程信息进行同步存储；

步骤202、首次测量判断：所述上位监测主机判断步骤201中所接收的被监测地裂缝的高程信息是否为被监测地裂缝的首次测量结果：当判断得出步骤201中所接收的被监测地裂缝的高程信息为被监测地裂缝的首次测量结果时，返回步骤201，对下一个测量时间被监测地裂缝的高程信息进行分析处理；否则，进入步骤203；

步骤203、高程信息对比：所述上位监测主机根据步骤201中所接收的被监测地裂缝的高程信息中各水准仪测量出的高程信息分别与上一个测量时间被监测地裂缝的高程信息中该水准仪测量出的高程信息，计算得出各水准仪所测量水准点的高程变化率；再根据预先设定的高程变化判断阈值H0，对各水准点的高程变化率分别进行阈值判断：当判断得出所有水准点的高程变化率均小于H0时，说明此时被监测地裂缝的变形程度为不强烈，再返回步骤201，对下一个测量时间被监测地裂缝的高程信息进行分析处理；否则，判断为此时被监测地裂缝的变形程度为强烈，进入步骤204；其中，H0＝18mm/年～22mm/年；

步骤204、GPS位置信息获取：采用GPS定位系统获取被监测地裂缝所处区域的GPS位置信息，并将所获得的GPS位置信息同步传送至上位监测主机；

所获取的被监测地裂缝所处区域的GPS位置信息中包括被监测地裂缝所处区域上多个测点的地理位置信息，所述测点布设在地表上；

步骤205、变形监测结果输出：采用上位监测主机从步骤204中所获取被监测地裂缝所处区域的GPS位置信息中找出被监测地裂缝上部两侧多个测点的地理位置信息，并根据所找出的被监测地裂缝上部两侧多个测点的地理位置信息，调用图形绘制软件绘制出此时被监测地裂缝上部两侧的曲线图，并对绘制出的曲线图与绘制时间进行同步存储；

步骤206，返回步骤201，对下一个测量时间被监测地裂缝的高程信息进行分析处理。

上述方法，其特征是：步骤203中对各水准点的高程变化率分别进行阈值判断时，所述上位监测主机还需根据阈值判断结果，找出此时变形强烈的水准点；其中变形强烈的水准点为高程变化率不小于H0的水准点；

步骤205中进行变形监测结果输出时，所述上位监测主机还需调用曲线绘制模块得出各水准测点的高程随时间变化的曲线；

所述水准仪为数字水准仪；步骤一中所述测量时间间隔为所述数字水准仪的采样时间间隔。

上述方法，其特征是：步骤二中进行高程信息分析处理之前，先对高程测量系统中各水准仪所测量的水准点分别进行编号；

步骤203中对各水准点的高程变化率分别进行阈值判断时，还需根据阈值判断结果，对此时被监测地裂缝的变形程度进行确定：当判断得出所有水准点的高程变化率均小于H1时，说明此时被监测地裂缝的变形程度为微弱；否则，从找出所有水准点的高程变化率中高程变化率最大值，记作Hmax；再根据所述的Hmax，对此时被监测地裂缝的变形程度进行确定：当H1≤Hmax＜H0时，说明此时被监测地裂缝的变形程度为中等；当H0≤Hmax＜H2时，说明此时被监测地裂缝的变形程度为较强烈；当Hmax＞H2时，说明此时被监测地裂缝的变形程度为强烈；其中，H1和H2均为预先设定的高程变化率判断阈值，H1＝3mm/年～7mm/年，H2＝28mm/年～32mm/年。

上述方法，其特征是：步骤203中对此时被监测地裂缝的变形程度进行确定后，还需根据变形程度确定结果，判断是否需对被监测地裂缝进行钻探测量：当得出此时被监测地裂缝的变形程度为较强烈或强烈时，需对被监测地裂缝进行钻探测量；否则，无需对被监测地裂缝进行钻探测量；

所述地裂缝变形监测系统还包括由钻探勘探人员手持的手持式终端，所述手持式终端包括手持式外壳、安装在所述手持式外壳内的电子线路板、安装在所述手持式外壳上的图像采集装置以及布设在所述手持式外壳上的显示单元和参数输入单元，所述电子线路板上设置有数据处理器和与数据处理器连接的无线通信模块，所述图像采集装置、显示单元和参数输入单元均与数据处理器连接；所述数据处理器通过无线通信模块与上位监测主机进行双向通信；

对被监测地裂缝进行钻探测量时，钻探勘探人员先采用钻探机对被监测地裂缝周侧地层钻取钻探孔，并采用图像采集装置获得钻探孔周侧图像与所钻取岩芯图像，同时采用参数输入单元输入所述钻探孔的剖面图和孔内地层结构信息，并将图像采集装置所获取信息和通过参数输入单元所输入信息同步传送至上位监测主机，上位监测主机对所接收的信息进行同步存储。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、所采用的监测系统结构简单且安装布设方便，投入成本较低。

2、所采用的监测系统设计合理且使用操作简便、使用效果好，能自动完成地裂缝变形监测过程，包括上位监测主机、高程测量系统和用于获取被监测地裂缝所处区域的GPS位置信息的GPS定位系统；高程测量系统包括两组分别对被监测地裂缝上部两侧多个水准点的高程进行测量的水准仪，每组水准仪均包括多个对被监测地裂缝同一侧上部的多个水准点的高程进行测量的水准仪，多个水准仪沿被监测地裂缝的纵向延伸方向由前至后进行布设，前后相邻两个水准仪之间的间距为10m～20m，实际布设安装简便，能对被监测地裂缝上部两侧多个水准点的高程以及上部两侧多个测点的地理位置信息进行简便、快速且准确获取，监测效果好。

3、所采用的监测方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能简便获取不同测量时间被监测地裂缝的高程信息，并能对所获取的不同测量时间被监测地裂缝的高程信息进行同步存储，便于后期查询与使用；并且，通过对当前测量时间被监测地裂缝的高程信息进行分析处理，并根据分析处理结果判断是否启动GPS定位系统获取GPS位置信息，仅有在高程变化率超过设定阈值时，才启动GPS定位系统获取GPS位置信息，数据处理量小，省工省时。

4、使用效果好且实用价值高，将高程测量系统与GPS定位系统有效结合，同时能同步输出此时被监测地裂缝上部两侧的曲线图，并能自动找出此时变形强烈的水准点，同时能自动输出各水准测点的高程随时间变化的曲线，简单、实用。并且，采用本发明能对此时被监测地裂缝的变形程度进行确定，使地裂缝变形监测结果更直观、更实用。

综上所述，本发明设计合理、监测简便且使用效果好，能简便、快速完成地裂缝变形监测过程，并且监测效果好。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明监测系统的电路原理框图。

图2为采用本发明进行地裂缝变形监测时的方法流程框图。

附图标记说明:

1—高程测量系统； 1-1—水准仪； 2—GPS定位系统；

2-1—GPS基准站； 2-11—第一GPS接收机；

2-12—第一无线通信设备； 2-2—GPS监测站；

2-21—第二GPS接收机； 2-22—第二无线通信设备；

2-23—无线数据传输单元； 3—上位监测主机； 4—手持式终端；

4-1—图像采集装置； 4-2—显示单元； 4-3—参数输入单元；

4-4—数据处理器； 4-5—无线通信模块。

具体实施方式

如图1所示的一种地裂缝变形监测系统，包括上位监测主机3、高程测量系统1和用于获取被监测地裂缝所处区域的GPS位置信息的GPS定位系统2；所述高程测量系统1包括两组分别对被监测地裂缝上部两侧多个水准点的高程进行测量的水准仪1-1，每组所述水准仪1-1均包括多个对被监测地裂缝同一侧上部的多个水准点的高程进行测量的水准仪1-1，多个所述水准仪1-1沿被监测地裂缝的纵向延伸方向由前至后进行布设，前后相邻两个所述水准仪1-1之间的间距为10m～20m，多个所述水准仪1-1均与上位监测主机3连接；所述水准点为布设在地表上的测点；所述GPS定位系统2包括GPS基准站2-1和布设在被监测地裂缝所处区域上的GPS监测站2-2，所述GPS基准站2-1与GPS监测站2-2之间以无线通信方式进行双向通信且二者与上位监测主机3之间均以无线通信方式进行双向通信。

本实施例中，所述GPS监测站2-2的数量为多个，多个所述GPS监测站2-2沿被监测地裂缝的纵向延伸方向由前至后进行布设。

实际安装时，所述GPS基准站2-1与GPS监测站2-2均布设于被监测地裂缝周侧的固定建筑物上。

本实施例中，所述GPS基准站2-1包括第一GPS接收机2-11和与第一GPS接收机2-11连接的第一无线通信设备2-12，所述GPS监测站2-2包括第二GPS接收机2-21以及分别与第二GPS接收机2-21连接的第二无线通信设备2-22和无线数据传输单元2-23，所述第二GPS接收机2-21与第一GPS接收机2-11之间通过第二无线通信设备2-22与第一无线通信设备2-12进行通信，所述第二GPS接收机2-21与上位监测主机3之间通过无线数据传输单元2-23进行通信。

同时，本发明所述的地裂缝变形监测系统，还包括由钻探勘探人员手持的手持式终端4，所述手持式终端4包括手持式外壳、安装在所述手持式外壳内的电子线路板、安装在所述手持式外壳上的图像采集装置4-1以及布设在所述手持式外壳上的显示单元4-2和参数输入单元4-3，所述电子线路板上设置有数据处理器4-4和与数据处理器4-4连接的无线通信模块4-5，所述图像采集装置4-1、显示单元4-2和参数输入单元4-3均与数据处理器4-4连接；所述数据处理器4-4通过无线通信模块4-5与上位监测主机3进行双向通信。

本实施例中，所述水准仪1-1为数字水准仪；所述水准仪1-1与上位监测主机3之间以无线通信方式进行双向通信。

本实施例中，所述水准仪1-1为Ni002精密水准仪。

实际使用时，所述水准仪1-1也可以采用其它型号的水准仪器。

如图2所示的一种地裂缝变形监测方法，包括以下步骤：

步骤一、高程测量：采用高程测量系统1且按照预先设计的测量时间间隔，对被监测地裂缝上部两侧多个水准点的高程分别进行测量，并将所测量的高程信息同步传送至上位监测主机3，获得多个不同测量时间被监测地裂缝的高程信息；

每个测量时间被监测地裂缝的高程信息均包括该测量时间采用高程测量系统1测量出的被监测地裂缝上部两侧多个水准点的高程信息；

步骤二、高程信息分析处理：所述上位监测主机3按照测量时间先后顺序对高程测量系统1测量出的高程信息分别进行处理；所述上位监测主机3对任一个测量时间被监测地裂缝的高程信息的分析处理方法均相同；

对任一个测量时间被监测地裂缝的高程信息进行分析处理时，过程如下：

步骤201、高程信息接收及同步存储：所述上位监测主机3接收到高程测量系统1测量出的当前测量时间被监测地裂缝的高程信息后，对所接收到的当前测量时间被监测地裂缝的高程信息进行同步存储；

步骤202、首次测量判断：所述上位监测主机3判断步骤201中所接收的被监测地裂缝的高程信息是否为被监测地裂缝的首次测量结果：当判断得出步骤201中所接收的被监测地裂缝的高程信息为被监测地裂缝的首次测量结果时，返回步骤201，对下一个测量时间被监测地裂缝的高程信息进行分析处理；否则，进入步骤203；

步骤203、高程信息对比：所述上位监测主机3根据步骤201中所接收的被监测地裂缝的高程信息中各水准仪1-1测量出的高程信息分别与上一个测量时间被监测地裂缝的高程信息中该水准仪1-1测量出的高程信息，计算得出各水准仪1-1所测量水准点的高程变化率；再根据预先设定的高程变化判断阈值H0，对各水准点的高程变化率分别进行阈值判断：当判断得出所有水准点的高程变化率均小于H0时，说明此时被监测地裂缝的变形程度为不强烈，再返回步骤201，对下一个测量时间被监测地裂缝的高程信息进行分析处理；否则，判断为此时被监测地裂缝的变形程度为强烈，进入步骤204；其中，H0＝18mm/年～22mm/年；

步骤204、GPS位置信息获取：采用GPS定位系统2获取被监测地裂缝所处区域的GPS位置信息，并将所获得的GPS位置信息同步传送至上位监测主机3；

所获取的被监测地裂缝所处区域的GPS位置信息中包括被监测地裂缝所处区域上多个测点的地理位置信息，所述测点布设在地表上；

步骤205、变形监测结果输出：采用上位监测主机3从步骤204中所获取被监测地裂缝所处区域的GPS位置信息中找出被监测地裂缝上部两侧多个测点的地理位置信息，并根据所找出的被监测地裂缝上部两侧多个测点的地理位置信息，调用图形绘制软件绘制出此时被监测地裂缝上部两侧的曲线图，并对绘制出的曲线图与绘制时间进行同步存储；

步骤206，返回步骤201，对下一个测量时间被监测地裂缝的高程信息进行分析处理。

本实施例中，步骤一中预先设计的测量时间间隔为M个月，其中M为正整数且M≥1。

本实施例中，步骤203中对各水准仪1-1所测量水准点的高程变化率进行计算时，根据公式计算得出一个水准点的高程变化率，其中ΔH为步骤201中所接收的被监测地裂缝的高程信息中所述水准仪1-1测量出的高程信息分别与上一个测量时间被监测地裂缝的高程信息中该水准仪1-1测量出的高程信息的差值。

本实施例中，步骤203中对各水准点的高程变化率分别进行阈值判断时，所述上位监测主机3还需根据阈值判断结果，找出此时变形强烈的水准点；其中变形强烈的水准点为高程变化率不小于H0的水准点。

本实施例中，步骤205中进行变形监测结果输出时，所述上位监测主机3还需调用曲线绘制模块得出各水准测点的高程随时间变化的曲线。

本实施例中，步骤一中所述测量时间间隔为所述数字水准仪的采样时间间隔。

为方便进行统计，本实施例中，步骤二中进行高程信息分析处理之前，先对高程测量系统1中各水准仪1-1所测量的水准点分别进行编号；

步骤203中对各水准点的高程变化率分别进行阈值判断时，还需根据阈值判断结果，对此时被监测地裂缝的变形程度进行确定：当判断得出所有水准点的高程变化率均小于H1时，说明此时被监测地裂缝的变形程度为微弱；否则，从找出所有水准点的高程变化率中高程变化率最大值，记作Hmax；再根据所述的Hmax，对此时被监测地裂缝的变形程度进行确定：当H1≤Hmax＜H0时，说明此时被监测地裂缝的变形程度为中等；当H0≤Hmax＜H2时，说明此时被监测地裂缝的变形程度为较强烈；当Hmax＞H2时，说明此时被监测地裂缝的变形程度为强烈；其中，H1和H2均为预先设定的高程变化率判断阈值，H1＝3mm/年～7mm/年，H2＝28mm/年～32mm/年。

实际使用时，可根据具体需要，对H0、H1和H2的取值大小分别进行相应调整。

本实施例中，步骤203中对此时被监测地裂缝的变形程度进行确定后，还需根据变形程度确定结果，判断是否需对被监测地裂缝进行钻探测量：当得出此时被监测地裂缝的变形程度为较强烈或强烈时，需对被监测地裂缝进行钻探测量；否则，无需对被监测地裂缝进行钻探测量；

所述地裂缝变形监测系统还包括由钻探勘探人员手持的手持式终端4，所述手持式终端4包括手持式外壳、安装在所述手持式外壳内的电子线路板、安装在所述手持式外壳上的图像采集装置4-1以及布设在所述手持式外壳上的显示单元4-2和参数输入单元4-3，所述电子线路板上设置有数据处理器4-4和与数据处理器4-4连接的无线通信模块4-5，所述图像采集装置4-1、显示单元4-2和参数输入单元4-3均与数据处理器4-4连接；所述数据处理器4-4通过无线通信模块4-5与上位监测主机3进行双向通信；

对被监测地裂缝进行钻探测量时，钻探勘探人员先采用钻探机对被监测地裂缝周侧地层钻取钻探孔，并采用图像采集装置4-1获得钻探孔周侧图像与所钻取岩芯图像，同时采用参数输入单元4-3输入所述钻探孔的剖面图和孔内地层结构信息，并将图像采集装置4-1所获取信息和通过参数输入单元4-3所输入信息同步传送至上位监测主机3，上位监测主机3对所接收的信息进行同步存储。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。