一种公路地质灾害面线点多层次综合预报方法
【专利摘要】本发明公开了一种公路地质灾害面线点多层次综合预报方法。该方法根据公路地质灾害涉及面广，信息量大的特点，以灾害可能发生点为主要监测目标，并参考公路所在区域地质灾害的孕育环境和公路穿越灾害可能发生点附近公路构造的稳定性，建立公路地质灾害的概念模型、功能模型、数据模型及实现模型，并综合上述模型数据做出公路地质灾害全息预报和实时监测预报。本发明具有良好的层次结构，便于综合各类与公路地质灾害相关的信息；具有良好的扩展性，可纳入各种监测数据处理、预测预报模型；本发明的方法具有增值性，随着数据库灾害信息的不断增加，丰富并提高灾害历史信息的精度，有利于研究灾害要素与成灾之间的规律，从而提高灾害预测预报精度。
【专利说明】一种公路地质灾害面线点多层次综合预报方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种公路地质灾害面线点多层次综合预报方法，属于多信息融合【技术领域】。
【背景技术】
[0002]地质灾害造成的公路断道和交通事故时有发生，公路地质灾害对公路运营产生严重的危害。
[0003]公路地质灾害预报主要有基于地质灾害区划的方法和基于位移监测的方法；在区划方面，根据已发生灾害的历史信息及区域地质、气候等孕育灾害环境信息，利用GIS(Geographic Informat1n System)的空间分析及信息集成的功能研究地质灾害的空间分布规律，结合降雨预报进行区域地质灾害危险性区划，实现公路地质灾害预报；在基于位移监测方面，主要利用位移监测数据，根据已有预报预警模型进行地质灾害预报。
[0004]公路沿线地质灾害的发生与区域地质灾害孕育环境、特殊路基勘察设计、施工及可能成灾点的动态变化等各方面信息有关。现有的公路地质灾害监测预报方法不能充分体现综合预报、全息预报和实时跟踪动态预报，其主要存在问题是方法体系结构不完整，导致不能有机地综合利用各类信息进行预报。有些方法虽然较好地利用了灾害区域孕育信息，但难以与灾害点动态位移监测信息结合；还有些方法主要依赖实时监测信息，而对灾害区域环境信息考虑不足，因此现有预报方法准确性较差。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种公路地质灾害面线点多层次综合预报方法，以提高公路地质灾害预报的准确性。
[0006]本发明的技术方案:
一种公路地质灾害面线点多层次综合预报方法，该方法根据公路地质灾害涉及面广，信息量大的特点，以灾害可能发生点为主要监测目标，并参考公路所在区域地质灾害的孕育环境和公路穿越灾害可能发生点附近公路构造的稳定性，建立公路地质灾害的概念模型、功能模型、数据模型及实现模型，并综合上述模型数据做出公路地质灾害全息预报和实时监测预报。
[0007]前述方法中，所述概念模型通过树状拓扑结构将灾害可能发生点的监测数据、公路所在区域地质灾害的孕育环境数据以及公路穿越灾害可能发生点附近公路构造的稳定性数据汇集到树根；树状拓扑结构中树枝的N个节点表示检测到的与公路地质灾害发生有关的N种未经处理的原始数据，并在局部节点分别对未经处理的原始数据做出局部检测判决，然后通过树干将离散的原始数据和局部检测判决信息传递至树根，由树根依据信息融合的基本理论对公路地质灾害做出全局的综合预报。
[0008]前述方法中，所述功能模型具有数据采集与预处理、灾害状态评估和灾害危险度估计功能；并通过上述功能对公路地质灾害做出综合评估。
[0009]前述方法中，所述数据模型是面向数据集和操作集的实体，是数据与方法的集合；实体是地质灾害监测预报系统中人、地点、对象、事件或概念的总称；参与公路地质灾害监测预报的实体分为地质灾害、区域环境、灾害监测、设计施工、预报预警五个基本类别；数据模型含概了灾害点内在的物质结构、外部的区域环境、人为施工等数据，并明确了公路地质灾害预报预警与各类实体要素之间的关系，通过数据模型可综合评估灾害可能发生所表现的各类信息有依据的对地质灾害做出准确的预报。
[0010]前述方法中，所述实现模型是由数据层、逻辑层和应用层构成的ArcGIS Server开发框架，数据层采用关系数据库SQL Server、或SDE空间数据库，逻辑层的客户端采用浏览器/服务器(B/S)结构，应用层根据功能需要采用模块设计方式。数据层包括矢量的、栅格的、属性的、文件的等各种数据类型，逻辑层包括点线面各种方法模型、规范标准，应用层包括提供给用户的各种应用界面，数据层利用GIS提供的数据管理工具实现数据储存和读取，模型计算结果及参数由逻辑实现计算及推理，其最终结果通过WWW网提供给用户。
[0011]与现有技术相比，本发明具有良好的层次结构，便于综合各类与公路地质灾害相关的信息；具有良好的扩展性，可纳入各种监测数据处理、预测预报模型；本发明的方法具有增值性，随着数据库灾害信息的不断增加，丰富并提高灾害历史信息的精度，有利于研究灾害要素与成灾之间的规律，从而提高灾害预测预报精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明中的概念模型图；
图2是本发明中的功能模型图；
图3是本发明中的数据模型图；
图4是本发明中的实现模型图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。
[0014]一种公路地质灾害面线点多层次综合预报方法，该方法根据公路地质灾害涉及面广，信息量大的特点，以灾害可能发生点为主要监测目标，并参考公路所在区域地质灾害的孕育环境和公路穿越灾害可能发生点附近公路构造的稳定性，建立公路地质灾害的概念模型、功能模型、数据模型及实现模型，并综合上述模型数据做出公路地质灾害全息预报和实时监测预报。
[0015]如图1所示，所述概念模型通过树状拓扑结构将灾害可能发生点的监测数据、公路所在区域地质灾害的孕育环境数据以及公路穿越灾害可能发生点附近公路构造的稳定性数据汇集到树根；树状拓扑结构中树枝的N个节点表示检测到的与公路地质灾害发生有关的N种未经处理的原始数据，并在局部节点分别对未经处理的原始数据做出局部检测判决，然后通过树干将离散的原始数据和局部检测判决信息传递至树根，由树根依据信息融合的基本理论对公路地质灾害做出全局的综合预报。
[0016]如图2所示，所述功能模型具有数据采集与预处理、灾害状态评估和灾害危险度估计功能；并通过上述功能对公路地质灾害做出综合评估。
[0017]如图3所示，所述数据模型是面向数据集和操作集的实体，是数据与方法的集合；实体是地质灾害监测预报系统中人、地点、对象、事件或概念的总称；参与公路地质灾害监测预报的实体分为地质灾害、区域环境、灾害监测、设计施工、预报预警五个基本类别；数据模型含概了灾害点内在的物质结构、外部的区域环境、人为施工等数据，并明确了公路地质灾害预报预警与各类实体要素之间的关系，通过数据模型可综合评估灾害可能发生所表现的各类信息有依据的对地质灾害做出准确的预报。
[0018]如图4所示，所述实现模型是由数据层、逻辑层和应用层构成的ArcGIS Server开发框架，数据层采用关系数据库SQL Server、或SDE空间数据库，逻辑层的客户端采用浏览器/服务器(B/S)结构，应用层根据功能需要采用模块设计方式。数据层包括矢量的、栅格的、属性的、文件的等各种数据类型，逻辑层包括点线面各种方法模型、规范标准，应用层包括提供给用户的各种应用界面，数据层利用GIS提供的数据管理工具实现数据储存和读取，模型计算结果及参数由逻辑实现计算及推理，其最终结果通过WWW网提供给用户。
实施例
[0019]公路地质灾害具有如下特点:1、受公路施工削坡、坡脚开挖、爆破等影响较大；2、潜在灾害点一般会采取锚杆、抗滑桩、挡墙等防护措施；3、便于采取灾害监测措施。因此，进行公路地质灾害预报比一般山地地质灾害的预报涉及的信息量更多，更为复杂。面线点综合预报方法的基本思想是:以灾害点为目标，以灾害点监测数据为主要依据，在预测评估灾害点危险性时参考点所在线与面的稳定性评估，在进行公路沿线的灾害评估时，参考线所在区域的地质灾害孕育环境。
[0020]本例针对公路地质灾害上述特点，构建了公路地质灾害多层次综合预报方法的概念模型、系统功能关系模型、数据模型、及实现模型，从概念层、功能层、数据层及实现层建立了较为完整的公路地质灾害面线点多层次综合预报方法体系，各层次设计如下:
一、概念模型的设计
依据信息融合的基本理论，采用树状拓扑结构，树中的N个节点表示检测到的与公路地质灾害发生有关的N种未经处理的原始数据，在局部节点分别做出局部检测判决，然后在检测中心通过融合得到全局决策，在这种结构中，信息传递处理流程是从所有的树枝到树根，最后，在树根即融合节点，融合从树枝传来的局部判决和自己的检测，做出全局判决，从而实现公路地质灾害综合预报。
[0021]如图1所示，图中地质灾害因子集H包括各类孕育地质灾害自然环境与人工环境，如地层、气候、公路施工等，S1, S2……S1、Sn为一种或多种地质灾害因子表征信息或因子监测信息，如S1表示来源于灾害点监测信息，S2表示来源于公路施工所产生的灾害因素，Si和Sn表示其它如地层、气候等原因产生的灾害因素。图中Ub表示利用一种或多种类型信息所得到的区域地质灾害稳定性评估结论，如常用的是区域降雨对地质灾害影响的评估。1^表示利用S2及Ub所得到的公路沿线地质灾害评价结论，灾害点的评价与预测结论U a综合了S1、Ua&UB的信息，概念模型中公路沿线地质灾害评估综合了区域灾害危险性评价，地质灾害点又综合了线及面的评价结论。因此，面线点公路地质灾害监测预报系统是一种多层次综合系统。
[0022]二、功能模型的设计根据信息融合的功能模型，信息融合可分为5个层次,第一层次为检测、判决融合；第二层次为空间或位置融合；第三层次为属性融合；第四层次为态势评估；第五层次为威胁度估计，本例主要是用于公路地质灾害预报，并涉及灾害损失，重点在于态势评估，在设计时把第四、第五层次合并为一个层次，同时，把第一、第二层次设计为一个层次，故本例的功能模型设计为三个层次。
[0023]如图2所示，图中第一层次包括框①?③和⑥?⑧内的内容，其功能为数据采集、预处理以及数据组织，框①为灾害预报提供灾害孕育信息源，所用的采集手段主要有雷达、声呐、TDR (时间域反射监测)、钻孔测斜、雨量监测以及其他监测手段；框②对所采集的信息源进行数据可靠性分析，所采取的主要方法包括检测和门限判断；框③对所采集的可靠的数据进行数据校准以及位置配合，所采取的主要方法包括信息关联、合成和配准，在关联处理中，通常根据表示数据间的关联程度分析，如降雨与地下渗水之间的相关分析，合成和配准是把传感器的观测值变换为公共坐标系，包括坐标变换、时间变换、单位变换等，如区域降水量的匹配；框⑥和⑧分别为检测数据库和基础数据库，框⑦为数据管理，主要包括数据增加、更新、合并和监测；第二层次包括框④和⑩的内容，其功能为面、线和点的危险性评估，框④为面和线的危险性评估，主要方法为区域危险性区划、公路危险性区划和分级推理，框⑩为灾害点评估，主要方法有基于位移的预测、基于降雨的预测以及其他预测模型的预测，这部分主要是单一模型评价结论，但这些模型中可以综合其他模型结论；第三层次包括框⑨、⑩？？和①，其功能为危险度估计和决策，灾害预警、灾害处理措施的选择，框⑨为危险度估计，其主要内容有危险度确定、指示与报警及应急措施，其中危险度确定采取的模型有基于D-S (证据)判断、模糊积分、专家知识等各类综合模型，通过危险度的估计进一步修正或选择框⑩中的灾害点评估方法，同时进行框？？采集管理决策进而选择框①中信息采集方法，框？？采集管理主要包括任务、任务优先、资源可用性和等级分配等决策。
[0024]三、数据模型的设计
采用面向对象的方法设计面线点综合预报数据模型，面向对象方法的基本出发点是尽可能按照人们认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题，对象是包含数据集和操作集的实体。地质灾害预报是通过预报模型实现的，每一种预报模型的实质均是一种综合评估灾害可能发生所表现的各类信息的方法，引起这些信息的因素有灾害点内在的物质结构、外部的区域环境、人为施工等各方面，依据地质灾害预报的基本方法，把参与公路地质灾害监测预报的各实体分为5个基类(一级类别)，它们分别为地质灾害、区域环境、灾害监测、设计施工、预报预警。
[0025]如图3所示，本例中把地质灾害监测预报系统中人、地点、对象、事件或概念称之为实体，实体是数据与方法的集合，实体的相互关系反映系统内部各事物之间的联系，图中，双线矩形框“O”表示弱实体，弱实体是依赖于其他实体类型而存在的实体，单线矩形框“O”表示强实体，强实体是不依赖于其他实体类型而独立存在的实体，菱形框“O”表示联系，联系表示实体类型之间的有意义的关联，矩形框内加菱形“S3”表示关联实体，关联实体表示关联一个或多个实体类型的实例之间的实体类型，同时包含特属于实体实例间联系的属性，符号表示可选多重关联，符号表示强制多重联系，在本例中预报预警为关联实体，它与预报预警对象地质灾害关联，其所预报预警的非单一灾种，因此它们之间为强制多重关联关系，在进行预报预警过程中必须考虑多种区域因素，故与区域因素实体也是强制多重关联，同时它还涉及监测结果和防治效果有关，与效果结论及监测结果实体也具有多重关联；针对地质灾害可能采用一种或多种灾害监测及设计施工方案，因此，地质灾害实体与灾害监测及设计施工实体为可选多重关联；当进行灾害监测便要确定相应的监测方法，通过对监测数据处理分析得到监测结果，在此，通过处理分析关联实体关联监测方法和监测结果实体，同样通过方案评价关联实体关联防治措施与效果结论实体。
[0026]四、实现模型的设计
由于面线点多层次综合预报方法涉及多种地理属性及图形图像数据，采用ArcGISServer所提供的开发框架是可行的，其系统架构由逻辑层、应用层和数据层组成。逻辑层客户端采用游览器/服务器(B/S)的结构，数据层可采用关系数据库SQL Server.SDE空间数据库，应用层根据功能需要采用模块设计方式。
[0027]如图4所示，图中数据层包括地质灾害地理位置、基本特征、环境条件、防治措施方面的基本数据及信息，这些信息有以矢量图层表示的，如公路网图层、监测网图层以及其它图层，除以上数据还包括灾害监测所产生的实时动态数据以及监测仪器型号、方法参数等静态数据；逻辑层的预报预警模型方法库是该层的核心，方法实现的数据由SQL Server(关系数据库)提供，关系数据库组织基础信息、监测信息、以及通过ArcSDE (矢量数据转换引擎)转换后的矢量图层信息，同时也链接地质灾害勘察、施工设计等方面规范标准库、项目管理库及由一般灾害点和重点灾害点组成的项目库，通过WWW网与关系数据库链接把预测预报结果发送给应用层；应用层包括基础信息管理、地质灾害区划、地质灾害预警、边坡稳定性评价、地质灾害预报、地图操作以及地质灾害监测；通过上述分析可见:数据层利用GIS提供的数据管理工具实现数据储存和读取，模型计算结果及参数由逻辑实现计算及推理，其最终结果通过WWW网提供给用户，上述三层的核心是逻辑层，它负责数据组织和预报预警方法的实现。
【权利要求】
1.一种公路地质灾害面线点多层次综合预报方法，其特征在于:该方法根据公路地质灾害涉及面广，信息量大的特点，以灾害可能发生点为主要监测目标，并参考公路所在区域地质灾害的孕育环境和公路穿越灾害可能发生点附近公路构造的稳定性，建立公路地质灾害的概念模型、功能模型、数据模型及实现模型，并综合上述模型数据做出公路地质灾害全息预报和实时监测预报。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于:所述概念模型通过树状拓扑结构将灾害可能发生点的监测数据、公路所在区域地质灾害的孕育环境数据以及公路穿越灾害可能发生点附近公路构造的稳定性数据汇集到树根；树状拓扑结构中树枝的N个节点表示检测到的与公路地质灾害发生有关的N种未经处理的原始数据，并在局部节点分别对未经处理的原始数据做出局部检测判决，然后通过树干将离散的原始数据和局部检测判决信息传递至树根，由树根依据信息融合的基本理论对公路地质灾害做出全局的综合预报。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于:所述功能模型具有数据采集与预处理、灾害状态评估和灾害危险度估计功能；并通过上述功能对公路地质灾害做出综合评估。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于:所述数据模型是面向数据集和操作集的实体，是数据与方法的集合；实体是地质灾害监测预报系统中人、地点、对象、事件或概念的总称；参与公路地质灾害监测预报的实体分为地质灾害、区域环境、灾害监测、设计施工、预报预警五个基本类别；数据模型含概了灾害点内在的物质结构、外部的区域环境、人为施工等数据，并明确了公路地质灾害预报预警与各类实体要素之间的关系，通过数据模型可综合评估灾害可能发生所表现的各类信息有依据的对地质灾害做出准确的预报。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于:所述实现模型是由数据层、逻辑层和应用层构成的ArcGIS Server开发框架,数据层采用关系数据库SQL Server、或SDE空间数据库，逻辑层的客户端采用浏览器/服务器(B/S)结构，应用层根据功能需要采用模块设计方式。
6.数据层包括矢量的、栅格的、属性的、文件的等各种数据类型，逻辑层包括点线面各种方法模型、规范标准，应用层包括提供给用户的各种应用界面，数据层利用GIS提供的数据管理工具实现数据储存和读取，模型计算结果及参数由逻辑实现计算及推理，其最终结果通过WWW网提供给用户。
【文档编号】G06Q10/04GK104134093SQ201410130873
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】龙万学, 杜镔, 凌桂香, 何文勇, 赵振宇, 魏晓楠, 廖斌, 李春峰, 曾庆展, 向一鸣 申请人:贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司