一种基于倾斜仪和GPS的火山监测与预警系统及方法与流程

本发明属于灾害预警技术领域，涉及一种地质灾害预警系统及方法，具体涉及一种基于倾斜仪和gps的火山监测与预警系统及方法。

背景技术：

现代活动的四个火山岩带主要是环太平洋火山带、大西洋火山带、地中海火山带和东非火山带，对这几个火山带的监测安装了大量的传感器，设置诸多的地震站，如圣海伦斯火山周围有13个，夏威夷基拉韦亚火山周围有47个，印尼默拉皮火山周围设6个，苏弗里埃尔火山在1978年4月大爆发前，可感地震每小时达15次，火山活动的过程常造成许多微小地震，大爆发更能引起强烈地震。地震的发生也常导致火山活动。目前，对火山的监测有诸多的方案，向生建等人利用地震监测设备、山体滑坡监测设备、泥石流监测设备等，连接客户端与报警器，远程管理监测数据；柯福阳利用采集每个监测站点和连续运行的参考站以及周边的观测数据分析处理进行预警；张科元根据地震周期和现有监测地震和火山的监测数据在地壳内压力增大时人工引爆地球上现有的休眠火山小规模分批喷发排放地球内部的高压物质以减轻地球内部压力；但是，上述等人的监测系统，需求设备量大，数据的精准度不高，需求人工人力的支持量强度大，未考虑前期火山微小地表的运动状态的变化，基于此，针对现有对火山监测和预警系统的现状，需要提供一种低成本、便利又测量精度较高的火山监测预警系统及方法。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于倾斜仪和gps的火山监测与预警系统及方法。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种基于倾斜仪和gps的火山监测与预警系统，其特征在于：包括倾斜测量子系统、gps监测子系统、地控预警子系统；

所述倾斜测量子系统，用于根据地表结构因受到岩浆的压力或质量再分布而发生形变而引起的倾斜测量子系统形变，获得的地表倾斜角度，从而判断火山地表运动的微小形变，并根据预设的限值，进行预警；

所述gps监测子系统，用于获取原始观测数据，判断火山运动引起的地表位移量，进行相应的火山运动状态监测；

所述地控预警子系统，用于接收倾斜测量子系统和gps监测子系统传输的倾斜测量数据和gps数据，并进行数据处理，分析得到预警数据，并根据设置的预警值，发出预警信号，从而实现对火山状态进行检测。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种基于倾斜仪和gps的火山监测与预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：测量地表倾斜度；

根据地表结构因受到岩浆的压力或质量再分布而发生形变而引起的倾斜仪形变，获得的地表倾斜角度θ；

步骤2：测量地表位移量；

利用设置在火山口两侧的gps接收机，获取gps基线向量、载波相位观测值、星历历元数据；对星历历元数据进行gpsrtk处理，组设的载波相位双差观测方程以及双差观测方程的误差方程模型，精准处理观测数据，实时观测数据实时处理数据，判断基线长以及地表监测点的三维坐标是否有变形，坐标位移量是否在预警数据精度范围；

步骤3：预警；

接收处理后的倾斜测量子系统和gps监测子系统传输的倾斜测量数据和gps数据，分析得到预警数据，并根据设置的预警值，发出预警信号；

如果不在预警数据范围内，则对当前倾斜测量子系统和gps监测子系统观测值进行最小二乘估计，然后重复迭代，全天候、实时的连续进行观测。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：本发明对数据处理严格把关，消除粗差，对数据的高精度、高要求使得对火山的监测更加准确，保证了数据的可靠性，实现对火山的全天候监测和数据的实时更新，通过对数据的分析能够及时对危险信息发出预报。

附图说明

图1是本发明实施例的倾斜仪结构示意图；

图2是本发明实施例的数据传输流程图；

图3是本发明实施例的方法流程图；

图4是本发明实施例的数据处理流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种基于倾斜仪和gps的火山监测与预警系统，包括倾斜测量子系统、gps监测子系统、地控预警子系统；

倾斜测量子系统主要是由布设在火山口附近的倾斜仪组成，利用对垂向位移变化比较敏感，灵敏度高的优势进行观测。倾斜测量系统的基本原理如下：当火山内部的物质(如岩浆等)在不规则的运动，或内部压力促使岩浆向火山口流动，监测站附近地表结构因受到岩浆的压力或质量再分布而发生形变，从而使得布设在火山口附近的倾斜仪发生形变，通过高灵敏度的倾斜仪获得的地倾斜角度θ，来判断火山地表运动的微小形变，并根据预设的限值，进行预警。

请见图1，本实施例的倾斜仪能够及时的观测到火山监测站点的结构物的变形，elt-10型倾斜仪是由倾斜传感器、安装支架、信号传输电缆等组成，结构物产生的倾斜变形，通过安装支架传递给倾斜传感器，传感器内装有电解液和导电触点，当传感器发生倾斜变化时，电解液的液面始终处于水平，但液面相对触点的部位发生了改变，也同时引起了输出电量的改变，倾斜仪随结构物的倾斜变形量与输出的电量呈对应关系，以此可测出被测结构物的倾斜角度θ，同时它的测量值可显示出以零点为基准值的倾斜角变化的正负方向，倾斜仪可以回收重复使用，并且可方便实现倾斜测量的自动化。

gps监测子系统由设置在火山口两侧的gps接收机组成，观测所得的数据包括gps基线向量，载波相位观测值、星历历元数据等，在地控服务中心的数据处理模块对gps导航系统获得的星历数据进行gpsrtk处理，组设的载波相位双差观测方程以及观测误差模型，精准处理观测数据，实时观测数据实时处理数据，判断基线长以及地表监测点的三维坐标是否有变形，坐标位移量是否在预警数据精度范围，数据之间通过gprs及时传输到数据处理模块对数据进行接收、储存。gps的全天候的测量优势大大减轻了人力的消耗，以免因观测的缺失而导致的危险。

地控预警子系统包括地控服务中心和动态监控系统中心。地控服务中心通过dtu数据传输模块，接收传输的倾斜测量数据和gps数据，利用实时数据处理模块进行高精度数据处理；动态监控系统中心利用接收到的数据，分析得到预警数据，并根据设置的预警值，发出预警信号，从而实现对火山状态进行检测。

dtu数据传输模块，通过gprs远程传输数据，gprs无线通信模块主要是起数据之间的无线传输作用，系统中应用无线网络进行各种数据的传输以及工作上的交流，gprs功能强大，gprs终端设备永久在线，无线传输数据的延时为秒级范围，gprs-dtu与数据中心的数据通信速率一般在10kbps-60kbps之间，按照系统要求，设置数据平均通信量在30kbps以内(不同时段的要求根据情况而设定。)传输速率快，极大的方便和满足了工作网络需求。

请见图2，本实施例的dtu数据传输模块传输的观测数据主要有卫星数据、gps接收输出的数据、倾斜仪观测数据，利用dtu数据传输模块将数据实时传输，dtu数据传输模块内部集成tcp/ip协议栈，封装了ppp拨号协议以及tcp/ip协议栈并且具有嵌入式操作系统，提供了串行通信接口，在设计上将串口数据设计成“透明转换”的方式，即将串口上的原始数据转换成tcp/ip数据包进行传送，不需要改变原有的数据通信内容，也就是将未经处理的原始数据经过gprs传输到数据处理中心，做处理，经过一系列的数据处理之后再次利用无线传输网络将数据传输到预警系统接收，数据传输各自部件有各自的传输接口，根据数据量的大小，对不同的数据在传输的同时并行存储，且gprs终端设备永久在线，确保数据的实时传输不断。

请见图3和图4，本发明提供的一种基于倾斜仪和gps的火山监测与预警方法，包括以下步骤：

步骤1：测量地表倾斜度；

根据地表结构因受到岩浆的压力或质量再分布而发生形变而引起的倾斜仪形变，获得的地表倾斜角度θ；

elt-10型的倾斜仪测量范围为±15°，灵敏度小于9(〃/f)测量精度为±0.1％(f.s)，耐水压大于等于1(mpa)，绝缘电阻大雨等于50(mω)，当被测结构物体发生倾斜变形时，其倾斜角度θ与输出的电量读数f可用如下计算公式：

θ＝a+b*f+c*f+d*f；

式中：θ为被测结构物的倾斜角度，单位为度(°)；f为倾斜仪的实时电量测量值，单位为f；a﹑b﹑c﹑d为倾斜仪的标定系数。

步骤2：测量地表位移量；

利用设置在火山口两侧的gps接收机，获取gps基线向量、载波相位观测值、星历历元数据；对星历历元数据进行gpsrtk处理，组设的载波相位双差观测方程以及双差观测方程的误差方程模型，精准处理观测数据，实时观测数据实时处理数据，判断基线长以及地表监测点的三维坐标是否有变形，坐标位移量是否在预警数据精度范围；

gps基线向量的估值为：

mi-1是函数独立的基线向量，bi,k为第k条基线向量；

基线向量估值的验后方差-协方差阵为：

是基线向量k、l间的协方差子阵；对gps接收机获得的星历历元数据进行gpsrtk处理，组设的载波相位双差观测方程为：

式中是两测站两卫星之间的双差载波相位，是两测站两卫星间双差整周模糊度参数，是两测站两卫星间双差星站距离，ε是测量噪声，c为光速，f是信号频率；

双差观测方程的误差方程模型为：

式中v^k为观测值误差，δx2、δy2、δz2是监测站k的坐标近似值向量的改正数向量，为系数矩阵，δδl^k为监测站k的常数项误差。

步骤3：预警；

接收处理后的倾斜测量子系统和gps监测子系统传输的倾斜测量数据和gps数据，分析得到预警数据，并根据设置的预警值，发出预警信号；

如果不在预警数据范围内，则对当前倾斜测量子系统和gps监测子系统观测值进行最小二乘估计，然后重复迭代，全天候、实时的连续进行观测。

本实施例的系统包括倾斜测量子系统、gps监测子系统、地控预警子系统。倾斜测量主要是利用对垂向位移变化比较敏感，灵敏度高的优势进行观测，获取地倾斜角度θ，判断火山微小地表的运动状态，并根据预设的限值，进行预警；gps监测子系统由设置在火山口两侧的gps接收机组成。地控预警子系统包括地控服务中心和动态监控系统中心；系统通过对布设在火山扣附近的倾斜仪装置获取相应的观测资料即获取倾斜仪的倾斜角度θ来判断监测点是否变形，另一方面，通过对安置在火山口两侧的gps接收机获得的观测数据进行实时解算，获得相应的基线向量，通过基线向量的变化值来判断火山运动引起的地表位移量，即通过基线向量的三维坐标变化量是否在预警数据范围内，进行相应的火山运动状态监测；三大子系统利用gprs无线通信模块，将所有的测量数据经数据处理模块处理后的平差数据无线传输给预警系统的地控服务中心，经过系统分析评估，达到数据预警精度范围，则由此发出预警信号。如果不在预警数据范围内，则对当前观测值进行最小二乘估计，然后重复由获得的原始数据的流程继续迭代进行，全天候、实时的连续进行观测。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。