一种地质灾害的监测与预警方法、装置及终端设备与流程

本发明属于地质灾害预警领域，尤其涉及一种地质灾害的监测与预警方法、装置及终端设备。

背景技术：

地质灾害具有临界突发性、破坏力巨大等特点。在近几千年里，随着人类工程活动的日趋频繁，地质灾害也变得越来越频发，造成的损失也越来越大，甚至有些重大工程建设所引发的滑坡问题具有很强的隐蔽性，不借助先进的监测仪器设备很难发现其存在的安全隐患。为了有效避免或减轻地质灾害所带来的损失，国内外学者对滑坡进行了大量试验和实践性研究，并在滑坡的认知、发现、监测、预报、防治等方面取得了一系列的显著成果。开展滑坡监测仪器的研发、监测方法的探索以及监测数据的应用研究具有重大的科研和工程意义。随着mems传感器的飞速发展，集成化的mems加速度计，多轴测量的imu(惯性测量单元，包括加速度计、陀螺仪和磁力计)已经开始应用与滑坡崩塌监测等场景，但是很多应用仅仅是对于mems测量应用的传统测量方法。例如mems加速度计及imu单元的传统应用领域是惯性导航、姿态测量、导航制导等，其测量的特点主要是测量被测体的机动性包括其位置、速度、加速度、俯仰角、航向角、翻滚角等；

对于地质灾害的监测与预警重点应在于临灾监测，此时被测体并未发生明显变形或者正在发生着缓慢的变形，因此采用mems加速度计或者imu这种仅对被测体进行简单的运动状态测量的方式是不能满足预警需求的。同时，在采用3轴线性加速度元件或者双轴倾角传感器测量倾角的方案中，都会存在测量数据不完全的问题，由于加速度传感器对于绕竖直方向轴线的转动不敏感，当传感器和被测体发生绕xyz直角坐标系中的z轴的转动时无法测量，因此也存在缺陷。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种地质灾害的监测与预警方法、装置及终端设备，以解决现有技术中传感器和被测体的各轴转动角度测量不全面的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种地质灾害的监测与预警方法，包括：

获取被测体的响应信号和磁力信号，其中，所述响应信号为利用加速度计对所述被测体进行测量获得的线性加速度信号；

对所述线性加速度信号进行分解，获得静态加速度信号和动态加速度信号；

对所述静态加速度信号和所述磁力信号进行融合解算，获得所述被测体的静态倾角；

基于所述动态加速度信号获得所述被测体的动态位移；

基于所述静态倾角和所述动态位移获得所述被测体的地质灾害监测与预警结果。

本发明实施例的第二方面提供了一种地质灾害的监测与预警装置，包括：

数据获取单元，用于获取被测体的响应信号和磁力信号，其中，所述响应信号为利用加速度计对所述被测体进行测量获得的线性加速度信号；

信息处理单元，用于对所述线性加速度信号进行分解，获得静态加速度信号和动态加速度信号；

静态倾角计算单元，用于对所述静态加速度信号和所述磁力信号进行融合解算，获得所述被测体的静态倾角；

动态位移计算单元，用于基于所述动态加速度信号获得所述被测体的动态位移；

通信预警单元，用于基于所述静态倾角和所述动态位移获得所述被测体的地质灾害监测与预警结果。

本发明实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如第一方面所述地质灾害的监测与预警方法的步骤。

本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被一个或多个处理器执行时实现如第一方面所述地质灾害的监测与预警方法的步骤。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例首先获取被测体的线性加速度信号和磁力信号；然后对所述线性加速度信号进行分解，获得静态加速度信号和动态加速度信号；接着对所述静态加速度信号和所述磁力信号进行融合解算，获得所述被测体的静态倾角；基于所述动态加速度信号获得所述被测体的动态位移；最后基于所述静态倾角和所述动态位移获得所述被测体的地质灾害监测与预警结果。上述计算方法可以根据被测体的线性加速度信号和磁力信号计算出被测体在各轴上的转动倾角和位移，因此本发明实施例可以实现传感器和被测体的各轴上的转动倾角和微小位移的测量，更准确及时地对地质灾害进行预警，降低地质灾害对各方面的不利影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的地质灾害的监测与预警方法的实现流程示意图；

图2是本发明一实施例提供的地质灾害的监测与预警装置的示意框图；

图3是本发明一实施例提供的终端设备的示意框图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1是本发明一实施例提供的地质灾害的监测与预警方法的实现流程示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

如图1所示，该地质灾害的监测与预警方法可以包括以下步骤：

步骤101，获取被测体的响应信号和磁力信号，其中，响应信号为利用加速度计对被测体进行测量获得的线性加速度信号。

本发明实施例提供了一种地质灾害的监测与预警系统，该系统包括终端设备、加速度计和磁力计，磁力计和加速度计分别与终端设备连接，本实施例提供的地质灾害的监测与预警方法的执行主体为终端设备中的处理器。

其中，被测体可以包括建筑物和自然结构，例如地面、坡面、岩体等多种结构都可适用。响应信号为加速度计获得的线性加速度信号，磁力信号为磁力计测得的数据。

在实际应用中，加速度计可以选用6轴敏感单元来检测被测体的3轴线性加速度，例如可以选用微机电系统(mems)传感器的变容型加速度计或者数字型加速度计，响应频率可以为0-1khz，低频响应应当到0hz，高频响应可以根据应用场景不同选择，例如对于土体测量高频响应可以到1khz以下，对于岩体测量可以适当选用频带更宽的传感器。

步骤102，对线性加速度信号进行分解，获得静态加速度信号和动态加速度信号。

其中，对线性加速度信号进行分解可以有多种方法。

示例性的，可以通过对线性加速度信号滤波的方式获得静态加速度信号和动态加速度信号，其中对线性加速度信号进行高通滤波获得动态加速度信号，对线性加速度信号进行低通滤波获得静态加速度信号。

作为另一个具体的实施例，本实施例还可以通过计算线性加速度信号的滑动平均值或者对线性加速度信号进行经验模态分解(emd)获得静态加速度信号。

步骤103，对静态加速度信号和磁力信号进行融合解算，获得被测体的静态倾角。

其中，首先计算静态加速度aj在xyz直角坐标系中各轴上的分量ajx,ajy,ajz，理想状态下，当传感器处于静止状态时，其加速度的模与当地的重力加速度相等。根据ajx,ajy,ajz，计算传感器在xyz直角坐标系下绕x轴转动的角度θx和绕y轴转动的角度θy，计算式为

根据求得的θx和θy，计算磁力计倾斜校正后在x轴的分量mxh和y轴的分量myh，计算式为

mxh＝mxcos(θx)+mzsin(θx)

myh＝mxsin(θy)sin(θx)+mycos(θy)-mzsin(θy)cos(θx)

根据求得的mxh，myh，计算传感器在xyz直角坐标系下绕z轴转动的角度θz，计算式为

步骤104，基于动态加速度信号获得被测体的动态位移。

其中，动态位移sd由动态加速度信号经过2次积分运算得到，计算式为sd＝∫∫addt，计算方法可以采用梯形公式数值积分法或频域积分法。

步骤105，基于静态倾角和动态位移获得被测体的地质灾害监测与预警结果。

其中，获得监测与预警结果的方法可以是根据计算结果，实时监测被测体θx，θy，θz和sd，当θx，θy，θz和sd中的任一值超过对应的阈值时触发预警，并将预警信息发送出去。

本实施例中预设的阈值可以根据实际情况设置，在此不做限定。

在本实施例中，将预警信息发送出去的方式可以包括无线广播，2/3/4/5g信号和窄带物联网等各种网络制式，预警形式可以采用现场声光报警、短信、微信或发送到监测预警平台等各种方式。

对应于上文实施例中的地质灾害的监测与预警方法，图2示出了本发明实施例提供的地质灾害的监测与预警装置的示意图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

该地质灾害的监测与预警装置包括：

数据获取单元111，用于获取被测体的响应信号和磁力信号，其中，响应信号为利用加速度计对被测体进行测量获得的线性加速度信号。

信息处理单元112，用于对线性加速度信号进行分解，获得静态加速度信号和动态加速度信号。

静态倾角计算单元113，用于对静态加速度信号和磁力信号进行融合解算，获得被测体的静态倾角。

动态位移计算单元114，用于基于动态加速度信号获得被测体的动态位移。

通信预警单元115，用于基于静态倾角和动态位移获得被测体的地质灾害监测与预警结果。

在另一个实施例中，信息处理单元112包括：

对线性加速度信号进行高通滤波获得动态加速度信号；

对线性加速度信号进行低通滤波获得静态加速度信号，或，计算线性加速度信号的滑动平均值，将滑动平均值作为线性加速度信号的静态加速度信号。

在另一个实施例中，静态倾角计算单元113包括：

对静态加速度信号和磁力信号进行融合解算，获得被测体的静态倾角包括：

基于预设的静态倾角计算公式对静态加速度信号和磁力信号进行融合解算，获得被测体的静态倾角，其中，静态倾角计算公式包括:

其中，θx，θy，θz表示被测体在xyz直角坐标系下绕xyz各轴转动的角度；

其中，aj表示静态加速度信号，其中，ajx，ajy和ajz表示静态加速度信号在xyz直角坐标系下在xyz各轴方向上的分量；

其中，mxh表示倾斜校正后的磁力信号在xyz直角坐标系下在x轴的分量，myh表示倾斜校正后的磁力信号在xyz直角坐标系下在y轴的分量。

在另一个实施例中，动态位移计算单元114包括：

基于动态加速度信号获得被测体的动态位移包括：

对动态加速度信号进行二次积分运算，其中，二次积分运算公式包括：

sd＝∫∫addt

其中，sd表示被测体的动态位移，ad表示动态加速度信号，dt表示时间的变化量。

从上述实施例可知，本实施例首先获取被测体的响应信号和磁力信号，其中，响应信号为利用加速度计对所述被测体进行测量获得的线性加速度信号；然后对线性加速度信号进行分解，获得静态加速度信号和动态加速度信号；接着对静态加速度信号和磁力信号进行融合解算，获得被测体的静态倾角；基于动态加速度信号获得被测体的动态位移；最后基于静态倾角和动态位移获得被测体的地质灾害监测与预警结果。基于上述计算方法，本发明实施例可以实现测量传感器和被测体的各轴上的转动倾角和微小的位移，更准确及时地对地质灾害进行监测与预警，降低地质灾害对各方面的不利影响。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

图3是本发明一实施例提供的终端设备的示意图。如图3所示，该实施例的终端设备3包括：处理器30、存储器31以及存储在所述存储器31中并可在所述处理器30上运行的计算机程序32，例如地质灾害的监测与预警程序。所述处理器30执行所述计算机程序32时实现上述各个地质灾害的监测与预警方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤101至105。或者，所述处理器30执行所述计算机程序32时实现上述各地质灾害的监测与预警装置实施例中各模块/单元的功能，例如图2所示模块111至115的功能。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。