一种基于多源传感器的滑坡监测和预警装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于多源传感器的滑坡监测和预警装置，包括数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块和滑坡预警模块；数据采集模块采用多源传感器采集实时数据；数据传输模块，包括宽带传输单元和窄带传输单元，分别用于传输影像数据和非影像数据；数据处理模块，用于对采集到的传感器数据判定传感器的工作质量、提取滑坡监测因子以及对影像数据进行处理获取数字高程模型；滑坡预警模块，用于检查滑坡监测因子是否超出设定的阈值范围，判断是否有发生滑坡的危险并发出警报。与现有技术相比，本发明采用多源传感器结合测量的方式提高滑坡监控的精确度和预警的可信度；根据传感器采集数据量的大小采用多个不同特性的数据通讯仪器，降低传输成本。
【专利说明】
-种基于多源传感器的滑坡监测和预譬装置
技术领域
[0001] 本发明设及一种滑坡预警装置，尤其是设及一种基于多源传感器的滑坡监测和预 警装置。
【背景技术】
[0002] 滑坡灾害，即各类滑坡、崩塌、泥石流灾害的综合，由多种外界因素触发产生，如地 震、火山、河流冲刷、融雪、降雨及人类活动等。大型滑坡所引起的次生灾害的破坏力甚至远 远超过它的直接破坏力。滑坡风险评估与管理、预警预报一直是国际上倡导和推广的减灾 防灾有效途径。目前急需对大型滑坡体本身进行直接和精密的监测W随时掌握滑坡及周边 环境变化的累积和触发因素。而如何有效的集成多种传感器W达到滑坡精密监测和滑坡预 报预警的目标将是一个巨大的挑战。
[0003] 目前在应对滑坡灾害的预警研究当中，常常使用地面传感器或者非接触式传感 器。地面传感器一般指测量±壤内部压力的压力计（如±压力计），测量±壤内部含水量的 水压力计（如孔隙水压力计），测量区域形变的位移计等。单独使用地面传感器，能够实时 获取±壤内部的变化信息，但是其数据多而且存在传感器数据粗差的问题，区别滑坡变化 和传感器粗差造成的数据变化存在一定难度。单独使用非接触式传感器，如照相机，摄像机 等获取影像的传感器或LiDAR等获取地表Ξ维点云的传感器，能够直观地展示滑坡发生时 的现场状况。但是影像及点云数据有一定的滞后性，需要通过后期处理等流程才能获得需 要的滑坡监测因子，无法做到及时预警。
[0004] 目前常用的滑坡分析实验大多采用的是数值模型进行实验分析。数值模型可W在 一定程度上模仿滑坡的发生，但是滑坡体具有各自的属性特征，数值模型难W完全表示实 际滑坡的发生状况。
【发明内容】
阳〇化]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于多源传感 器的滑坡监测和预警装置。
[0006] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0007] 一种基于多源传感器的滑坡监测和预警装置，其特征在于，包括数据采集模块、数 据传输模块、数据处理模块、数据监控模块和滑坡预警模块；
[0008] 所述的数据采集模块，包括地面传感器和非接触式传感器，用于采集实时现场数 据；
[0009] 所述的数据传输模块，包括宽带传输单元和窄带传输单元，所述宽带传输单元用 于传输影像数据，所述窄带传输单元用于传输非影像数据；
[0010] 所述的数据处理模块，用于对传感器采集到的数据判定传感器的工作质量、计算 滑坡监测因子W及对影像数据进行处理获取数字高程模型；
[0011] 所述的滑坡预警模块，用于检查所述的滑坡监测因子是否超出设定的阔值范围， 判断是否有发生滑坡的危险并发出警报。
[0012] 所述滑坡监测因子包括孔隙水压力，位移，压力，加速度和滑坡外因。
[0013] 所述的地面传感器包括裂缝计、钻孔压力计、±压力计、渗压计、位移计、孔隙水压 力计、大倾斜仪、小倾斜仪、溫湿度计、气象站、加速度计和雨量计。
[0014] 所述的非接触式传感器包括高速照相机、低速照相机和监控摄像机。
[0015] 所述的宽带传输单元为iMesh.
[0016] 所述的窄带传输单元包括用于传输非影像数据的3G路由器和用于汇集非影像数 据的串口服务器。
[0017] 所述数据传输模块对传感器的工作质量的判定方法具体为：
[0018] 对接收到的地面传感器数据与设定的阔值范围进行比较，如果超出该阔值范围， 则判定该传感器异常工作，反之则认为该传感器正常工作。
[0019] 所述的滑坡监测和预警装置还包括数据可视化模块，用于对所述的滑坡监测因子 制作成数据表及曲线图，与传感器工作质量信息、滑坡监测视频一同进行可视化处理。
[0020] 与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[0021] 1.采用多种地面传感器测量与非接触式传感器摄影测量相结合的方法进行滑坡 测量，融合多源数据的分析方法有利于提高滑坡监控的精确度和预警的可信度。
[0022] 2.根据传感器采集数据量的大小，采用多个不同特性的数据通讯仪器，针对数据 量小的地面传感器，通过窄带传输降低传输成本；而针对数据量大的影像数据则通过宽带 传输；多途径的传输方式使得实时性要求相对较高的小数据量不会因为实时性要求相对较 低的大数据量的传输而导致堵塞在传输过程中。
[0023] 3.通过从地面传感器得到的数据，得到地面传感器的工作状态信息并绘制地面传 感器的数据变化曲线图，同时对其进行可视化处理，直观地展示数据变化与滑坡状态的关 联。
[0024] 4.通过对监测数据计算得到的滑坡监测因子进行建模实现滑坡预警，减少灾害损 失避免人员伤亡。
【附图说明】 阳0巧]图1为本实施例滑坡体±壤分布示意图；
[0026] 图2为本发明功能模块的控制流程图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 阳0測实施例
[0029] 本实施例主要是对四川省都江堪市虹口乡实地滑坡进行模拟并利用本装置的基 于多源传感器的滑坡监测和预警装置对其进行监测。
[0030] 根据四川省都江堪市虹口乡实地滑坡坡度在20度-40度之间，确定模拟滑坡体坡 度为30度、15度、5度Ξ段。模拟实验滑坡底架主要由宽度为1. 5米的红砖搭建而成，滑坡 体Ξ段坡度的长度均为2米，滑坡体的最高高度为3米。根据都江堪市虹口乡滑坡含有大 量碎石且±质松散的±壤特性，将模拟滑坡体设计为两层：下层层深为0. 6米的第一粘± 层10和表层层深为0. 2米的第二粘±层11。为了更清晰的观测到各个部位滑坡体的滑动 情况，每隔一米在靠近玻璃旁灌注0. 1米直径的彩沙12。粘±层1拟采用粘±、沙子W 1:3 混合而成；粘±层2拟采用粘±、沙子W 1:4混合而成。设计规格图如图1所示。
[0031] 模型采用了全自动人工模拟降雨系统。降水系统主要由降水水管组成。在滑坡体 每段坡度的钢架上面，布设了六根带阀口的塑料水管，用W控制降水时间和降水流量。滑坡 模型外部接一个蓄水池，通过水管向水道内注水，并通过雨量计或者气象站计算降雨量。地 下水系统主要安装在倾角为30度的滑道上方，模拟根据地下水位的上涨，水份渗入到±壤 层而对滑坡产生影响。
[0032] 本发明装置20的数据采集模块21与滑坡体直接连接，即在滑坡体上布设共22个 地面传感器，在滑坡体外侧布设5个非接触式传感器。各传感器对应的监测因子如表1所 示。滑坡体内通过岩上高度的变化W此来模拟滑坡表面的起始裂缝。裂缝下部配有6个孔 隙水压力计，W此来监测滑坡中部孔隙水压的变化。同一直线上配置2个倾斜仪，实时监测 地下不同高层的位移变化。顶部安装位移计，W此来监测滑坡的位移情况。
[0033]
[0034] 表1传感器与提取因子对照表
[0035] 将两架低速相机分别架设在滑坡模型坡脚前方0. 5米处的左前侧和右前侧，架设 高度约Im，两台相机间距约1.5m。在两架低速相机的后方分别放置一架高速相机，架设高 度约为1. Im，略高于低速摄像机。为了保证拍摄时的帖频要求，在滑坡体旁边架设光源若 干。由于存储空间的限制W及实际情况的需要，拍摄频率根据滑坡的不同阶段而调整。在 实验初期，每1分钟获取一个立体相对；当滑坡体开始变化时，将帖频调至1帖/秒；在滑坡 主体开始滑动时，逐渐提高拍摄频率，在滑坡运动最剧烈的阶段，设置帖频为20-30帖/秒； 当滑坡慢慢趋于稳定时，再逐渐降低拍摄频率。为了能全景监测滑坡面，在距离坡脚约0. 5 米处布设摄像机，摄像机安装高度为4~6米。
[0036] 本发明装置的数据传输模块22共采用5个数据通讯的仪器：3个iMesh用于非接 触式传感器（摄像头）数据传输；1个3G路由器用于地面传感器（除摄像头w外的传感 器）数据传输；1个串口服务器用于地面传感器数据汇集。试验场模拟实验中所有传感器 共27个，其中非接触式传感器5个，地面传感器22个，传感器分类及相应的通讯方式如表 2所示。
[0037]
[0038] 表2传感器通讯总汇
[0039] 传回的数据通过本发明的数据处理模块23进行实时处理，地面传感器的数据分 别与其阔值对比，判定该传感器的工作状态。对接收的传感器数据进行滑坡监测因子的提 取，得到该滑坡体不同区域的孔隙水压力，位移，压力，加速度等因子。数据可视化模块24 根据提取出的监测因子制成数据图表显示出来，将地面传感器工作状态，地面传感器数据 图表W及滑坡监测视频展示在界面中。同时，滑坡预警模块25根据监测因子、传感器工作 状态W及结合视频图像的综合分析，检查滑坡监测因子是否超出设定的阔值范围，判断是 否有发生滑坡的危险并发出警报建立滑坡预警模型，对滑坡险情进行实时预警，设定的阔 值范围可W是由经验确定的，例如借鉴与所研究区域地理条件类似的已经发生过滑坡的区 域，W其为参照确定阔值。
【主权项】
1. 一种基于多源传感器的滑坡监测和预警装置，其特征在于，包括数据采集模块、数据 传输模块、数据处理模块、数据监控模块和滑坡预警模块； 所述的数据采集模块，包括地面传感器和非接触式传感器，用于采集实时现场数据； 所述的数据传输模块，包括宽带传输单元和窄带传输单元，所述宽带传输单元用于传 输影像数据，所述窄带传输单元用于传输非影像数据； 所述的数据处理模块，用于对传感器采集到的数据判定传感器的工作质量、计算滑坡 监测因子以及对影像数据进行处理获取数字高程模型； 所述的滑坡预警模块，用于检查所述的滑坡监测因子是否超出设定的阈值范围，判断 是否有发生滑坡的危险并发出警报。2. 根据权利要求1所述的一种基于多源传感器的滑坡监测和预警装置，其特征在于， 所述滑坡监测因子包括孔隙水压力，位移，压力，加速度和滑坡外因。3. 根据权利要求1所述的一种基于多源传感器的滑坡监测和预警装置，其特征在于， 所述的地面传感器包括裂缝计、钻孔压力计、土压力计、渗压计、位移计、孔隙水压力计、大 倾斜仪、小倾斜仪、温湿度计、气象站、加速度计和雨量计。4. 根据权利要求1所述的一种基于多源传感器的滑坡监测和预警装置，其特征在于， 所述的非接触式传感器包括高速照相机、低速照相机和监控摄像机。5. 根据权利要求1所述的一种基于多源传感器的滑坡监测和预警装置，其特征在于， 所述的宽带传输单元为iMesh。6. 根据权利要求1所述的一种基于多源传感器的滑坡监测和预警装置，其特征在于， 所述的窄带传输单元包括用于传输非影像数据的3G路由器和用于汇集非影像数据的串口 服务器。7. 根据权利要求1所述的一种基于多源传感器的滑坡监测和预警装置，其特征在于， 所述数据传输模块对传感器的工作质量的判定方法具体为： 对接收到的地面传感器数据与设定的阈值范围进行比较，如果超出该阈值范围，则判 定该传感器异常工作，反之则认为该传感器正常工作。8. 根据权利要求1所述的一种基于多源传感器的滑坡监测和预警装置，其特征在于， 所述的滑坡监测和预警装置还包括数据可视化模块，用于对所述的滑坡监测因子制作成数 据表及曲线图，与传感器工作质量信息、滑坡监测视频一同进行可视化处理。
【文档编号】G08B21/10GK105989697SQ201510041862
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月27日
【发明人】陆平, 吴杭彬, 乔刚, 冯甜甜, 李巍岳, 童小华, 刘春 , 李荣兴, 张绚
【申请人】同济大学