一种基于牛顿力监控的多源异构滑坡预警模型的制作方法

1.本发明涉及地质灾害监测技术领域，特别是涉及一种基于牛顿力监控的多源异构滑坡预警模型。


背景技术：

2.滑坡是斜坡岩土体沿着惯通的剪切破坏面所发生的滑移地质现象。滑坡的机制是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度所致。滑坡是破坏性、突发性极强的地质灾害之一，全球每年发生的重大型滑坡灾害均造成了重大的人员伤亡或经济损失并且造成了重大的环境影响。
3.基于滑坡监测曲线改进切线角的预警方法是目前单体滑坡预警的主要方法，它通过切线角的大小将滑坡预警级别划分成4个不同的标准，不同的级别采用不同的措施。然而滑坡具有极强的突发性，越临近滑坡时刻其切线角突变越快，即使及时发出预警信息，由于时间不够也会造成人员的伤亡和财产的损失。


技术实现要素：

4.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供了一种基于牛顿力监控的多源异构滑坡预警模型，重新划分四级预警的区间以保证能提前发出预警信息。
5.为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
6.本发明是一种基于牛顿力监控的多源异构滑坡预警模型，包括如下步骤：
7.s1、在滑坡对象上布设位移监测传感器、牛顿力监测传感器；
8.s2、对实时采集的位移监测数据、牛顿力监测数据进行预处理；
9.s3、数据预处理包括，异常值剔除和平滑处理，异常值剔除算法包括但不仅限于拉依达准则，平滑处理算法包括但不仅限于移动平均法；
10.s4、使用改进切线角模型，将滑坡位移监测数据转换成t-t曲线，依据滑坡预警级别定量划分标准，初步将滑坡t-t曲线划分成等速变形阶段、初加速变形阶段、中加速变形阶段、加加速(临滑)变形阶段；
11.s5、将滑坡牛顿力监测曲线与s4中的t-t曲线融合，捕捉滑坡牛顿力变化曲线的阶跃点时刻，更新四级滑坡预警级别的起始时间。
12.作为优化，位移监测数据通过但不仅限于gnss传感器、裂缝计进行采集，滑坡的牛顿力通过监测锚索应力的变化获取，求出预处理后的滑坡牛顿力单位监测周期内的牛顿力变化率(监测周期根据实际情况而定，如1天、1周等)，根据牛顿力变化率特点，捕捉滑坡牛顿力变化曲线的阶跃点时刻，更新四级滑坡预警级别的起始区间。
13.作为优化，异常数据的处理主要采用拉依达法则，计算公式如下所示：
[0014][0015]
[0016]
其中xi为第i个监测样本，为监测样本的平均值，σ
x
为监测样本的标准差，若第i个监测样本满足则认为xi为粗差，予以剔除。
[0017]
作为优化，监测数据的平滑处理采用5阶移动平均法，计算公式如下所示：
[0018][0019]
式中，5为移动平均法的窗口宽度，a
t
表示t时刻的实际监测数据，表示对原始数据平滑处理后得到的数值。
[0020]
进一步限定，滑坡位移监测曲线s-t曲线通过如下计算方法转换成t-t曲线，并通过t-t曲线提取改进切线角；
[0021][0022][0023][0024]
等式中vi为等速变形阶段内各不同时刻ti的变形速率(一般根据监测周期确定，如1天、1周等),其中l为等速变形阶段的监测次数；s(i)为某一监测时间内斜坡的累计位移值，t(i)为变换后与时间相同量纲的纵坐标值，αi为从t-t曲线中提取得到的改进切线角。
[0025]
本发明技术效果是毋庸置疑的：
[0026]
a.滑坡具有极强的突发性，越临近滑坡时刻其切线角突变越快，采用改进切线角的四级预警方法，即使及时发出预警信息，由于时间不够也会造成人员的伤亡和财产的损失。
[0027]
b.滑坡牛顿力的拐点是先于位移变化的，通过捕捉牛顿力的变形速率识别牛顿力的拐点，并通过牛顿力更新改进切线角的四级预警区间，提前发出预警信息，以保证预留更多的滑坡应急处置时间。
[0028]
c.锚索应力计相对于gnss传感器而言对温度的敏感性较强，若单独采用牛顿力作为是否预警的指标，必然会由于温度的而导致误报信息。
附图说明
[0029]
图1为基于多源异构数据融合下的滑坡预警方法流程图。
[0030]
图2为滑坡预警级别的定量划分标准。
[0031]
图3为滑坡变形-时间曲线及其预警级别阶段划分图。
[0032]
图4为滑坡牛顿力监测曲线与位移监测曲线对比图。
[0033]
图5为滑坡变形-时间曲线及多源异构数据融合下预警级别阶段更新划分图。
[0034]
图6为滑坡的牛顿力及牛顿力变化速率对比图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，需注意的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或
位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方式构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0036]
参见图1所示，本实施例公开一种基于牛顿力监控的多源异构滑坡预警模型，包括如下步骤：
[0037]
s1、在滑坡对象上布设位移监测传感器、牛顿力监测传感器；
[0038]
s2、对实时采集的位移监测数据、牛顿力监测数据进行预处理；
[0039]
s3、数据预处理包括，异常值剔除和平滑处理，异常值剔除算法包括但不仅限于拉依达准则，平滑处理算法包括但不仅限于移动平均法；
[0040]
s4、使用改进切线角模型，将滑坡位移监测数据转换成t-t曲线，依据滑坡预警级别定量划分标准(如图4所示)，初步将滑坡t-t曲线划分成等速变形阶段、初加速变形阶段、中加速变形阶段、加加速(临滑)变形阶段(如图5所示)；
[0041]
s5、在滑坡发生之前，斜坡体内的牛顿力会打破平衡发生连续的变化，当滑动力大于抗滑力之后，斜坡才会发生变形和滑动，即斜坡体内的牛顿力突变会早于位移突变，两者的对应关系(如图2所示)。因此，将滑坡牛顿力监测曲线与s4中的t-t曲线融合，捕捉滑坡牛顿力变化曲线的阶跃点时刻，更新四级滑坡预警级别的起始时间(如图6所示)。
[0042]
本具体实施方式中，位移监测数据通过但不仅限于gnss传感器、裂缝计进行采集，滑坡的牛顿力通过监测锚索应力的变化获取，求出预处理后的滑坡牛顿力单位监测周期内的牛顿力变化率(监测周期根据实际情况而定，如1天、1周等)，根据牛顿力变化率特点，捕捉滑坡牛顿力变化曲线的阶跃点时刻(如图3所示)，更新四级滑坡预警级别的起始区间。
[0043]
本具体实施方式中，异常数据的处理主要采用拉依达法则，计算公式如下所示：
[0044][0045][0046]
其中xi为第i个监测样本，为监测样本的平均值，σ
x
为监测样本的标准差，若第i个监测样本满足则认为xi为粗差，予以剔除。
[0047]
本具体实施方式中，监测数据的平滑处理采用5阶移动平均法，计算公式如下所示：
[0048][0049]
式中，5为移动平均法的窗口宽度，a
t
表示t时刻的实际监测数据，表示对原始数据平滑处理后得到的数值。
[0050]
进一步限定，滑坡位移监测曲线s-t曲线通过如下计算方法转换成t-t曲线，并通过t-t曲线提取改进切线角；
[0051][0052]
[0053][0054]
等式中vi为等速变形阶段内各不同时刻ti的变形速率(一般根据监测周期确定，如1天、1周等),其中l为等速变形阶段的监测次数；s(i)为某一监测时间内斜坡的累计位移值，t(i)为变换后与时间相同量纲的纵坐标值，αi为从t-t曲线中提取得到的改进切线角。
[0055]
本发明技术效果是毋庸置疑的：
[0056]
a.滑坡具有极强的突发性，越临近滑坡时刻其切线角突变越快，采用改进切线角的四级预警方法，即使及时发出预警信息，由于时间不够也会造成人员的伤亡和财产的损失。
[0057]
b.滑坡牛顿力的拐点是先于位移变化的，通过捕捉牛顿力的变形速率识别牛顿力的拐点，并通过牛顿力更新改进切线角的四级预警区间，提前发出预警信息，以保证预留更多的滑坡应急处置时间。
[0058]
c.锚索应力计相对于gnss传感器而言对温度的敏感性较强，若单独采用牛顿力作为是否预警的指标，必然会由于温度的而导致误报信息。
[0059]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。