一种基于北斗卫星和gprs的泥石流短临预警方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于北斗卫星和GPRS的泥石流短临预警方法，属于地质灾害风险分析【技术领域】。该预警方法包括以下步骤：(1)确定定位系统传感节点位置；(2)设置压力传感器和雨量计；(3)改装北斗卫星导航手机；(4)进行监控：结合压力数据、GPRS信号的变化和有无，可以判断泥石流发生与否，以及发生的地点；监测人员通过各监测数据做出最终的预警决策，达到预警级别时，便立即提交到管理指挥部门，以相应的级别进行信息发布。本发明通过建立泥石流短临预警系统，提升了对泥石流灾害的监测预警，从而减少大量的人员伤亡和经济损失。
【专利说明】—种基于北斗卫星和GPRS的泥石流短临预警方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于北斗卫星和GPRS的泥石流短临预警方法，属于地质灾害风险分析【技术领域】。
【背景技术】
[0002]泥石流是指在山区或者其他沟谷深壑，地形险峻的地区，因为暴雨、暴雪或其他自然灾害引发的山体滑坡并携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流。我国由于地质条件复杂，是泥石流灾害的多发地。泥石流是介于流水与滑坡之间的一种地质作用，典型的泥石流由悬浮着粗大固体碎屑物并富含粉砂及粘土的粘稠泥浆组成。在适当的地形条件下，大量的水体浸透山坡或沟床中的固体堆积物质，使其稳定性降低，饱含水分的固体堆积物质在自身重力作用下发生运动，就形成了泥石流。泥石流一般爆发突然，来势凶猛，可携带巨大的石块，并以高速前进，具有强大的能量，因而其破坏性极大。
[0003]泥石流的主要危害是冲毁城镇、企事业单位、工厂、矿山、乡村，造成人畜伤亡，破坏房屋及其他工程设施，破坏农作物、林木及耕地。此外，泥石流有时也会淤塞河道，不但阻断航运，还可能引起水灾。影响泥石流强度的因素较多，如泥石流容量、流速、流量等，其中泥石流流量对泥石流成灾程度的影响最为主要。此外，多种人为活动也在多方面加剧着上述因素的作用，促进泥石流的形成。
[0004]在泥石流的预防过程中，目前需解决的问题有以下一些:(I)泥石流影响因素的确定，地貌条件、地质条件、气象和水文、植被与土壤以及人类的经济活动都是泥石流灾害产生的影响因素，就技术层面来说，这些影响因素当中那些因素是在现今的技术水平条件下可以运用到实时监测中的，尚未确定；(2)由于泥石流灾害发生环境的复杂性，如何通过北斗卫星导航系统构建预警系统才可以起到对泥石流的短临预警。(3)传感节点和GPRS模块在监测区域的节点如何布置才可以达到泥石流短临预警的效果。(4)导致泥石流发生的影响因素如何综合界定其预警阀值。(5)泥石流预警层次的划分。
[0005]我国泥石流主要以防治为主，在泥石流预警方面尚处于初始阶段，但现有的预警方法受到技术的限制往往在实际应用过程中误差过大，过多；而本发明基于现有成熟的技术基础上，通过创新方法，改变模式实现了泥石流的短临预警。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种结合传感网技术，基于北斗卫星导航定位系统与GPRS远程无线数据传输技术，以利用前10分钟、半小时降雨对泥石流进行预警。
[0007]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0008]一种基于北斗卫星和GPRS的泥石流短临预警方法，包括以下步骤:
[0009](I)确定定位系统传感节点位置:在当前的技术条件下可以通过监测获得的泥石流预警信息有地貌条件、地质条件和气象水文条件，借助于北斗卫星导航系统和GPRS确定每个带有GPRS定位系统传感节点的具体位置信息，节点向地面中心站发出请求，地面中心站再发出信号到卫星，之后分别经两颗卫星发射传至节点，地面中心站通过计算两种信号途径所需的时间，即可完成定位；
[0010](2)设置压力传感器和雨量计:通过所有节点位置信息运用MapGIS制图软件获得监测区域的地貌情况；同时为了获得相应的地质和气象水文信息，设置压力传感器和雨量计:
[0011]①设置压力传感器:在泥石流爆发可能性较大的沟谷修建拦挡柱，并在其上不同高度安装压力传感器，当泥石流爆发时，由于其容重、流速与流量都远大于一般挟沙水流，故而能使压力传感器的数值迅速上升，压力传感器将测得的压力值传给同它相连的GPRS模块，该模块将信息上传到GPRS网络，数据通过此网络便能传至监控中心，并通过监测人员的处理与分析，判断该位置是否有泥石流通过，以及泥石流的规模大小；
[0012]具体依据是，泥石流发生的不同时段中该区域的泥石流容重(V)都不相同，前期稀性泥石流容重为1.8g/cm3>V>l.5g/cm3,中期粘性泥石流容重为V>1.8g/cm3,后期挟沙洪水容重为Kl.5g/cm3，不同容重的泥石流或者说挟沙洪水的冲击力相差很大，所以通过对压力传感器节点传输的不同压力信息分析可以明确对洪水和泥石流进行区分，压力信息由公式F=Pgsh(F为传感器测得的压力，P为密度即容重V，g=10m/s2, s为压力传感器受力面积，h为传感器到泥石流表面的垂直高度，h可以通过北斗导航系统和GPRS模块的信息运算获得)计算。
[0013]②设置雨量计:雨量监测点尽量安装在测区的居民点上，将雨量计和GPRS模块相连，选择视野开阔，四周无树木遮挡的地点，并要求GPRS讯号稳定；在野外无居民点，但必须设点的地方，可以在稳定的基岩上修建水泥桩，将雨量计同GPRS模块安装在支架上，同样要求视野开阔，GPRS讯号稳定，同时使用太阳能电池供电蓄电池保障，这样可以将雨量计测得的雨量和雨强数据通过GPRS模块传送到GPRS网络；
[0014](3)改装北斗卫星导航手机:将北斗卫星导航手机改装成一张较薄的塑料板，能够防水，使之韧性较强，能够抵抗较强的冲击，同时具有较大的浮力，并且两面都有收发信号的功能，在泥石流沟安装改装过的北斗卫星导航手机；
[0015](4)进行监控:监控中心对上述节点位置中压力传感器、雨量计、导航手机传回的压力数据、降雨量数据、北斗卫星定位坐标进行管理，并实现对数据的存储、查询、统计分析，将单个点的降雨量、雨强数据整合，得到该区域内的降雨量、雨强情况，结合压力数据、GPRS信号的变化和有无，可以判断泥石流发生与否，以及发生的地点；监测人员通过监测数据分析结果做出最终的预警决策，达到预警级别时，便立即提交到管理指挥部门，以相应的级别进行信息发布。
[0016]所述步骤(I)中，所述节点定位的具体过程是，以任意两颗卫星的已知坐标为圆心，各自以测定的卫星至用户端的距离为半径，形成两个球面；节点将位于两个球面的相交圆弧上，地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心，以球心至地表高度为半径的非均匀球面，用数学方法求解此圆弧与地球表面的交点，即得到节点的位置。
[0017]所述步骤(3)中，所述北斗卫星导航手机安装的泥石流沟位置应包括以下六个:①河谷的凹岸:因为当泥石流发生时，其巨大的侧蚀能力，一次往往可以把凹侧刷深2m以上。②在支沟入汇的沟口:这里也是泥石流发生侵蚀剧烈的地带。③在坡面泥石流沟的小型泥石流堆积层上:由于坡面泥石流主要就是由谷坡小型泥石流群发性入汇于主沟而形成，在这些地方安放能够及时监测到改装后的北斗导航手机位置的变化，从而提前泥石流预警时间。④在沟谷型泥石流易发生滑坡的碎屑层上:当其因含水达到饱和，开始下滑时，改装北斗导航手机能一直跟随其下滑，当下滑到沟谷里时，塑料板就能随主沟洪水漂走，改装北斗导航手机位置信号的变化在监控区就能一直追踪到。⑤在跌坎、河岸两侧:这些地方往往也会发生较大的冲蚀。⑥典型泥石流沟的形成区、流通区河床:这里往往最易发生冲刷。
[0018]本发明的有益效果在于:本发明解决了以下几方面的问题:(1)泥石流的影响因素确定；(2)北斗卫星导航系统、GPRS与传感网的融合；(3)根据采集的数据和泥石流的影响因素确定泥石流是否发生；(4)泥石流短临预警的实现。通过建立泥石流短临预警系统，提升了对泥石流灾害的监测预警，从而减少大量的人员伤亡和经济损失。
【具体实施方式】
[0019]下面以具体实施例进一步地阐述基于北斗卫星和GPRS的泥石流短临预警方法。
[0020]实施例
[0021]以典型的西部山区泥石流沟地形——四川理县甘堡藏寨为例，来具体说明该预警模型的实施方法。
[0022]基于北斗卫星和GPRS的泥石流短临预警方法，包括以下步骤:
[0023](I)确定定位系统传感节点位置。确定在当前的技术条件下可以通过监测获得的泥石流预警信息有地貌条件、地质条件和气象水文条件，借助于北斗卫星导航系统和GPRS确定每个带有GPRS定位系统传感节点的具体位置信息，节点向地面中心站发出请求，地面中心站再发出信号到卫星，之后分别经两颗卫星发射传至节点，地面中心站通过计算两种信号途径所需的时间，即可完成定位。
[0024]该定位方法的具体过程是，以任意两颗卫星的已知坐标为圆心，各自以测定的卫星至用户端的距离为半径，形成两个球面；节点将位于两个球面的相交圆弧上，地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心，以球心至地表高度为半径的非均匀球面，用数学方法求解此圆弧与地球表面的交点，即得到节点的位置。
[0025](2)设置压力传感器和雨量计。通过所有节点位置信息运用MapGIS制图软件获得监测区域的地貌情况；同时为了获得相应的地质和气象水文信息，设置压力传感器和雨量计。
[0026]①设置压力传感器。在泥石流爆发可能性较大的沟谷修建拦挡柱，并在其上不同高度安装压力传感器。当泥石流爆发时，由于其容重、流速与流量都远大于一般挟沙水流，故而能使压力传感器的数值迅速上升，压力传感器将测得的压力值传给同它相连的GPRS模块，该模块将信息上传到GPRS网络，数据通过此网络便能传回监控中心，供监测人员的处理与分析，判断该位置是否有泥石流通过，以及泥石流的规模大小。泥石流发生后的不同时段中该区域泥石流容重(V)都不相同，前期稀性泥石流容重为1.8g/Cm3>V>1.5g/Cm3，中期粘性泥石流容重为V>1.8g/cm3，后期挟沙洪水容重为V〈l.5g/cm3，不同容重的泥石流或者说挟沙洪水的冲击力相差很大，所以通过对压力传感器节点传输的不同压力信息分析可以明确对洪水和泥石流进行区分，压力信息由公式F=Pgsh(F为传感器测得的压力，P为密度即容重V，g=10m/s2，s为压力传感器受力面积，h为传感器到泥石流表面的垂直高度，h可以通过北斗导航系统和GPRS模块信息运算获得)计算。[0027]②设置雨量计。雨量监测点尽量安装在测区的居民点上，将雨量计和GPRS模块相连，选择视野开阔，四周无树木遮挡的地点，并要求GPRS讯号稳定。在野外无居民点，但必须设点的地方，可以在稳定的基岩上修建水泥桩，将雨量计同GPRS模块安装在支架上，同样要求视野开阔，GPRS讯号稳定，同时使用太阳能电池供能蓄电池保障，这样就可以将雨量计测得的雨量和雨强数据通过GPRS模块传送到GPRS网络。
[0028](3)改装北斗卫星导航手机。将北斗卫星导航手机改装成一张较薄的塑料板，能够防水，使之韧性较强，能够抵抗较强的冲击，同时具有较大的浮力，并且两面都有收发信号的功能。在泥石流沟安装所设计的装置，按照在以下六个地方:①河谷的凹岸:因为当泥石流发生时，其巨大的侧蚀能力，一次往往可以把凹侧刷深2m以上。②在支沟入汇的沟口:这里也是泥石流发生侵蚀剧烈的地带。③在坡面泥石流沟的小型泥石流堆积层上:由于坡面泥石流主要就是由谷坡小型泥石流群发性入汇于主沟而形成，在这些地方安放能够及时观测到改装后北斗导航手机的位置信号变化，从而提前泥石流预警时间。④在沟谷型泥石流易发生滑坡的碎屑层上:当其因含水达到饱和，开始下滑时，北斗导航手机能一直跟随其下滑，当下滑到沟谷里时，北斗导航手机就能随主沟洪水漂走，北斗导航手机位置信号的变化在监控区能一直追踪到。⑤在跌坎、河岸两侧:这些地方往往也会发生较大的冲蚀。⑥典型泥石流沟的形成区、流通区河床:这里往往最易发生冲刷。
[0029](4)进行监控:监控中心对上述节点位置中压力传感器、雨量计、导航手机传回的压力数据、降雨量数据、北斗卫星定位坐标进行管理，并实现对数据的存储、查询、统计分析，将单个点的降雨量、雨强数据整合，得到该区域内的降雨量、雨强情况，结合压力数据、GPRS信号的变化和有无，还可判断泥石流发生与否，以及发生的地点。监测人员通过各监测数据做出最终的预警决策，达到预警级别时，便立即提交到管理指挥部门，以相应的级别进行信息发布。
[0030]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于北斗卫星和GPRS的泥石流短临预警方法，其特征在于:该方法包括以下步骤: (1)确定定位系统传感节点位置:在当前的技术条件下可以通过监测获得的泥石流预警信息有地貌条件、地质条件和气象水文条件，借助于北斗卫星导航系统和GPRS确定每个带有GPRS定位系统传感节点的具体位置信息，节点向地面中心站发出请求，地面中心站再发出信号到卫星，之后分别经两颗卫星发射传至节点，地面中心站通过计算两种信号途径所需的时间，即可完成定位； (2)设置压力传感器和雨量计:根据节点所在位置信息运用MapGIS制图软件获得监测区域的地貌情况；同时为了获得相应的地质和气象水文信息，设置压力传感器和雨量计: ①设置压力传感器:在泥石流爆发可能性较大的沟谷修建拦挡柱，并在其上不同高度安装压力传感器，当泥石流爆发时，由于其容重、流速与流量都远大于一般挟沙水流，故而能使压力传感器的数值迅速上升，压力传感器将测得的压力值传给集成在节点上的GPRS模块，GPRS模块将通过GPRS网络将数据传回监控中心，供监测人员的处理与分析，判断该位置是否有泥石流通过，以及泥石流的规模大小； ②设置雨量计:雨量监测点尽量安装在测区的居民点上，将雨量计和GPRS模块相连，选择视野开阔，四周无树木遮挡的地点，并要求GPRS讯号稳定；在野外无居民点，但必须设点的地方，可以在稳定的基岩上修建水泥桩，将雨量计同GPRS模块安装在支架上，同样要求视野开阔，GPRS讯号稳定，同时使用太阳能电池作为日常电源供电以蓄电池作为后备电源预防突发情况的发生，这样可以将雨量计测得的雨量和雨强数据通过GPRS模块由GPRS网络传送到监控中心加以处理和分析； (3)改装北斗卫星导航手机:将北斗卫星导航手机改装成一张较薄的塑料板，能够防水，使之韧性较强，能够抵抗较强的冲击，同时具有较大的浮力，并且两面都有收发信号的功能，在泥石流沟安装所改装的北斗卫星导航手机； (4)进行监控:监控中心对上述节点位置各种压力传感器、雨量计、导航手机传回的压力数据、降雨量数据、北斗卫星定位坐标进行管理，并实现对数据的存储、查询、统计分析，将单个点的降雨量、雨强数据整合，得到该区域内的降雨量、雨强情况，结合压力数据、GPRS信号的变化和有无，可以判断泥石流发生与否，以及发生的地点；监测人员通过各监测数据做出最终的预警决策，达到预警级别时，便立即提交到管理指挥部门，以相应的级别进行信息发布O
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星和GPRS的泥石流短临预警方法，其特征在于:所述步骤(I)中，所述节点定位的具体过程是，以任意两颗卫星的已知坐标为圆心，各自以测定的卫星至用户端的距离为半径，形成两个球面；节点将位于两个球面的相交圆弧上，地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心，以球心至地表高度为半径的非均匀球面，用数学方法求解此圆弧与地球表面的交点，即得到节点的位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星和GPRS的泥石流短临预警方法，其特征在于:所述步骤(3)中，所述北斗卫星导航手机安装在泥石流沟的位置应包括以下六个:①河谷的凹岸；②支沟入汇的沟口 ；③坡面泥石流沟的小型泥石流堆积层上沟谷型泥石流易发生滑坡的碎屑层上；⑤跌坎、河岸两侧；⑥典型泥石流沟的形成区、流通区河床。
【文档编号】G08B21/10GK103544810SQ201310502863
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2013年10月15日
【发明者】丁明涛, 颜竟, 周鹏, 黄龙阳, 王骏, 庙成 申请人:西南科技大学