所屬技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警領(lǐng)域，尤其涉及一種邊坡變形遠(yuǎn)距監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，隨著我國的經(jīng)濟高速發(fā)展，全國范圍內(nèi)越來越多的基本建設(shè)逐漸從市集轉(zhuǎn)向郊外，從城市轉(zhuǎn)向農(nóng)村山區(qū)。很多基建項目為了考慮占地、成本、效率及適用性等因素，其建造的工程地質(zhì)條件較差，尤其是道路交通工程建設(shè)或者山地工業(yè)與民用建筑工程建造過程中往往會出現(xiàn)高切坡，甚至部分工程項目直接建造在潛在巨型滑坡地帶，安全隱患極大。這些邊坡若產(chǎn)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害將會給人民的生命和財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅，同時還會導(dǎo)致國民經(jīng)濟受到重大損失。

滑坡是斜坡巖土體沿著貫通的剪切破壞面所發(fā)生的滑移地質(zhì)現(xiàn)象。其災(zāi)變機理表現(xiàn)為某一滑移面上剪應(yīng)力超過了該面的抗剪強度而呈現(xiàn)整體滑移失穩(wěn)；產(chǎn)生滑坡的基本條件是斜坡體前有滑動空間，兩側(cè)有切割面。例如中國西南地區(qū)，特別是西南丘陵山區(qū)，最基本的地形地貌特征就是山體眾多，山勢陡峻，土壤結(jié)構(gòu)疏松，易積水，溝谷河流遍布于山體之中，與之相互切割，因而形成眾多的具有足夠滑動空間的斜坡體和切割面。崩塌是指陡峻山坡上巖塊、土體在重力作用下，發(fā)生突然的急劇的傾落運動，多發(fā)生在大于60°～70°的斜坡上。近年來，受全球極端氣候影響，邊坡地質(zhì)災(zāi)害也越來越多，各地對地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警及防治問題的重視程度也逐步提高。

針對上述需求，國內(nèi)外學(xué)者針對邊坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報問題提出了多種手段和方法，一般表現(xiàn)為對坡體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變情況或坡體位移的監(jiān)控量測，并根據(jù)其變化情況開展實時預(yù)警預(yù)報。就坡體位移監(jiān)測而言，傳統(tǒng)的邊坡位移監(jiān)測方式有兩種：一種為深孔位移監(jiān)測，主要采用深孔測斜儀監(jiān)測地下巖土體的水平位移量；另一種為地表位移監(jiān)測，主要是測定幾個坡面固定點隨時間的位移變化情況，從而達(dá)到監(jiān)測的目的。根據(jù)監(jiān)測手段的自動化程度，對邊坡巖土體變形的監(jiān)測又可分為有人值守的現(xiàn)場監(jiān)測和無人值守的自動化監(jiān)測兩種：現(xiàn)場監(jiān)測一般是通過人工巡視和測量記錄坡體各點位的位移變化情況，但這種方式人、財力消耗較大且監(jiān)測效果不明顯，在人類活動較少的地方不適用；自動化監(jiān)測是當(dāng)下最提倡的監(jiān)測方法，它又分為本地監(jiān)測和遠(yuǎn)距監(jiān)測兩種，他們的本質(zhì)區(qū)別在于對測量數(shù)據(jù)采取本地處理還是遠(yuǎn)距傳輸處理，顯然后者適用范圍更加廣泛。

當(dāng)前，遠(yuǎn)距監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)過程中主要依賴數(shù)碼相機或激光測距儀，如吳立新、王植、劉純波發(fā)明了滑坡體位移和姿態(tài)遠(yuǎn)距離快速監(jiān)測報警裝置和方法，其使用數(shù)碼相機拍攝遠(yuǎn)距離滑坡體目標(biāo)影像，并通過＂基于圖像局部組合特征向量集＂的特征匹配的方法，對不同時間拍攝的滑坡體目標(biāo)影像進行特征匹配和目標(biāo)識別，再利用手持式激光測距儀獲得相對距離信息。這種方法對數(shù)碼相機的要求極高，并且數(shù)碼相機在戶外惡劣條件下易發(fā)生不可控現(xiàn)象，且成本偏高。同時，通過攝像機對觀測體進行拍攝匹配特征，距離因素影響較大，微小特征難以識別，觀測體的植被樹木易對這種觀測方法的結(jié)果產(chǎn)生較大偏差，且植被樹木受季節(jié)性影響較大，故該方法在野外監(jiān)測的準(zhǔn)確度有待考察；趙宇、崔鵬、段曉康發(fā)明了一種智能型地質(zhì)災(zāi)害綜合監(jiān)測系統(tǒng)及多級預(yù)報分析方法，主要是對深部變形進行監(jiān)測，其表層的監(jiān)測主要是采用多個定點激光測距儀，對選定物體進行測距，缺點是測點少、耗材較多，在實際安裝過程中也存在繁瑣等問題。

基于上述判斷，在邊坡地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域亟需開發(fā)一套非接觸式邊坡崩滑地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)距智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，使其根據(jù)坡形斷面變化情況直觀的研判坡體所處的穩(wěn)定狀態(tài)，劃定預(yù)警級別，同時將其研判結(jié)果即時發(fā)送至地災(zāi)防治管理部門，并在現(xiàn)場發(fā)出預(yù)警信息，從而實現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警多方動態(tài)響應(yīng)的目的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明內(nèi)容概述

為了克服現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)邊坡定點監(jiān)測直觀性差，數(shù)據(jù)量不充分等缺憾,本發(fā)明提供一種非接觸式邊坡崩滑地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)距智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能測出坡體定點的位移及變形情況，而且能夠通過自動巡航掃描向數(shù)據(jù)處理終端傳輸連續(xù)性點云數(shù)據(jù)，進而由數(shù)據(jù)處理平臺轉(zhuǎn)換為多時序?qū)Ρ蕊@示的坡體姿態(tài)變化圖，最終即可通過手機等便攜式終端和現(xiàn)場警示裝置實現(xiàn)同步預(yù)警。

擬解決的技術(shù)問題與采取的技術(shù)方案

擬解決的技術(shù)問題包括：（1）坡體危險斷面線狀點云數(shù)據(jù)的采集與傳輸；（2）坡體姿態(tài)多時序點云數(shù)據(jù)的處理、終端顯示及現(xiàn)場警示；（3）監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

（1）本發(fā)明由五部分構(gòu)成，分別為線狀點云數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)距傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理平臺子系統(tǒng)、便攜式終端顯示及預(yù)警子系統(tǒng)、現(xiàn)場警示裝置子系統(tǒng)與供電設(shè)備子系統(tǒng)。其中，除便攜式終端顯示及預(yù)警子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理平臺子系統(tǒng)外，其它組成部分架設(shè)在邊坡附近的穩(wěn)定性強的電線桿、建筑物或者特設(shè)的桿狀裝置上，一般距離所監(jiān)測的斜坡不超過100m，從而保證點云數(shù)據(jù)的采集精度。

（2）線狀點云數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)距傳輸子系統(tǒng)由高精度激光測距儀和可180度豎向轉(zhuǎn)動的云臺構(gòu)成，上述兩個儀器均連接無線數(shù)傳模塊，并同步發(fā)送遙測距離數(shù)據(jù)和云臺轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)現(xiàn)場線狀點云數(shù)據(jù)的采集與傳送工作。

（3）數(shù)據(jù)處理平臺子系統(tǒng)通過配對的無線數(shù)傳模塊接收遠(yuǎn)距監(jiān)測子系統(tǒng)采集的遙測距離數(shù)據(jù)和云臺轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，并通過程序自動處理并轉(zhuǎn)化為坡型斷面姿態(tài)圖，且能夠通過互聯(lián)網(wǎng)向便攜式終端及預(yù)警子系統(tǒng)即時推送多時序坡型變化對比圖，并能夠根據(jù)事先設(shè)定的報警閾值顯示坡體穩(wěn)定狀態(tài)及預(yù)警級別，同時將上述穩(wěn)定狀態(tài)通過無線數(shù)傳模塊即時傳輸至現(xiàn)場預(yù)警裝置子系統(tǒng)。

（4）便攜式終端顯示及預(yù)警子系統(tǒng)為專門開發(fā)的圖顯程序，專門安裝在手機等便攜式裝備上，除顯示多時序坡型姿態(tài)對比圖外，還能根據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)通過聲音傳達(dá)預(yù)警信息。

（5）現(xiàn)場警示裝置子系統(tǒng)由無線指令接收器和高音喇叭組成，其中無線指令接收器集成多色燈管，獲取數(shù)據(jù)處理子平臺傳輸?shù)诌_(dá)的指令后，按照滑坡預(yù)警級別顯示不同色彩，高音喇叭與代表最高級別色澤（如紅色）的燈管并聯(lián)，當(dāng)接收到逼近失穩(wěn)臨界閾值指令后自動通過聲音報警。

（6）供電設(shè)備子系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場電力設(shè)施和氣候條件不同，優(yōu)先選用風(fēng)力發(fā)電機，再次選用太陽能電池板或直接連通民用供電網(wǎng)；選用風(fēng)力發(fā)電機或太陽能電池板供電時需配備蓄電池，且保證蓄電池蓄電量不低于持續(xù)供電24小時；為保障點云數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)距傳輸子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度，供電系統(tǒng)需集成電壓穩(wěn)壓器。

發(fā)明的有益效果

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在如下四個方面：

（1）可180度自動巡航的云臺搭載高精度激光測距儀可實現(xiàn)坡體既定斷面線狀點云數(shù)據(jù)的獲取，解決了常規(guī)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)量少，精度低的缺點；

（2）數(shù)據(jù)處理平臺向手持便攜式終端傳送坡型姿態(tài)斷面圖，并顯示多時序坡型姿態(tài)斷面比對圖及其穩(wěn)定狀態(tài)和預(yù)警級別數(shù)據(jù)，相對于傳統(tǒng)監(jiān)測手段更加直觀。

（3）現(xiàn)場預(yù)警子系統(tǒng)集成多色彩燈管，并按數(shù)據(jù)處理平臺傳送的預(yù)警級別分級顯示預(yù)警信息，有效提高了避險可靠度。最高級別預(yù)警燈管與喇叭并聯(lián)，實現(xiàn)了高等級預(yù)警聲光同步警示作業(yè)。

（4）供電子系統(tǒng)優(yōu)先選用風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，可在陰雨點實現(xiàn)不間斷供電，更能保證預(yù)警系統(tǒng)的長期工作效能；集成穩(wěn)壓裝置后可保障現(xiàn)場監(jiān)測儀器的測量精度。

附圖說明

圖1是地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)距智能監(jiān)測預(yù)警的現(xiàn)場裝置的原理結(jié)構(gòu)圖；

圖2是非接觸式邊坡崩滑地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)距智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測和預(yù)報分析方法框圖；

圖中1.激光測距儀；2.自動巡航云臺；3.無線數(shù)傳系統(tǒng)裝置；4.太陽能發(fā)電板；5.風(fēng)力發(fā)電機；6.超高清遠(yuǎn)距晝夜激光監(jiān)控攝像機；7.報警器；8.支撐桿。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明：

在圖1中，高精度激光測距儀（1）安置在可180度豎向轉(zhuǎn)動的云臺（2）上，對邊坡進行24小時不間斷巡航掃描，并通過與其連接的無線數(shù)傳模塊（3）同步發(fā)送遙測距離數(shù)據(jù)和云臺轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理平臺，數(shù)據(jù)處理平臺系統(tǒng)通過配對的無線數(shù)傳模塊接收采集的遙測距離數(shù)據(jù)和云臺轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，并通過程序自動處理并轉(zhuǎn)化為坡型斷面姿態(tài)圖，同時通過互聯(lián)網(wǎng)向便攜式終端及預(yù)警子系統(tǒng)即時推送多時序坡型變化對比圖，并根據(jù)事先設(shè)定的報警閾值顯示坡體穩(wěn)定狀態(tài)及預(yù)警級別，同時將上述穩(wěn)定狀態(tài)通過無線數(shù)傳模塊即時傳輸至現(xiàn)場預(yù)警裝置子系統(tǒng)的聲光報警器（7），以實現(xiàn)現(xiàn)成報警的目的。在監(jiān)測地現(xiàn)場的各個監(jiān)測系統(tǒng)模塊的電力供應(yīng)均由供電設(shè)備子系統(tǒng)調(diào)度，供電子系統(tǒng)會根據(jù)現(xiàn)場電力設(shè)施和氣候條件不同，優(yōu)先選用風(fēng)力發(fā)電機（5），其次選用太陽能電池板（4）或直接連通民用供電網(wǎng)；選用風(fēng)力發(fā)電機（5）或太陽能電池板（4）供電時該供電系統(tǒng)會配備蓄電池，且保證蓄電池蓄電量不低于持續(xù)供電24小時；為保障點云數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)距傳輸子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度，供電系統(tǒng)內(nèi)安裝集成電壓穩(wěn)壓器。當(dāng)預(yù)警級別達(dá)到最高級別時，不僅聲光報警器（7）會同時啟動聲光報警，相關(guān)工作人員還可以通過調(diào)用監(jiān)測地現(xiàn)場監(jiān)測裝置上安裝的高清遠(yuǎn)距晝夜激光監(jiān)控攝像機（6）監(jiān)控實時畫面，實時觀測現(xiàn)場的變化情況，確認(rèn)實時災(zāi)變狀況。