一种分布式多源冰川监测系统及冰川灾害预警方法

本发明属于冰川监测领域，尤其涉及一种分布式多源冰川监测系统及冰川灾害预警方法。

背景技术：

1、随着全球气候逐渐从干冷向暖湿转变，冰川消融加剧，正在成为重大冰川灾害的驱动元素和孕育环境。山地冰川同时也是大陆的水资源主要来源，对冰川的动态监测，为淡水资源保护提供数据支撑。青藏高原作为地球的第三极，其研究价值受到世界各国的重视，孕育了大量海洋性冰川。海洋性冰川具有很强的冰川涌动性，能够在极短时间内移动数千米，当冰川融水和降雨进入冰川内部时，使底部水压突破，引发冰川灾害频率增加。

2、查阅国内外相关文献表明，随着快速发展的遥感监测技术，目前冰川的监测已逐渐从人工实地监测，过渡为卫星遥感监测。现有的冰川监测方案，大多数都是通过卫星遥感、花杆监测。

3、现代测绘技术的快速发展为冰川状态和孕灾环境监测提供了可能。卫星遥感技术能够大面积和长时段的获取目标高程变化和表面形变，卫星遥感技术用于监测冰川的空间分布、边界变化、体积变化以及冰川湖的形成和破裂。通过在冰川表面均匀排列一系列的花杆，有规律的记录冰川表面相对于杆顶点的位置，进行冰川物质平衡的变化。对于现场测量技术，主要通过建立野外实验观测站进行，现有冰川自动测量的研究主要是关于冰消融的，比如声学测量系统、裂缝测量系统和后来的热敏电阻串测量系统，这些系统主要用于测量冰川变化的单个参数。

4、现有的冰川监测技术，大多集中于卫星遥感技术，但不可避免地受到地形陡峭、多云多雾降雪的影响，受到卫星重访时间长的限制导致缺少冰川快速变化期间的数据，且卫星遥感技术无法准确捕捉冰川微小变化的细节。现有现场测量技术，监测数据单一、监测点单一，无法获取大型冰川的变化特征，同时现有冰川监测技术稳定性较低，对高温差变化的高原环境适应性低。同时现有技术缺少对冰川灾害预警的手段，仅仅只是对冰川物理参数的监测，没有对冰川灾害做出预警判据。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种分布式多源冰川监测系统及冰川灾害预警方法解决了在极寒地区工作的监测设备数据稳定性低，对大温差适应性低的问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种分布式多源冰川监测系统，包括数据采集模块、数据传输模块和数据管理平台；

3、所述数据采集模块，用于采用轮询方式获取冰川监测数据，并将冰川监测数据转换为冰川监测数字信号；

4、所述数据传输模块，用于将冰川监测数字信号发送给数据管理平台；

5、所述数据管理平台，用于根据冰川监测数字信号对冰川的变化和演化进行模拟和预测。

6、本发明的有益效果为：采用lora芯片进行自组网通讯，以实现对冰川的分布式监测；在传统冰川监测方法中增加对各个监测点的数据采集，以获得冰川整体的变化趋势，通过对冰川的倾斜角度的监测以及底部渗透压力的变监测，为冰川产生的地质灾害提供预警信息；通过优化传统modbus协议，建立的基于多源传感器的lora专用通讯协议，可以避免lora多信道通信引起的数据识别混乱。

7、进一步地，所述数据采集模块包括数据采集终端以及与数据采集终端连接的冰川监测传感器；所述数据采集终端包括低功耗微处理器、与低功耗微处理器连接的存储器、分别与低功耗微处理器和存储器连接的adc转换器以及分别与低功耗微处理器和adc转换器连接的第一lora网关芯片；所述冰川监测传感器包括分别与存储器连接的加速度传感器、冰温传感器、渗透压力传感器、热通量传感器、冰川气象传感器、温室气体传感器以及冰川表面位移监测系统；所述数据采集终端通过第一lora网关芯片与数据传输模块连接。

8、上述进一步方案的有益效果为：通过监测多源冰川监测系统，以获取冰川物理参数改变和气候之间的关系，为建立冰川物质平衡模型提供数据支撑。

9、进一步地，所述冰川监测传感器的各类传感器基于监测节点进行部署；所述监测节点采用基于多传感器信息融合的modbus协议与各传感器进行通讯；所述温度传感器以梯度的方式安装在冰川内部；所述加速度传感器与数据采集终端集成。

10、上述进一步方案的有益效果为：通过优化传统modbus协议，建立的基于多源传感器的lora专用通讯协议，可以避免lora多信道通信引起的数据识别混乱。

11、进一步地，所述冰川监测数字信号通过数据中转节点发送给数据管理平台；所述数据中转节点位于冰舌前缘；所述数据中转节点通过外接第二lora网关芯片与数据采集模块的第一lora网关芯片通信，并通过4g模块向数据管理平台传输冰川监测数字信号。

12、上述进一步方案的有益效果为：通过对冰川建立分布式监测网络，能够对冰川整体变化趋势进行观测。

13、进一步地，所述采用轮询方式获取冰川监测数据，具体为：

14、a1、在t+n时刻将数据中转节点的第二lora网关芯片频段修改为信道n，向监测节点bn发送数据采集指令；

15、a2、待监测节点bn的第一lora网关芯片收到数据采集指令，唤醒监测节点bn的控制芯片mcu；

16、a3、由监测节点bn的控制芯片mcu，判断数据采集指令是否为当前节点的唤醒信号，若是，则接通监测节点bn负责的冰川监测传感器的电源，并采集冰川监测数据，将冰川监测数据转换为冰川监测数字信号，并通过第一lora网关芯片发送至数据中转节点的第二lora网关芯片，否则，进入低功耗模式；

17、a4、重复步骤a1-a3，直至完成所有监测节点的数据采集；

18、a5、由数据中转节点将接收到的冰川监测数字信号按照传感器类型进行分类，并将数据整理通过公共网络回传至数据管理平台。

19、上述进一步方案的有益效果为：通过对各个监测节点的电源控制，降低节点的能源损耗，可以增加监测节点的工作时长减少维护人员的维护工作量。

20、本发明提供了一种冰川灾害预警方法，包括以下步骤：

21、s1、利用分布式多源监测系统对冰川进行监测，得到冰川监测数字信号；

22、s2、根据冰川监测数字信号，获取冰川加速度数据；

23、s3、根据冰川加速度数据，利用welch平均周期法计算平均功率谱密度；

24、s4、根据平均功率谱密度，进行冰川灾害预警。

25、本发明的有益效果为：通过监测冰川内部参数、表面参数以及空气中温室气体参数，为研究冰川消融和冰川灾害预警提供数据支撑；提出了多源传感器融合的lora专用modbus协议，即使局域网重叠，也不会造成数据混乱；通过对加速度传感器的处理，分析冰川体的主要频率成分，实现了冰川灾害的预警，提高预警准确度。

26、进一步地，所述步骤s3具体为：

27、s301、将冰川加速度数据分割为若干个长度为n的加速度数据子段，并对各加速度数据子段进行汉宁窗函数处理，得到各加窗的加速度数据子段

28、s302、对各加窗的加速度数据子段进行傅里叶变换，得到各加速度数据子段的傅里叶变换数据；

29、s303、根据各加速度数据子段的傅里叶变换数据，计算各加速度数据子段的功率谱密度：

30、

31、其中，p(f)为加速度数据子段的功率谱密度；f为频率；w(f)为汉宁窗的傅里叶变换；n为加速度数据子段的长度；x(f)为加速度数据子段的傅里叶变换数据；

32、s304、根据各加速度数据子段的功率谱密度，得到平均功率谱密度：

33、

34、其中，pw(f)为平均功率谱密度；k为子段数量；

35、s305、判断平均功率谱密度最大概率值所对应的频率是否超过预设频率阈值，若是，则发出冰川灾害预警，否则，继续监测。

36、上述进一步方案的有益效果为：通过对冰川固有频率的分析，判断冰川内部是否出现物理属性突变，达到对冰川崩塌等突发性冰川灾害的监测。

37、进一步地，所述步骤s301中汉宁窗函数长度为n且重叠率为50％。

38、上述进一步方案的有益效果为：可以减少频谱泄露的影响以及减少频谱信号中的噪声和不连续性、同时增加样本数以提高频谱估计的准确性