一种地灾监测系统及地灾监测方法与流程

本发明涉及监测，特别是涉及一种地灾监测系统及地灾监测方法。

背景技术：

1、地灾即为地质灾害，是一种自然或人为因素下形成的，对人类的生命财产以及环境具有危害的灾害事件。地灾主要包括地震、火山、崩塌、滑坡、泥石流、塌陷等，其中，崩塌主要指斜坡上的岩土体在重力作用下脱离母体而崩落、滚动、堆积在坡脚（或沟谷）的地质现象，泥石流主要指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。

2、为保护人类生命财产安全，在强烈地灾发生前进行有效的地灾监测并预警为一种有效的手段。现有技术中，为实现提前预警，可通过监测系统采集监测区域的位移、倾角、地下水情况、水体鼓泡情况、降雨情况、监测点震动情况、监测点声音情况等，而后通过数据分析，以在强烈地灾发生前对可能危害区域内的人类做出预警。具体的，如申请号为cn202310006283.x的发明专利提供了一种基于声波监测触发地灾预警的技术方案，申请号为cn202110616949.4的发明专利提供了一种基于地声（振动波）实现山地地灾监测的技术方案。

3、现有监测手段中，基于振动波以及声音的地灾监测由于受到振动波/声音在传递过程中衰减的影响，一般仅能够实现监测点区域信号的有效采集，对地灾监测的灵敏度以及可靠性不利。

技术实现思路

1、本发明针对地灾监测中信号拾取灵敏度和可靠性的问题，提出如下所述的一种地灾监测系统及地灾监测方法，本方案可有效提高地灾监测过程中的信号采集质量以及可靠性。

2、本发明提供的地灾监测系统及地灾监测方法通过以下技术要点来解决问题：一种地灾监测系统，包括信号采集端，所述信号采集端包括安装座、挡板以及信号采集传感器，所述挡板为金属板并安装于安装座上，所述安装座上设置有锚杆；所述信号采集传感器安装于安装座或挡板上，所述信号采集传感器用于监测挡板上的声音信号和/或震动信号。

3、本地灾监测系统的使用方法以及原理为：将挡板通过安装座安装于监测环境中，用于崩塌地灾监测时，将挡板安装在崩塌灾害危险区域的落石跌落路径上，用于泥石流灾害监测时，将挡板安装在泥石流灾害洪流路径上，这样，根据崩塌灾害发生时落石跌落路径上具有落石的特点、泥石流所形成的洪流中具有石块的特点，当落石、石块打砸至为金属板的挡板上时，可通过信号采集传感器监测到明显的声音信号或震动信号。

4、相比于传统地灾监测手段中直接通过传感器采集环境或地表声音信号以及震动信号的方式，由于本方案的信号来源为落石、石块打砸挡板，故挡板可以提供明显的信号来源；另外，由于从信号产生至信号被信号采集传感器所监测到的过程中，信号并不依赖于空气或地表传递，故信号传递过程中信号衰减量少，最终使得信号采集传感器能够采集到明显的并且容易被区分的特征信号，从而达到有效提高地灾监测过程中的信号采集质量以及可靠性的目的。

5、容易理解的，以上特征信号即为落石、石块打砸至挡板上时产生的声音信号或震动信号，在自然界中，因为动物踩踏、风力或雨滴等原因，可以通过信号采集传感器采集到因为这些原因产生的震动信号和声音信号，这些原因产生的信号为干扰信号，需要从采集到的信号中将干扰信号进行清洗或辨识出特征信号，具体方法可以基于信号强度或信号规律加以鉴别，比如，崩塌所产生的落石一般具有较大能量或速度，故产生的信号一般比其他原因所产生的信号更为强烈，为保障特征信号提取的可靠性，较优的方式是通过信号规律对特征信号加以鉴别或对干扰信号进行数据清洗，如风力对挡板一般具有连续且周期性反复变化的扰动规律，雨滴打砸具有间断性规律以及发展规律，动物踩踏对挡板的作用时间一般较石块打砸作用时间长，信号突变较石块打砸并不明显，并在一定周期内可导致挡板产生连续且变化的信号。

6、在基于本系统实施崩塌监测以及泥石流监测时，挡板的安装位置对监测效果也具有关键影响，故安装位置选取可以通过航测数据绘制出监测环境精确的三维实景模型，根据三维实景模型中的地貌信息以及其他地质特点信息，在三维实景模型中评估出崩塌灾害危险区域和/或泥石流灾害洪流路径，根据评估结果将挡板安装在自然环境中的落石跌落路径上和/或洪流路径上，以使得发生崩塌地灾以及泥石流地质灾害时，能够使得落石或水流中的石块具有更大概率作用到挡板上。

7、在一个具体实施例中，所述信号采集端的数量为多个，还包括信号传递线路，所述信号传递线路用于将信号采集端相串联，所述串联为：对于任意两个通过信号传递线路直接连接的信号采集端，信号传递线路均连接在信号采集端的挡板上，所述信号传递线路用于传递声音信号和/或震动信号。

8、以上方案中，所述信号传递线路可以是管、棒、绳等，为提高为声波的声音信号传递效果，较优的运用是采用金属管或金属棒，以利用其表面相对光滑的特点以及与地表、空气界面阻抗大的特点，减少信号传递过程中的能量损失，并利用其良好的结构强度提高其抗破坏能力，具体设置为以上金属管、金属棒与挡板同材质，以保障信号传递线路与挡板之间的信号传递能力。以上方案具体运用为：当运用于崩塌地灾监测时，在一定山体范围内崩塌发生危险区域可能有多个并分布在不同的位置，由于崩塌位置下方山体特点，同一位置崩塌而产生的落石也可能具有多个跌落路径，从实施成本角度，表面不平整的山体并不适合设置绕山体周向连续的长条形挡板，也并不容易安装可翻转的挡板，以上方案中，多个信号采集端可用于在不同位置采集信号，以适应一定山体范围内需要布设多个数据采集点的需求，另外，将信号采集端通过信号传递线路连接后，具体可用于各信号采集端的完好情况或崩塌灾害发生的具体位置；所述完好情况判断为：由于采用信号传递线路将全部信号采集端连接在了一起，对于产生于任意信号采集端上的石块打砸挡板信号，该信号能够通过信号传递线路传递至其他信号采集端，当采集到的采集结果数量少于信号采集端的数量时，说明具有信号缺失的信号采集端，在此基础上，根据采集结果的信号强度，判断声音信号和/或震动信号是否能够传递至信号缺失的信号采集端上并被信号采集传感器所采集，若能够被采集，由于野外环境中信号采集传感器这样的电子设备为相对容易损坏的部件，则判断为信号缺失的信号采集端故障，具体结果可用于指示对本系统进行维护；崩塌灾害发生的具体位置判断为：当采集到的采集结果数量少于信号采集端的数量并且采集结果数量大于或等于2时，根据各采集结果获得时间的差异以及信号在信号采集端之间传递的速度，可以计算出被崩塌落石打砸的挡板位于哪个信号采集端上，被崩塌落石打砸的挡板的安装位置即为崩塌灾害发生位置，这样，即使某些信号采集端上的信号采集传感器等电子设备故障并不能采集信号并且因为使用位置原因未被第一时间修复，也能够根据判断结果准确判断出发生落石的具体位置。

9、在一个具体实施例中，所述信号采集端的数量为多个，各信号采集端上均安装有数据处理模块以及数据传输模块，各信号采集端上，所述数据处理模块与信号采集传感器信号连接，数据处理模块接收信号采集传感器输出的信号并对信号进行特征识别，所述特征识别为：识别声音信号和/或震动信号中是否具有指示地灾发生的特征信号，所述数据传输模块与数据处理模块信号连接，数据传输模块用于发送所述特征信号；

10、还包括设置有云台相机、控制模块以及数据收发模块的图像采集端，所述控制模块包括数据库以及处理模块，所述数据库中存储有各信号采集端监测覆盖区域的方位信息，所述数据收发模块用于接收数据传输模块所发出的特征信号，所述控制模块用于识别特征信号的来源并读取发出特征信号的信号采集端方位信息，所述云台相机按照读取到的方位信息调整拍摄方向并拍摄。

11、以上方案中，信号采集端通过数据处理模块实现边缘数据处理、通过数据传输模块实现信号监测结果与图像采集联动，具体原理为：如上所述，多个信号采集端用于实现多位置监测，但每个信号采集端在使用过程中均可能采集到较多的干扰信号，数据处理模块对信号采集传感器所采集到的数据进行特征识别，以识别出关联地灾的特征信号，这里的特征信号即为石块打砸或撞击挡板所产生的声音、震动信号，并将特征信号传输至图像采集端，图像采集端根据特征信号的来源获得相应信号采集端的方位信息，在方位信息的引导下，云台相机转动至相应角度以对该信号采集端的监测区域进行图像采集。本方案为一种信号采集传感器与图像采集端联动的方案，可通过图像数据反映地灾剧烈情况，单一云台相机可以完成一片区域内多个方位的图像数据采集，通过数据处理模块进行特征信号提取后，可以有效避免云台相机误动作，数据传输模块发送的信号为特征信号，可以使得这些特征信号中转到图像采集端后，再由数据收发模块远传至监测中心，以使得监测中心掌握到监测端具体的数据。较优的，在具有信号传递线路的运用中，当在某一时间段内监测到来自多个信号采集端的特征信号时，控制模块控制云台相机转动至最强信号来源的方位采集图形信号。同时，所述方位信息可以是信号采集端具体安装位置相对于云台相机的方位信息，也可以是信号采集端上侧落石路径的方位信息或者下方落石路径的方位信息，较优运用是包括多个方向角的落石路径方位信息，以控制云台相机在连续运动中，以不同方向角拍摄落石路径上不同位置的照片，以通过落石路径上产生在不确定位置上的扬尘，判断地灾剧烈情况。

12、在一个具体实施例中，所述信号采集端还包括光伏板以及蓄电模块，所述蓄电模块与光伏板电连接并存储光伏板所输出的电能，各信号采集端上的数据处理模块、数据传输模块以及信号采集传感器均由该信号采集端上的蓄电模块供电。

13、以上方案中，光伏板用于为蓄电模块充电，以利用太阳能提供一种能够长期供能的电源装置，适应信号采集端上进行边缘运算所需的较大电能消耗。崩塌监测运用中，将光伏板通过安装板安装于挡板的正下方，即光伏板通过安装座固定，方便光伏板在山体侧面安装以及保护光伏板，在通过横臂完成挡板与安装座连接的运用中，安装板的上端与横臂固定连接，光伏板安装在安装板的下端。

14、在一个具体实施例中，所述云台相机与数据收发模块数据连接，所述数据收发模块包括通讯模块，所述通讯模块为2g通讯模块、3g通讯模块、4g通讯模块、5g通讯模块中的一种或几种；

15、当数据收发模块接收到来自数据传输模块所发出的特征信号后，通过通讯模块与通讯基站建立的数据连接，向监测中心传输所述特征信号；

16、当数据收发模块接收到云台相机所输出的拍摄数据后，通过通讯模块与通讯基站建立的数据连接，向监测中心传输所述拍摄数据。

17、以上方案中，数据收发模块通过通讯模块实现的功能包括：通讯模块通过通信基站对特征信号以及拍摄数据进行远传，以使得远程的监控中心能够接收到这些数据。本方案在运用于崩塌地灾监测时，存在监测系统、通讯基站在地灾中被破坏或故障的可能，为保障监测中心对现场情况了解的及时性，较优的运用是：当数据收发模块接收到特征信号后，即将数据量较小的将该数据传输至监测中心，当接收到拍摄数据后即远传。在具体运用中，监测中心也可通过数据收发模块控制云台相机以采集现场目标位置的照片数据。

18、在一个具体实施例中，所述安装座还包括套筒以及横臂，所述套筒与横臂相连并形成l形结构，套筒在l形结构的端部具有孔口，所述锚杆通过所述孔口插接于套筒中，所述插接的深度可调，所述套筒以锚杆为转轴相对于锚杆旋转；

19、所述挡板连接于横臂上。

20、本方案中，所述锚杆用于与地表岩石或预制座锚接，在与地表岩石锚接时，不同位置锚杆角度以及锚入深度可能存在差异，另外，为使得如崩塌的落石能够更大概率作用到挡板上，挡板需要根据现场环境确定与地表的距离以及倾斜情况，以上方案中，当完成锚杆固定后，针对所述距离调节，可利用套筒相对于锚杆沿着锚杆轴线方向滑动进行合理配置，针对所述倾斜情况调节，可利用套筒相对于锚杆沿着锚杆的周向方向旋转进行合理配置，即在所述滑动以及旋转过程中，横臂相对于岩壁的距离和倾斜角度发生变化，固定于其上的挡板发生相对应的距离以及角度变化，调整完成后，采用可能的锁固方式完成安装座的形态固定。较优的，套筒与横臂为通过将管道进行折弯所形成的一体式结构，l形结构的其中一条边为横臂，另一条边为套筒，如管道本身防腐性能较差或者内层不方便设置防腐层，需要对横臂侧的端部进行封堵，并在套管与锚杆对接后，对套管与锚杆之间的间隙采用黄油等进行封堵处理。

21、在一个具体实施例中，所述套筒的侧面上还设置有螺纹通孔，还包括与所述螺纹通孔匹配的预紧螺钉，所述预紧螺钉的长度大于螺纹通孔的长度。

22、为实现套筒相对于锚杆可转动至任意角度，优选方案为套筒可相对于锚杆任意旋转，本方案在运用于崩塌灾害监测时，挡板可能位于风口位置，同时需要承受来自落石的冲击载荷，故可采用角度调整完成后锚杆与套筒焊接的方式，以上方案中，可利用预紧螺钉旋进的方式完成套筒在锚杆上的初步固定，而后在初步固定维持的角度状态下实施套筒与锚杆的焊接。较优的运用是在套筒的侧面上设置有条形孔，以上条形孔沿着套筒的周向方向延伸，通过预紧螺钉完成套筒角度锁定后，通过所述条形孔形成连接套筒与锚杆的条形焊缝。

23、在一个具体实施例中，为防止锚杆发生自转，较优的运用是锚杆的数量大于或等于2，并在这些锚杆被锚接后，采用连接杆与锚杆焊接连接将这些锚杆固定为一体。

24、在一个具体实施例中，还包括连接于横臂上的翻转座，所述翻转座通过弹性件与横臂可转动连接，所述弹性件为轴线与横臂轴线共线的涡卷弹簧或螺旋形的扭簧，横臂安装于弹性件的内侧，挡板通过翻转座与横臂相连接。

25、以上方案中，挡板通过弹性件与横臂可转动连接，这样，可将挡板安装为在不受到石块打砸的作用力时，其表面与落石路径垂直，这样，可增加石块打砸到挡板上的可能性，在石块的撞击下挡板翻转，石块从挡板上掉落，而后挡板恢复至其表面与落石路径垂直的状态，这样，不仅可保证地灾被有效监测到的概率，同时可保护挡板。

26、本方案还涉及一种基于如上任意一项所述的地灾监测系统的地灾监测方法，该地灾监测方法包括以下步骤：

27、s1、地灾监测系统安装；

28、s2、通过信号采集传感器监测到的声音信号和/或震动信号，预判监测区域发生地质灾害的可能性；

29、其中，在步骤s1中，通过航测数据绘制监测环境的三维实景模型，并在三维实景模型中评估出崩塌灾害危险区域和/或泥石流灾害洪流路径，将所述挡板安装在崩塌灾害危险区域的落石跌落路径上和/或泥石流灾害洪流路径上，安装方式为所述锚杆与地表岩石锚接或与人工设置在现场的预制座相连接；

30、在步骤s2中，信号采集传感器监测挡板上的声音信号和/或震动信号的方式为：实时监测信号或者在触发条件触发下监测信号，所述触发条件包括现场降雨量，当现场降雨量超过设置降雨量阈值时，触发条件成立。

31、在一个具体实施例中，所述地灾监测系统为如上包括信号传递线路的地灾监测系统，该地灾监测方法用于山体崩塌灾害监测；

32、在步骤s1中，将不同信号采集端的挡板安装在不同的落石跌落路径上；

33、在步骤s2中，采集各信号采集端的采集结果，并根据采集结果判断各信号采集端的完好情况或崩塌灾害发生的具体位置；

34、所述完好情况判断为：当采集到的采集结果数量少于信号采集端的数量时，根据采集结果的信号强度，判断声音信号和/或震动信号是否能够传递至信号缺失的信号采集端上并被信号采集传感器所采集，若能够被采集，则判断为信号缺失的信号采集端故障；

35、所述崩塌灾害发生的具体位置判断为：当采集到的采集结果数量少于信号采集端的数量并且采集结果数量大于或等于2时，根据各采集结果获得时间的差异以及信号在信号采集端之间传递的速度，判断被崩塌落石打砸的具体挡板，被崩塌落石打砸的挡板的安装位置为崩塌灾害发生位置。

36、本发明具有以下有益效果：

37、相比于传统地灾监测手段中直接通过传感器采集环境或地表声音信号以及震动信号的方式，本方案可以提供明显的信号来源；另外，本方案中信号传递过程中信号衰减量少，最终使得信号采集传感器能够采集到明显的并且容易被区分的特征信号，从而达到有效提高地灾监测过程中的信号采集质量以及可靠性的目的。