一种基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测装置及方法

1.本发明涉及地质灾害监测领域，特别是涉及一种基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测装置及方法。


背景技术：

2.我国由于幅员辽阔，山地众多，每年各地都会发生不太规模的地质灾害，其中滑坡是主要地质灾害之一，滑坡是斜坡上的岩体或土体，在人为因素、雨水作用、地下水活动等各种因素影响下，受自身重力影响，沿着一定的软弱面或带整体或分散地往下滑动的自然现象，其中软弱面或带称为滑面。
3.目前，对于滑坡的地表形变位移监测方法和设备较多，对于滑坡地下的监测主要利用三维阵列式柔性测斜仪做滑面的监测，这两种方法虽然可以得到地表的形变数据和地下的岩土体位移数据，但两种数据很难产生联系，很难综合利用地表位移监测数据和地下钻孔内的深部位移监测数据进行滑坡方向的综合分析，缺少一种在确定滑坡的滑动面深度后，将地表的形变位移监测得到的数据和地下的三位阵列式柔性测斜仪深部位移监测得到的数据相融合，对滑坡方向做出多点多源预测的方法和自动化监测集成设备。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测装置及方法解决了现有滑坡预测没有将地表位移监测数据和地下钻孔内的深部位移监测数据进行融合分析滑坡方向，以及缺少多点多源预测方法和设备的问题。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测装置，其特征在于，包括gnss接收机、太阳能电池板、主控制机箱、安装支架和三维阵列式柔性测斜仪系统，所述gnss接收机位于安装支架顶部，所述太阳能电池板和主控制机箱均设置在安装支架上且位于gnss接收机下方，所述主控制机箱内部包括dtu和4g物联网卡，且二者通信连接，所述安装支架的底部与三维阵列式柔性测斜仪系统连接；
6.gnss接收机用于接收gnss信号，太阳能电池板用于提供电力供应，主控制机箱用于数据传输，安装支架用于gnss接收机、太阳能电池板和主控制机箱的挂接及控制三维阵列式柔性测斜仪系统线缆的走线。
7.上述方案的有益效果是：本发明将gnss地表位移监测设备和三维阵列式柔性测斜仪系统进行集成，利用dtu和4g物联网卡进行数据传输，利用柔性测斜仪监测数据生成深部位移监测曲线，在判断得到滑坡画面深度后，对gnss地表形变监测数据和三维阵列式柔性测斜仪得到的钻孔内地下深部位移监测数据利用矢量加法法则进行数据融合，实现对滑坡方向的多点多源精确预测。
8.进一步地，三维阵列式柔性测斜仪系统包括加速度计、连接钢管和pvc测斜管，所述加速度计和连接钢管位于pvc测斜管内部，且两个加速度计通过连接钢管连接pvc测斜管的底部和顶部。
9.上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，提供了三维阵列式柔性测斜仪系统的内部结构。
10.除此之外，本发明还采用的技术方案为：一种基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
11.s1：利用gnss接收机获取gnss信号，经处理获得钻孔处的地表形变位移量；
12.s2：利用三维阵列式柔性测斜仪系统收集钻孔内不同深度加速度计测得的加速度，结合pvc测斜管传感的段长，组成深部倾角变化值数据；
13.s3：利用主控制机箱内的dtu将地表形变位移量和深部倾角变化值数据向指定的ip服务器进行数据传输，增加时间属性后形成序列数据；
14.s4：利用mysql数据表对序列数据进行结构化存储，并通过ip服务器进行数据调用和数据监测；
15.s5：基于数据调用和数据监测，运用矢量加法法则分别计算地表合位移形变矢量和滑坡滑动面处位移形变矢量；
16.s6：将地表合位移形变矢量和滑坡滑动面处位移形变矢量进行数据融合，得到滑坡位移方向矢量，完成滑坡方向的集成预测。
17.上述方案的有益效果是：本发明提供了一种基于矢量运算法则的滑坡方向预测方法，该方法将地表和地下监测数据进行有效融合，对滑坡方向进行精确预测，为滑坡后续推力计算、防治措施设计提供重要依据，解决了现有滑坡预测没有将地表位移监测数据和地下钻孔内的深部位移监测数据进行融合分析滑坡方向，以及缺少多点多源预测方法和设备的问题。
18.进一步地，s1中获得钻孔处的地表形变位移量包括以下分步骤：
19.s1-1：通过gnss接收机内置的测量系统从gnss信号中提取原始信息，并通过嵌入式软件系统处理后形成一个位置坐标；
20.s1-2：基于形成的位置坐标，同时结合原始信息中的速度和加速度，通过差分算法获得钻孔处的地表形变位移量。
21.上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，利用gnss接收机获取原始信息，并通过软件处理得到位置坐标，通过差分算法获得钻孔处的地表形变位移量。
22.进一步地，s5中计算地表合位移形变矢量包括以下分步骤：
23.a1：确定位移方向，包括x方向、y方向和h方向，其中，x轴正方向为正北方向，y轴正方向为正东方向，h轴表示沉降；
24.a2：基于位移方向，在滑坡体前缘、中部和后缘共布置k个钻孔和装置，在监测周期t后获得k个在空间水平面上的投影地表位移矢量
25.a3：在空间水平面上利用矢量加法法则对和相加得到地表合位移形变矢量地表合位移形变矢量长度为：
[0026][0027]
其中，为的长度，为的长度；
[0028]
从正北方向起顺时针旋转到方向线的水平夹角为该点的地表合位移形变方向。
[0029]
上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，运用矢量加法法则对投影地表位移矢量相加获得地表合位移形变矢量，进而获得地表合位移形变矢量长度以及地表合位移形变方向。
[0030]
进一步地，s5中计算滑坡滑动面处位移形变矢量包括以下分步骤：
[0031]
b1：根据每一个钻孔不同深度累计位移量变化曲线人为判定曲面突变处为滑动面深度处，取离滑动面深度处最近的钻孔的加速度计q的倾角变化值
[0032]
b2：基于倾角变化值将三维阵列式柔性测斜仪系统的基本测量单元的线方向和长度l在空间水平面上投影得到滑坡滑动面处位移形变矢量则滑坡滑动面处位移形变矢量的长度为
[0033][0034]
从正北方向线起顺时针旋转到方向线的水平夹角为滑坡滑动面处位移形变方向。
[0035]
上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，获得滑坡滑动面处位移形变矢量、滑坡滑动面处位移形变矢量长度以及滑坡滑动面处位移形变方向。
[0036]
进一步地，s6中滑坡位移方向矢量为
[0037][0038]
滑坡位移形变矢量值为
[0039][0040]
滑坡方向方位角为从正北方向线起顺时针旋转到方向线的水平夹角。
[0041]
上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，将地表合位移形变矢量和滑坡滑动面处位移形变矢量相加得到滑坡位移方向矢量，滑坡位移形变矢量值为地表合位移形变矢量长度和滑坡滑动面处位移形变矢量长度的平均值，实现数据的融合。
附图说明
[0042]
图1为一种基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测装置结构图。
[0043]
其中：1、gnss接收机；2、太阳能电池板；3、主控制机箱；4、安装支架；5、加速度计；6、连接钢管；7、pvc测斜管。
[0044]
图2为一种基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测方法流程图。
[0045]
图3为数据库物理拓扑结构图。
[0046]
图4为数据库e-r设计图。
[0047]
图5为自动化集成监测设备布设示意图。
[0048]
图6为gnss位移形变矢量加法运算法则图。
[0049]
图7为滑动面深度处加速度计位移形变矢量图。
[0050]
其中：8、三维阵列式柔性测斜仪系统的基本测量单元；9、滑动面深度处加速度计。
[0051]
图8为gnss位移形变矢量与滑动面处加速度计位移形变矢量加法运算法则图。
[0052]
图9为数据传输方案示意图。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[0054]
实施例1，如图1所示，一种基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测装置，其特征在于，包括gnss接收机1、太阳能电池板2、主控制机箱3、安装支架4和三维阵列式柔性测斜仪系统，所述gnss接收机1位于安装支架4顶部，所述太阳能电池板2和主控制机箱3均设置在安装支架4上且位于gnss接收机1下方，所述主控制机箱3内部包括dtu和4g物联网卡，且二者通信连接，所述安装支架4的底部与三维阵列式柔性测斜仪系统连接；
[0055]
gnss接收机1用于接收gnss信号，太阳能电池板2用于提供电力供应，主控制机箱3用于数据传输，安装支架4用于gnss接收机1、太阳能电池板2和主控制机箱3的挂接及控制三维阵列式柔性测斜仪系统线缆的走线。
[0056]
三维阵列式柔性测斜仪系统包括加速度计5、连接钢管6和pvc测斜管7，加速度计5和连接钢管6位于pvc测斜管7内部，且两个加速度计5通过连接钢管6连接pvc测斜管7的底部和顶部。
[0057]
在本发明的一个实施例中，进行现场设备组装：在刚钻完的滑坡监测钻孔内安装pvc测斜管7，在pvc测斜管7内安装加速度计5和连接钢管6，并对钻孔进行灌浆回填，在pvc测斜管7上方添加安装支架4，在安装支架4上安装主控制机箱3和太阳能电池板2，在支架顶部安装gnss接收机1，实现gnss地表形变监测设备和三维阵列式柔性测斜仪系统的组装集成。
[0058]
实施例2，如图2所示，一种基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0059]
s1：利用gnss接收机获取gnss信号，经处理获得钻孔处的地表形变位移量；
[0060]
s2：利用三维阵列式柔性测斜仪系统收集钻孔内不同深度加速度计测得的加速度，结合pvc测斜管传感的段长，组成深部倾角变化值数据；
[0061]
s3：利用主控制机箱内的dtu将地表形变位移量和深部倾角变化值数据向指定的ip服务器进行数据传输，增加时间属性后形成序列数据；
[0062]
s4：利用mysql数据表对序列数据进行结构化存储，并通过ip服务器进行数据调用和数据监测；
[0063]
s5：基于数据调用和数据监测，运用矢量加法法则分别计算地表合位移形变矢量和滑坡滑动面处位移形变矢量；
[0064]
s6：将地表合位移形变矢量和滑坡滑动面处位移形变矢量进行数据融合，得到滑坡位移方向矢量，完成滑坡方向的集成预测。
[0065]
s1中获得钻孔处的地表形变位移量包括以下分步骤：
[0066]
s1-1：通过gnss接收机内置的测量系统从gnss信号中提取原始信息，并通过嵌入式软件系统处理后形成一个位置坐标；
[0067]
s1-2：基于形成的位置坐标，同时结合原始信息中的速度和加速度，通过差分算法获得钻孔处的地表形变位移量。
[0068]
本实施例中，s4中结构化存储通过数据库物理拓扑结构和数据库e-r设计实现，数据库物理拓扑结构如图3所示，其中物理层设计了两簇一主二从的mysql服务器集群，以实现数据访问的高性能和数据存储的安全性，在这两簇数据库之上是mycat中间件，该中间件可以实现两簇数据库的水平切分，防止gnss或测斜仪数据在单一簇内数据过大或过小，从而保证整体设计的负载均衡。数据库e-r设计如图4所示，图4中(a)为钻孔记录表，图4中的(b)为gnss记录表、图4中的(c)为深部位移记录表，图4中的(d)为位移统计表，图4中的(e)为位移统计月表，图4中的(f)为位移统计季表。逻辑模式设计了多组模式，确保了监测序列数据的存储，以及每天-月度-季度等三个维度的统计分析数据存储。
[0069]
如图5和图6所示，s5中计算地表合位移形变矢量包括以下分步骤：
[0070]
a1：确定位移方向，包括x方向、y方向和h方向，其中，x轴正方向为正北方向，y轴正方向为正东方向，h轴表示沉降；
[0071]
a2：基于位移方向，在滑坡体前缘、中部和后缘共布置k个钻孔和装置，在监测周期t后获得k个在空间水平面上的投影地表位移矢量
[0072]
a3：在空间水平面上利用矢量加法法则对和相加得到地表合位移形变矢量地表合位移形变矢量长度为：
[0073][0074]
其中，为的长度，为的长度；
[0075]
从正北方向起顺时针旋转到方向线的水平夹角为该点的地表合位移形变方向。
[0076]
如图7所示，根据三维阵列式柔性测斜仪系统的基本测量单元8和滑动面深度处加速度计9，s5中计算滑坡滑动面处位移形变矢量包括以下分步骤：
[0077]
b1：根据每一个钻孔不同深度累计位移量变化曲线人为判定曲面突变处为滑动面深度处，取离滑动面深度处最近的钻孔的加速度计q的倾角变化值
[0078]
b2：基于倾角变化值将三维阵列式柔性测斜仪系统的基本测量单元8的线方向和长度l在空间水平面上投影得到滑坡滑动面处位移形变矢量则滑坡滑动面处位移形变矢量的长度为
[0079][0080]
从正北方向线起顺时针旋转到方向线的水平夹角为滑坡滑动面处位移形变方向。
[0081]
如图8所示，s6中滑坡位移方向矢量为
[0082][0083]
滑坡位移形变矢量值为
[0084][0085]
滑坡方向方位角为从正北方向线起顺时针旋转到方向线的水平夹角。
[0086]
在本发明的一个实施例中，在结构化存储后通过服务器进行数据调用监测数据，并进行gnss位移方向计算、累积位移形变量计算、累积位移形变曲线生成和数据融合计算，在计算完成后在各个用户终端电脑上web界面进行钻孔累积位移监测曲线和滑坡位移矢量方向的可视化展示，如图9所示。
[0087]
本发明能够将地表形变位移监测设备gnss接收机和深部位移监测设备三维阵列式柔性测斜仪在同一监测孔位置上进行组装集成，并通过同一套数据传输设备传输至指定的数据端口，实现地上下一体化自动监测；能够将地表位移形变监测数据与地下深部位移形变数据利用矢量运算法则进行有效融合，建立数据联系，提高数据精度；精确的滑坡位移矢量可以判断出滑坡的位移变形速度、变形量和变形方向，可以为防治工程设计提供基础，同时可以进行滑坡灾害预警，保障滑坡周边建筑物和居民的生命财产安全。
[0088]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测装置，其特征在于，包括gnss接收机(1)、太阳能电池板(2)、主控制机箱(3)、安装支架(4)和三维阵列式柔性测斜仪系统，所述gnss接收机(1)位于安装支架(4)顶部，所述太阳能电池板(2)和主控制机箱(3)均设置在安装支架(4)上且位于gnss接收机(1)下方，所述主控制机箱(3)内部包括dtu和4g物联网卡，且二者通信连接，所述安装支架(4)的底部与三维阵列式柔性测斜仪系统连接；所述gnss接收机(1)用于接收gnss信号，所述太阳能电池板(2)用于提供电力供应，所述主控制机箱(3)用于数据传输，所述安装支架(4)用于gnss接收机(1)、太阳能电池板(2)和主控制机箱(3)的挂接及控制三维阵列式柔性测斜仪系统线缆的走线。2.根据权利要求1所述的基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测装置，其特征在于，所述三维阵列式柔性测斜仪系统包括加速度计(5)、连接钢管(6)和pvc测斜管(7)，所述加速度计(5)和连接钢管(6)位于pvc测斜管(7)内部，且两个加速度计(5)通过连接钢管(6)连接pvc测斜管(7)的底部和顶部。3.一种基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：利用gnss接收机获取gnss信号，经处理获得钻孔处的地表形变位移量；s2：利用三维阵列式柔性测斜仪系统收集钻孔内不同深度加速度计测得的加速度，结合pvc测斜管传感的段长，组成深部倾角变化值数据；s3：利用主控制机箱内的dtu将地表形变位移量和深部倾角变化值数据向指定的ip服务器进行数据传输，增加时间属性后形成序列数据；s4：利用mysql数据表对序列数据进行结构化存储，并通过ip服务器进行数据调用和数据监测；s5：基于数据调用和数据监测，运用矢量加法法则分别计算地表合位移形变矢量和滑坡滑动面处位移形变矢量；s6：将地表合位移形变矢量和滑坡滑动面处位移形变矢量进行数据融合，得到滑坡位移方向矢量，完成滑坡方向的集成预测。4.根据权利要求3所述的基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测方法，其特征在于，所述s1中获得钻孔处的地表形变位移量包括以下分步骤：s1-1：通过gnss接收机内置的测量系统从gnss信号中提取原始信息，并通过嵌入式软件系统处理后形成一个位置坐标；s1-2：基于形成的位置坐标，同时结合原始信息中的速度和加速度，通过差分算法获得钻孔处的地表形变位移量。5.根据权利要求4所述的基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测方法，其特征在于，所述s5中计算地表合位移形变矢量包括以下分步骤：a1：确定位移方向，包括x方向、y方向和h方向，其中，x轴正方向为正北方向，y轴正方向为正东方向，h轴表示沉降；a2：基于位移方向，在滑坡体前缘、中部和后缘共布置k个钻孔和装置，在监测周期t后获得k个在空间水平面上的投影地表位移矢量a3：在空间水平面上利用矢量加法法则对和相加得到地表合位移形变矢量
地表合位移形变矢量长度为：其中，为的长度，为的长度；从正北方向起顺时针旋转到方向线的水平夹角为该点的地表合位移形变方向。6.根据权利要求5所述的基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测方法，其特征在于，所述s5中计算滑坡滑动面处位移形变矢量包括以下分步骤：b1：根据每一个钻孔不同深度累计位移量变化曲线人为判定曲面突变处为滑动面深度处，取离滑动面深度处最近的钻孔的加速度计q的倾角变化值b2：基于倾角变化值将三维阵列式柔性测斜仪系统的基本测量单元的线方向和长度l在空间水平面上投影得到滑坡滑动面处位移形变矢量则滑坡滑动面处位移形变矢量的长度为从正北方向线起顺时针旋转到方向线的水平夹角为滑坡滑动面处位移形变方向。7.根据权利要求6所述的基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测方法，其特征在于，所述s6中滑坡位移方向矢量为滑坡位移形变矢量值为滑坡方向方位角为从正北方向线起顺时针旋转到方向线的水平夹角。

技术总结
本发明公开了一种基于矢量运算法则的滑坡方向集成预测装置及方法，涉及地质灾害监测领域，装置包括GNSS接收机(1)、太阳能电池板(2)、主控制机箱(3)、安装支架(4)和三维阵列式柔性测斜仪系统，GNSS接收机(1)用于接收GNSS信号，太阳能电池板(2)用于提供电力供应，主控制机箱(3)用于数据传输，安装支架(4)用于控制三维阵列式柔性测斜仪系统线缆的走线。本发明解决了现有滑坡预测没有将地表位移监测数据和地下钻孔内的深部位移监测数据进行融合分析滑坡方向，以及缺少多点多源预测方法和设备的问题。的问题。的问题。


技术研发人员：邹杨 董秀军 常兴旺 刘毅 杨科 何秋霖 邓睿 李佳宏
受保护的技术使用者：成都理工大学
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/10/20