[发明专利]基于雨强、斜坡土壤含水量和形变量的地质灾害预测系统

摘要

一种基于雨强、斜坡土壤含水量和形变量的地质灾害预测系统，包括用于监测地质灾害点的雨量雨强的自动雨量计、用于监测地质灾害点土壤中水分的土壤水分传感器、用于检测地质灾害点的地表和内部形变的全方位倾斜传感器、用于评估地质灾害发生规模的全方位视觉传感器、用于无线传输视频以及监测数据的嵌入式系统和用于进行地质灾害预测预报的监控中心计算机，监控中心计算机包括通信模块、数据接收模块、基于雨量雨强的地质灾害预测模块、基于斜坡位移-时间曲线进行地质灾害预测模块、基于土壤含水量与雨量雨强的地质灾害预测模块和基于土壤含水量与斜坡变形量的地质灾害预测模块。本发明监测手段全面、预测预报精准、智能化程度高、实时在线。

主权项

1.一种基于雨量、斜坡土壤含水量和形变量的地质灾害预测系统，其特征在于：所述预测系统包括用于监测地质灾害点的雨量雨强的自动雨量计、用于监测地质灾害点土壤中水分的土壤水分传感器、用于检测地质灾害点的地表和内部形变的全方位倾斜传感器、用于评估地质灾害发生规模的全方位视觉传感器、用于无线传输视频以及各种监测数据的嵌入式系统、用于进行地质灾害预测预报的监控中心计算机、用于对所述的全方位视觉传感器、所述的土壤水分传感器和所述的自动雨量计供电的太阳能供电单元；所述的全方位视觉传感器、所述的土壤水分传感器和所述的自动雨量计与所述的嵌入式系统连接，所述的嵌入式系统通过无线通信方式与监控中心计算机连接，所述的全方位视觉传感器、所述的土壤水分传感器和所述的自动雨量计安置在地质灾害发生点的山体上，所述的自动雨量计、所述的全方位视觉传感器和所述的嵌入式系统配置在同一根立杆上，所述的土壤水分传感器植入所述的立杆附近的土壤深处；所述的全方位倾斜传感器配置在地质灾害发生点的山体松质土壤上，以形成一个力传感网；每一个全方位倾斜传感器都具有一个反映埋设地点位置的编码号；每一个全方位倾斜传感器之间以及和所述的嵌入式系统之间采用无线通信的方式；所述的监控中心计算机包括：通信模块，用于与所述的嵌入式系统进行基于3G无线通信协议的无线通信以及各种计算机网络通信，接收和传输各种控制数据和监测数据；数据接收模块，用于接收从所述的嵌入式系统传送过来的各种监测数据，所述的监测数据包括雨量雨强数据、土壤水分数据、现场全景视频数据以及带有地理位置信息的斜坡形变数据；同时将这些数据以采集地点、即地质灾害点的地理位置数据为主键存放在多媒体数据库中；地质灾害点的地理位置数据以该地质灾害点的GPS定位数据进行命名；植入斜坡中的全方位倾斜传感器的地理位置数据以埋设点的GPS定位数据进行命名；基于雨量雨强的地质灾害预测模块，用以采用雨量雨强和斜坡形变两种监测数据，如表1所示；采用该模块进行有效准确预测的前提是弄清了该地质灾害点暴发泥石流的临界降雨量，表1为降雨期间不同雨强情况下预警预防措施对应表：表1；表1中，雨强的单位mm/d，雨强在25mm/d以下的为中、小雨，雨强在25～49.9mm/d之间的为大雨，雨强在50～100mm/d之间的为暴雨，雨强超过100mm/d为特大暴雨；基于斜坡位移-时间曲线进行地质灾害预测模块，用于利用材料力学中的受力与形变的关系进行预测的，斜坡变形曲线的斜率利用切线角α_i来表达，如公式(1)所示，αi=arctan(T(i)-T(i-1)ti-ti-1)=ΔTΔt---(1)]]>公式(1)中，i为时间序数，i＝1，2，3，...，n：α_i为累积位移T(i)的切线角，ΔS(i)为某一单位时间段内斜坡位移变化量；v为等速变形阶段的位移速率；T(i)为变换后与时间相同量纲的纵坐标值；t_i为某一监测时刻；根据式(1)计算结果并按下述条件进行判定，当α_i＜45°时斜坡处于初始变形阶段；当α_i≈45°时斜坡处于等速变形阶段；45°＜α_i＜80°时为初加速阶段，发出蓝色预警；80°≤α_i＜85°时为中加速阶段，发出橙色预警；α_i≥85°时为临滑阶段，发出红色预警；基于土壤含水量与雨量雨强的地质灾害预测模块，用以依照地质灾害的发生受控于滑坡体的自重力和抗剪强度，依据土壤中的含水量和变形量进行预测预报的方法得到预测曲线，其中，K1是较少土壤含水量的雨强-形变地质灾害预测曲线；中间有K2、K3、K4三条曲线，K5是较多土壤含水量的雨强-形变地质灾害预测曲线；纵坐标表示雨量雨强值预报值、横坐标表示滑坡体的变形量；从所述预测曲线可以知道，对于同样的变形量，最上面的曲线K1表明，较大的雨量雨强阈值才会引发地质灾害发生，中间有K2、K3、K4三条曲线，而最下面的曲线K5则表明较小的雨量雨强阈值就会引发地质灾害发生；首先根据监测到的变形量δn在预测曲线中做一条垂直线，可得到与5条曲线相交的5个点，然后根据检测到的土壤的含水量找到与该含水量最接近的2个点，A2和A3；按照线性插值的方式得到在垂直线上的1个点，An；该An的纵坐标值就是临界雨强预测阈值Yn，根据气象预报的雨量雨强值进行不同的应急措施；由于滑坡体的变形量δn以及土壤中的含水量An是在不断变化的，预测预报的算法是不断的循环计算的；判断方式是预报雨强值Yf与目前临界雨强预测阈值Yn进行比较，当50％Yn≤Yf＜75％Yn时发出蓝色预警，当75％Yn≤Yf＜100％Yn时发出橙色预警，当Yn≤Yf时发出红色预警。