CN110570627A - 一种基于系留气球的堰塞灾害预警装置及监测预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于系留气球的堰塞灾害预警装置及监测预警方法，本发明是涉地质灾害预警监测领域。该装置包若干个载有环境图像获取装置的气球观测设备，该球观测设为若干个，该若干个所述的球观测设备分别布置在勘测堰塞部区域内；通过气球观测设备对该勘测堰塞部区域内的堰塞情况进行照片取样，并通过分析进行灾害预警。本发明提供的基于系留气球的堰塞灾害预警装置及监测预警方法，针对堰塞灾害发生地偏远、监测手段落后、地形复杂、布置困难等特点进行了改进。

Description

一种基于系留气球的堰塞灾害预警装置及监测预警方法

技术领域

本发明涉及一种基于系留气球的堰塞灾害预警装置及监测预警方法，本发明是涉地质灾害预警监测领域。

背景技术

山区河岸常因降雨、融雪、地震等因素发生滑坡、岩崩和泥石流等灾害，这些移动土体在河道内形成堰塞体，上游来水在堰塞体的阻碍下蓄积成堰塞湖。由于堰塞湖的抗滑、抗渗、抗冲能力往往都很差，一旦发生溃决其蓄积的湖水造成的洪水破坏力巨大、对下游的生命和财产造成极大影响。

目前，全世界范围内地质灾害频发，大型堰塞湖时也有形成。堰塞坝极不稳定溃决时间难以预测，现有应对策略是早发现早处理，减少堰塞湖的蓄积量，并适时引水泄流。就申请人所知，现有预警方法存在时效滞后、灾时数据资料缺少等缺陷，灾后跟踪也存在一定困难。

发明内容

本发明针对上述不足提供了一种基于系留气球的堰塞灾害预警装置的监测预警方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置，该装置包若干个载有环境图像获取装置的气球观测设备，该球观测设备为若干个，该若干个所述的球观测设备分别布置在勘测堰塞部区域内；通过气球观测设备对该勘测堰塞部区域内的堰塞情况进行照片取样，并通过分析进行灾害预警。

本发明所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置，所述的气球观测设备包括锚固点，绳索，挂载架，气球，太阳能电板，电子集成箱，光学摄影设备，蓄电池；所述的锚固点安装在勘测堰塞部区域内制定的勘测点上，气球的底端布置挂载架，气球底端的挂载架通过绳索固定在锚固点上，气球的球体外表面上设有太阳能电板，挂载架上设有光学摄影设备；

所述的蓄电池、电子集成箱布置在挂载架内，蓄电池为光学摄影设备及电子集成箱供电，光学摄影设备的数据输出端与电机集成箱的数据接收端相连；太阳能电板为蓄电池充电。

本发明所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置，还包括气罐，电控气阀；所述气罐通过电控气阀与气球的充气端相连；电控气阀由电子集成箱控制。

本发明所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置，所述的电子集成箱内置微型处理机，无线通讯模块，飞行姿态测量模块，全球定位模块；

所述的光学摄影设备包括可见光摄影设备及红外摄影设备；

所述的微型处理机与无线通讯模块之间进行数据双向传输，微型处理机的与飞行姿态测量模块，全球定位模块及光学摄影设备的信号之间进行数据双向传输；

所述的无线通讯模块通过外置天线向数据中心传输数据；外置天线布置在挂载架外壁。

本发明所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置，所述的挂载架成圆柱形结构，可见光摄影设备及红外摄影设备沿圆柱形结构的挂载架外圆周面布置。

本发明所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置，所述的太阳能电板位于气球的顶部的外圆周面上，成环形布置。

本发明所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置的监测预警方法，预警步骤如下：

步骤一、选定需勘测堰塞部，该堰塞部选择河流转折超过15°的位置作为主控点，主控点间添加次控点使控点间距小于300m，在主次控点两岸选择岩体稳定硬实处作为锚固点。

步骤二、在锚固点安装相应的气球观测设备，采用绳索将升空的气球固定锚固钉点上；

步骤三、升空后的气球观测设备，利用光学摄影设备采集勘测堰塞部的图像数据，通过无线通讯模块将获得的图像数据传输至数据处理中心；

步骤四、数据处理中心将气球观测设备获得的图像数据与历史数据进行比对分析，若发现重大变化则发出预警，同时为***管理人员调出近远期不同时间点数据；

所述的历史数据包括原始数据和经数据中心处理的二次数据，二次数据至少包括数字高程模型、数字正射影像、带纹理三维网格模型；

步骤五、数据中心预警发出后，气球平台上的摄影器材加密摄影时间间隔，并向数据中心传回数据。

步骤六、灾害解除，***重新进入预警发现状态。

本发明所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置的监测预警方法，所述的步骤四中气球观测设备获得的图像数据与原始图像数据比对分析方法如下：

1)、根据时间t，位置信息X、Y、Z和姿态信息α、β、γ,丛历史图像匹配出N 个同类图片；将选出的图片切块成2ⁿ等大小块，计算各小块的平均色度C_i，

通过下式计算得到单张图片的平均色度：

再通过下式计算得到色度方差：

式中n为分块数N的2分阶数n＝log₂N；

2)、根据步骤1)得到的平均色度及色度方差，通过下式回归N张图片、时间t 的预测出平均色度预测值与色度方差预测值s_c预

与色度方差预测值s_c预

式中A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆为幂函数项系数待定值，B₁、B₂为对数项系数待定值，C₁、C₂为正弦项系数待定值，ω₁、ω₂为正弦项周期待定值，为正弦项初始角待定值，D₁、D₂为常数项系数待定值。

3)、将平均色度预测值和色度方差预测值s_c预按照阈值系数K₁、K₂与最新获取的图片的平均色度和色度方差s_c对比。如果且s_c<K₂s_c预,则该图片内无异常；否则判定为该区域发生滑坡、崩塌或堰塞的显著地貌变化发出报警。

本发明所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置的监测预警方法，所述的步骤二中绳索长度由下式计算得到

L＝min(Kσ_y/Υ,D)，

式中K为安全系数基于当地最大风级确定，σ_y为绳索的抗拉屈服强度，Υ为绳索的单位长度自重，D为拟监控区域直径或与相邻布置点的距离。

有益效果

本发明提供的基于系留气球的堰塞灾害预警装置及监测预警方法，针对堰塞灾害发生地偏远、监测手段落后、地形复杂、布置困难等特点进行了改进。

本发明提供的基于系留气球的堰塞灾害预警装置及监测预警方法，该方法使用的设备具备自组网通讯能力，具有快速搭建和良好的备灾能力；通过控制留系气球高度，可实现监控范围调整；该方法较布置地面监测可以减少监测点数、避开危险地形、避免大量危险作业；多波段摄影设备可以实现全天候监测，保证预警和监测的实时性；使用太阳能使该方法在无能源供应区域也具有长期适应能力；该方法提出的预警监测体系使得各个流程衔接流畅,信息传递迅速准确,缩短灾情发现时间、为管理人员提供更多资料参考。

附图说明

图1是本发明的气球观测设备的结构示意图；

图2是本发明的气球布置状态示意图；

图3是本发明的处理模块示意图；

图4是本发明的监控预警方法流程示意图；

图中0是岩体稳定硬实处，1是锚固点，2是绳索，3是挂载架，4是气球，5是太阳能电板，6是蓄电池，7是电子集成箱，8是气瓶，9是天线，10是光学摄影设备。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：一种基于系留气球的堰塞灾害预警装置，该装置包若干个载有环境图像获取装置的气球观测设备，该球观测设备为若干个，该若干个所述的球观测设备分别布置在勘测堰塞部区域内；通过气球观测设备对该勘测堰塞部区域内的堰塞情况进行照片取样，并通过分析进行灾害预警。

气球观测设备的气球4具有高强度气囊，在气球4底部安装挂载架3，在气球4 顶部环绕安装太阳能电板5。挂载架3内部安装蓄电池6、电子集成箱7、气瓶8，挂载架3外部环形凸出部环形安装数个光学摄影设备10，挂载架3筒壁外部安装通讯天线，挂载架3底部与绳索2连接。太阳能电板5为蓄电池6充电，蓄电池6为电子集成箱7、光学摄影设备10供电。电子集成箱7包含无线通讯模块、微型处理机、定位接收模块、姿态记录模块。

光学摄影设备10具备云台稳定功能，光学摄影设备10工作波段包括可见光和红外波段，可由电子集成箱7控制调整动作角度、完成拍摄指令。气瓶8由电子集成箱 7通过电控气阀向气球4充气。可见光摄影器材和红外摄影器材有多个，按阵列形式布置，同类器材使用不同摄影角度以使对地全周覆盖。

如图2所示：在滑坡、岩崩、泥石流等多发区域的河流转折超过15°的位置作为主控点，主控点间添加次控点使控点间距小于300m。在控点两按选择岩体稳定硬实处0作为锚固点1，并对锚杆周边压重或凝胶材料粘结。在锚杆裸露端系上轻质的绳索2，绳索2材质应当满足绳索强度和密度的要求选用轻质高强材料，绳索长度由下式计算得到

L＝min(Kσ_y/Υ,D)，

式中K为安全系数基于当地最大风级确定，σ_y为绳索的抗拉屈服强度，Υ为绳索的单位长度自重，D为拟监控区域直径或与相邻布置点的距离。

气球4通过绳索2留系在锚固点1上，气球4充气升空准备并入***。

如图4所示：本发明提供的基于系留气球的堰塞灾害预警方法如下：

步骤一、选择河流转折超过15°的位置作为主控点，主控点间添加次控点使控点间距小于300m，在控点两按选择岩体稳定硬实处作为锚固点。锚固点采用机械或人工夯打入锚杆，对锚杆周边压重或凝胶材料粘结；

步骤二、步骤三中选用气囊强度高的气球并安装挂载架，在挂载架上挂载太阳能电板、蓄电池、无线通讯设备、可见光摄影器材、红外摄影器材、微型处理机、全球定位模块、姿态记录模块，气球通过步骤二所述的绳索留系在步骤一所述的锚固点上；气球挂载备用气缸，以应急补气。太阳能电板环绕挂在架一周，以应对气球姿态变化对发电效率的影响。无线通讯设备关键模块应作双备份，发射功率应当至少覆盖4 个邻近布置点，无线通讯设备具备自组网和通讯中继功能。

步骤三、气球充气升空，微机启动、无线通讯组网工作，摄影器材每隔一段时间摄影、记录定位和姿态，并通过无线网络传输到数据处理中心；其采集影像并记录影像时间戳t、位置点X、Y、Z，姿态角α、β、γ；

步骤四、数据处理中心处理实时数据，并对比历史数据确定是否发生较大地形地貌变化。若发现重大变化则发出预警，同时为***管理人员调出近远期不同时间点数据。

其图像对比的方法如下：

(1)根据时间t，位置信息X、Y、Z和姿态信息α、β、γ,丛历史图像匹配出 N个同类图片。将选出的图片切块成2ⁿ等大小块，计算各小块的平均色度c_i从而计算出单张图片的平均色度和色度方差

(2)在步骤(1)的基础上，根据N张图片的时间t、平均色度和色度方差s_c按照和 回归预测出平均色度预测值和色度方差预测值s_c预。

将平均色度预测值和色度方差预测值s_c预按照阈值系数K₁、K₂与最新获取的图片的平均色度和色度方差s_c对比。如果且s_c<K₂s_c预,则该图片内无异常；否则，该区域发生了滑坡、崩塌或堰塞等显著地貌变化，发出报警。

(3)估计体量，确认发生堰塞灾害后将历史数据和最新获取的数据分类成远期数据 (事发1个月以前)、近期数据(事发前1个月至事发)、最新数据(事发至最新)。将远期数据、近期数据、最新数据分别提交三维重建软件重构出对应时期的数字高程模型、数字正射影像、带纹理三维网格模型。

将远期、近期、最新数字高程模型按水平投影分区成N块，并计算每块的平均高程H_i最新、H_i近期、H_i远期。按如下公式计算堰塞体体积：

式中A₀为待积分区域始边界，A₁为待积分区域终边界，dx、dy为积分区域内的积分步长，i为积分离散化后的各离散分块的标识号，Area_i为积分离散化后的各离散分块的水平投影面积。

按如下公式计算堰塞体高：

按如下公式计算堰塞体覆盖区面积：

式中Sum表示求和函数完成N个单项的求和；if与else用于表示条件转换函数实现满足情况为if后的值否则为else后的值。

(4)、根据阈值确定灾害等级；

将步骤(3)中的堰塞体体积V、堰塞体高度H、堰塞体覆盖区面积A分别和预设的阈值V_cr、H_cr、A_cr对比确定堰塞等级；V_cr为堰塞体体积阈值、H_cr为堰塞体高度阈值、A_cr为堰塞体覆盖区面积阈值。

(5)将最新采集数据提交三维重建软件重构出对应时期的数字高程模型、数字正射影像、带纹理三维网格模型进行跟踪监测；

按步骤(4)所述公式更新堰塞体积V_{第i次更新}、堰塞体高H_{第i次更新}、堰塞体覆盖区面积A_{第i次更新}，将其分别按照阈值系数K_V、K_H、K_A与上一次更新值对比；

如果V_{第i次更新}<K_vV_{第i-1次更新}、H_{第i次更新}<K_HH_{第i-1次更新}、A_{第i次更新}< K_AA_{第i-1次更新},则堰塞体无异常；否则发生了二次覆盖、解体或局部失稳。

式中K_V为堰塞体积变化阈值系数、K_H堰塞体高变化阈值系数、K_A堰塞体覆盖区面积变化阈值系数。

步骤五、数据处理中心处理实时数据，并对比历史数据确定是否发生较大地形地貌变化。若发现重大变化则发出预警，同时为***管理人员调出近远期不同时间点数据。

历史数据包括原始数据和经数据中心处理的二次数据，二次数据至少包括数字高程模型、数字正射影像、带纹理三维网格模型；数据中心对比新收到的数据和历史数据，若发现数据指标突变则向***管理员发出预警信号、调出历史数据资料，并向传回异常数据的留系气球平台发出加密监测频率的信号。

步骤六、数据中心预警发出后，气球平台上的摄影器材加密摄影时间间隔，所采集的数据缓存于留系气球平台上的微型处理机并尝试通过无线通讯网络传输到数据中心。

步骤七、***在灾害期间持续监测实时进展，灾害解除后该留系气球平台重新进入预警发现状态。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于系留气球的堰塞灾害预警装置，其特征在于：该装置包若干个载有环境图像获取装置的气球观测设备，该球观测设备为若干个，该若干个所述的球观测设备分别布置在勘测堰塞部区域内；通过气球观测设备对该勘测堰塞部区域内的堰塞情况进行照片取样，并通过分析进行灾害预警。

2.根据权利要求1所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置，其特征在于：所述的气球观测设备包括锚固点，绳索，挂载架，气球，太阳能电板，电子集成箱，光学摄影设备，蓄电池；所述的锚固点安装在勘测堰塞部区域内制定的勘测点上，气球的底端布置挂载架，气球底端的挂载架通过绳索固定在锚固点上，气球的球体外表面上设有太阳能电板，挂载架上设有光学摄影设备；

所述的蓄电池、电子集成箱布置在挂载架内，蓄电池为光学摄影设备及电子集成箱供电，光学摄影设备的数据输出端与电机集成箱的数据接收端相连；太阳能电板为蓄电池充电。

3.根据权利要求2所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置，其特征在于：还包括气罐，电控气阀；所述气罐通过电控气阀与气球的充气端相连；电控气阀由电子集成箱控制。

4.根据权利要求3所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置，其特征在于：所述的电子集成箱内置微型处理机，无线通讯模块，飞行姿态测量模块，全球定位模块；

所述的光学摄影设备包括可见光摄影设备及红外摄影设备；

所述的微型处理机与无线通讯模块之间进行数据双向传输，微型处理机的与飞行姿态测量模块，全球定位模块及光学摄影设备的信号之间进行数据双向传输；

所述的无线通讯模块通过外置天线向数据中心传输数据；外置天线布置在挂载架外壁。

5.根据权利要求4所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置，其特征在于：所述的挂载架成圆柱形结构，可见光摄影设备及红外摄影设备沿圆柱形结构的挂载架外圆周面布置。

6.根据权利要求2所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置，其特征在于：所述的太阳能电板位于气球的顶部的外圆周面上，成环形布置。

7.根据上述权利要求1至6所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置的监测预警方法，其特征在于：预警步骤如下：

步骤一、选定需勘测堰塞部，该堰塞部选择河流转折超过15°的位置作为主控点，主控点间添加次控点使控点间距小于300m，在主次控点两岸选择岩体稳定硬实处作为锚固点。

步骤二、在锚固点安装相应的气球观测设备，采用绳索将升空的气球固定锚固钉点上；

步骤三、升空后的气球观测设备，利用光学摄影设备采集勘测堰塞部的图像数据，通过无线通讯模块将获得的图像数据传输至数据处理中心；

步骤四、数据处理中心将气球观测设备获得的图像数据与历史数据进行比对分析，若发现重大变化则发出预警，同时为***管理人员调出近、远期不同时间点数据；

所述的历史数据包括原始数据和经数据中心处理的二次数据，二次数据至少包括数字高程模型、数字正射影像、带纹理三维网格模型；

步骤五、数据中心预警发出后，气球平台上的摄影器材加密摄影时间间隔，并向数据中心传回数据；

步骤六、灾害解除，***重新进入预警发现状态。

8.根据权利要求7所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置的监测预警方法，其特征在于：所述的步骤四中气球观测设备获得的图像数据与原始图像数据比对分析方法如下：

1)、根据时间t，位置信息X、Y、Z和姿态信息α、β、γ,丛历史图像匹配出N个同类图片；将选出的图片切块成2ⁿ等大小块，计算各小块的平均色度C_i，

通过下式计算得到单张图片的平均色度：

再通过下式计算得到色度方差：

式中n为分块数N的2分阶数n＝log₂N

2)、根据步骤1)得到的平均色度及色度方差，通过下式回归N张图片、时间t的预测出平均色度预测值与色度方差预测值s_c预

与色度方差预测值s_c预

式中A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆为幂函数项系数待定值，B₁、B₂为对数项系数待定值，C₁、C₂为正弦项系数待定值，ω₁、ω₂为正弦项周期待定值，为正弦项初始角待定值，D₁、D₂为常数项系数待定值。

3)、将平均色度预测值和色度方差预测值s_c预按照阈值系数K₁、K₂与最新获取的图片的平均色度和色度方差s_c对比。如果且s_c<K₂s_c预,则该图片内无异常；否则判定为该区域发生滑坡、崩塌或堰塞的显著地貌变化发出报警。

9.根据权利要求7所述的基于系留气球的堰塞灾害预警装置的监测预警方法，其特征在于：所述的步骤二中绳索长度由下式计算得到

L＝min(Kσ₀/Υ,D)，

式中K为安全系数基于当地最大风级确定，σ₀为绳索的抗拉屈服强度，Υ为绳索的单位长度自重，D为拟监控区域直径或与相邻布置点的距离。