CN114063062A - 一种山体滑坡灾害应急监测的方法及设备 - Google Patents

一种山体滑坡灾害应急监测的方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种山体滑坡灾害应急监测的设备，包括圆弧式地基合成孔径雷达***、能搭载并抛投监测靶标的无人机、全站仪以及若干类型的监测靶标；所述监测靶标包括角反棱镜和GNSS一体机。本发明还提供了一种山体滑坡灾害应急监测的方法，首先通过圆弧式地基合成孔径雷达进行区域性判断形变趋势，当形变量达到设定阈值时预警提醒监控人员，然后在根据实际情况对待增强监测区间选用监测粒度更细的监测方式；适用于山体滑坡灾害的长中短期监测，并且能根据监测对象情况，灵活增减监测设备，达到在保证监测效果的前提下节约成本。

Description

一种山体滑坡灾害应急监测的方法及设备
技术领域
本发明涉及测绘及安全监测技术领域，具体涉及一种山体滑坡灾害应急监测的方法及设备。
背景技术
在滑坡灾害监测领域，通常的方法包括GNSS监测、全站仪监测、裂缝计监测等，以及近些年发展起来的地基合成孔径雷达监测。这些监测方法各自有其优势及不足。例如地基合成孔径雷达的监测范围大、监测精度高，可以无接触远距离监测，但是其监测的颗粒度较大，一般是判定区域性的形变趋势。常规GNSS监测的频率可以达到几秒甚至一秒一个监测数值，但是其精度只有毫米甚至厘米级，并且需要在每个监测点位上布设GNSS设备，成本高，作业危险性大。全站仪监测可以达到毫米级的精度，一台全站仪可以监测数十个监测点，但是其监测点上需要布设棱镜才能达到预期精度。
在对山体等进行滑坡灾害监测时，我们面临着许多困难，例如由于地势陡峭，无法在监测面上安装设备；监测范围大，布设点位过多，导致成本高昂；监测时间跨度过大，常规人工监测现场安置不便，成本太高；无法判断山体是否会发生危险，如果一次性安装太多设备，导致成本急剧攀升；山体草木茂盛，无人机倾斜摄影、机载激光雷达、三维激光扫描仪等设备无法穿透对地表进行监测。
综上所述，急需一种山体滑坡灾害应急监测的方法及设备以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种山体滑坡灾害应急监测的设备，旨在解决采用现有单一监测方式存不足的问题，实现提高监测的可靠性和准确性，实现更好的预报警效果，具体技术方案如下：
一种山体滑坡灾害应急监测的设备，包括圆弧式地基合成孔径雷达***、能搭载并抛投监测靶标的无人机、全站仪以及若干类型的监测靶标；所述监测靶标包括角反棱镜和GNSS一体机。
以上技术方案中优选的，所述角反棱镜指：将全站仪反射棱镜的玻璃主体粘结在角反射器内凹顶点处，实现反射雷达信号波和全站仪发出的电磁波。
以上技术方案中优选的，所述无人机的底部连接抛投装置，所述抛投装置的底部连接监测靶标，所述抛投装置与监测靶标之间通过远程控制实现分离。
以上技术方案中优选的，所述圆弧式地基合成孔径雷达***包括圆弧式地基合成孔径雷达以及配套的监测***。
以上技术方案中优选的，所述圆弧式地基合成孔径雷达、全站仪和GNSS一体机均具有IP67的防护性能。
以上技术方案中优选的，所述圆弧式地基合成孔径雷达***、全站仪和GNSS一体机通过无线传输的方式将监测结果发送到监控中心。
本发明还提供了一种山体滑坡灾害应急监测的方法，采用上述的山体滑坡灾害应急监测的设备；同时将圆弧式地基合成孔径雷达的扫描频率从高到低分成F0、F1、F2……Fn档位；并将每日最大形变量从高到低分为M0、M1、M2……Mn档位，雷达的扫描频率档位与每日最大形变量的档位一一对应，其中n为自然数；具体监测方法的步骤如下：
步骤S1：获得监测对象的三维地形点云数据；
步骤S2：设置圆弧式地基合成孔径雷达的扫描范围，进行初始扫描，将扫描范围叠加到三维地形点云数据上；
步骤S3：雷达启动后先采用F0档位对监测对象进行扫描，计算i日的平均每日最大形变量，根据i日的平均每日最大形变量设置雷达的初始扫描频率档位，并采用该档位对监测对象进行扫描监测，其中i为大于等于1的自然数；
步骤S4：每日0点计算前一日的每日最大形变量，当连续j日的每日最大形变量对应档位低于当前每日最大形变量档位时，则将扫描频率档位降低一档；当前一日的每日最大形变量对应档位高于当前每日最大形变量档位时，立即将扫描频率档位升高一档；
步骤S5：当连续k日的每日最大形变量对应档位大于等于设定的每日最大形变量档位阈值时，发出警报提醒监控人员；
步骤S6：监控人员分析雷达的监测数据，在三维模型上找出危险区域，将其设置为待增强监测区域，提取其坐标；
步骤S7：根据监测对象的实际情况选择监测靶标；
步骤S8：将待增强监测区域的中心三维坐标设置为无人机导航的目的地，无人机搭载监测靶标飞向目的地，向目的地投放监测靶标实现切换更细粒度的监测方式。
以上技术方案中优选的，所述步骤S1中通过无人机倾斜摄影或三维激光扫描的方式获得监测对象的三维地形点云数据。
以上技术方案中优选的，所述步骤S7中，当待增强监测区域距离雷达小于800m时，选用角反棱镜，否则选用GNSS一体机。
以上技术方案中优选的，更细粒度的监测方式包括三种：一种是圆弧式地基合成孔径雷达结合角反棱镜进行监测；第二种是全站仪结合角反棱镜进行监测；第三种是采用GNSS一体机进行监测；采用全站仪时其监测频率与雷达当前的监测频率一致。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
本发明的设备，只有需要布设监测靶标时需要人员到现场操作无人机，其余时间监测数据会发送到监控中心，人员在监控中心远程查看分析数据即可。采用圆弧式地基合成孔径雷达，不仅适用于大坝等建构筑物，对于两侧山谷型或者盆地形地貌也同样适用，应用对象广泛。
本发明的监测方法首先通过圆弧式地基合成孔径雷达进行区域性判断形变趋势，当形变量达到设定阈值时预警提醒监控人员，然后在根据实际情况对待增强监测区间选用监测粒度更细的监测方式；适用于山体滑坡灾害的长中短期监测，并且能根据监测对象情况，灵活增减监测设备，达到在保证监测效果的前提下节约成本。本发明的监测设备及方法提高了监测的可靠性和准确性，实现更好的预报警效果。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明山体滑坡灾害应急监测的方法流程图；
图2是角反棱镜的结构示意图；
图3是雷达扫描区域示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1：
参见图1-3，一种山体滑坡灾害应急监测的设备，包括圆弧式地基合成孔径雷达***、能搭载并抛投监测靶标的无人机、全站仪以及若干类型的监测靶标；所述监测靶标包括角反棱镜和GNSS一体机。
本实施例中优选的所述角反棱镜指：将全站仪反射棱镜的玻璃主体2粘结在角反射器1内凹顶点处，实现反射雷达信号波和全站仪发出的电磁波，如图2所示。
优选的，所述圆弧式地基合成孔径雷达***、全站仪和GNSS一体机通过无线传输的方式将监测结果发送到监控中心。所述无线传输方式包括3G、4G、5G网络和WiFi等方式。
进一步优选的，所述无人机的底部连接抛投装置，所述抛投装置的底部连接监测靶标，所述抛投装置与监测靶标之间通过远程控制实现分离。抛投装置和无人机具体请参见现有技术，本实施例中所述无人机采用多旋翼无人机，载重不低于5kg，具体采用大疆经纬M600PRO无人机，抛投装置与无人机通过POE实现供电和通信。
所述圆弧式地基合成孔径雷达***包括圆弧式地基合成孔径雷达以及配套的监测***。圆弧式地基合成孔径雷达可以实现水平360°或者任意角度范围的监测，视线方向监测距离不低于2km，监测精度达到亚毫米级。圆弧式地基合成孔径雷达配套的监测***可以将雷达扫描结果叠加到三维地形上。三维地形采用三维点云(包括三维坐标X、Y、Z以及颜色R、G、B六个基本属性值)在三维引擎中展示，雷达扫描结果(即累计形变量)作为点云的拓展属性值(仅扫描范围覆盖范围内的点云具有拓展属性)。特别的，雷达能够实现无人值守长期自动监测，能通过无线传输方式将监测数据传输回监控中心。本实施例中选用OnlineSAR 2000圆弧式地基合成孔径雷达。
参见图3，所述的圆弧式地基合成孔径雷达照射场景所覆盖的地形区域为监测范围，呈扇形格网，每一个监测单元为扇形单元，整个监测范围有M×N个监测单元，即有M×N个形变监测值。M为距离方向个数，N为角度方向个数，由角度分辨率Δθ和距离分辨率Δr以及监测扫描范围共同决定。
所述GNSS一体机指包括了GNSS天线、接收机、数据处理终端、数据传输模块、电源等模块的微型一体机。GNSS一体机可以接收包括但不限于北斗卫星(BDS)、GPS卫星、GLONASS卫星等的信号，通过PPP或者差分定位解算将天线所在地表绝对位置坐标发送给用户监控中心实现位移监测。GNSS一体机在无外部供电情况下可以实现连续不低于14天持续监测。GNSS一体机能够实现随抛随用，通过无线传输方式将监测数据传输回监控中心。
进一步优选的，所述圆弧式地基合成孔径雷达、全站仪和GNSS一体机均具有IP67的防护性能，能够部署在项目现场进行无人值守长期监测。本实施例的设备只有需要布设监测靶标时需要人员到现场操作无人机，其余时间监测数据会发送到监控中心，人员在监控中心远程查看分析数据即可。采用圆弧式地基合成孔径雷达，不仅适用于大坝等建构筑物，对于两侧山谷型或者盆地形地貌也同样适用，应用对象广泛。
本实施例还提供了一种山体滑坡灾害应急监测的方法，采用上述山体滑坡灾害应急监测的设备；同时将圆弧式地基合成孔径雷达的扫描频率从高到低分成F0、F1、F2……Fn档位；并将每日最大形变量从高到低分为M0、M1、M2……Mn档位，雷达的扫描频率档位与每日最大形变量的档位一一对应，即Mn对应Fn，其中n为自然数。
本实施例中n为5，扫描频率档位从高到低分为：F0-连续扫描，F1-10分钟扫描一次，F2-30分钟扫描一次，F3-一小时扫描一次，F4-三小时扫描一次，F5-六小时扫描一次；每日最大形变量分为6档，从高到低：M0(≥460.8mm)，M1(≥153.6mm)，M2(≥76.8mm)，M3(≥25.6mm)，M4(≥12.8mm)，M5(＜12.8mm)；
每日最大形变量档位与扫描频率档位对照关系如下：
M0—F0、M1—F1、M2—F2、M3—F3、M4—F4、M5—F5；
所述监测方法的步骤如下：
步骤S1：获得监测对象的三维地形点云数据；
优选的，所述步骤S1中通过无人机倾斜摄影或三维激光扫描的方式获得监测对象的三维地形点云数据。
步骤S2：设置圆弧式地基合成孔径雷达的扫描范围，进行初始扫描，将扫描范围叠加到三维地形点云数据上，即将扫描范围内的三维地形点云拓展属性赋值为0.0；
步骤S3：雷达启动后先采用F0档位对监测对象进行扫描，计算i日的平均每日最大形变量，根据i日的平均每日最大形变量设置雷达的初始扫描频率档位，并采用该档位对监测对象进行扫描监测，其中i为大于等于1的自然数；本实施例中i为7，即计算7日的平均每日最大形变量；
步骤S4：每日0点计算前一日的每日最大形变量，当连续j日的每日最大形变量对应档位低于当前每日最大形变量档位时，则将扫描频率档位降低一档；当前一日的每日最大形变量对应档位高于当前每日最大形变量档位时，立即将扫描频率档位升高一档；本实施例中j为3，即当连续3日的每日最大形变量对应档位低于当前每日最大形变量档位时，则将扫描频率档位降低一档。
步骤S5：当连续k日的每日最大形变量对应档位大于等于设定的每日最大形变量档位阈值时，发出警报提醒监控人员；本实施例中k为7，档位阈值选用M2；即当连续7日的每日最大形变量对应档位大于等于M2档位时，发出警报提醒监控人员；
步骤S6：监控人员分析雷达的监测数据，在三维模型上找出危险区域，将其设置为待增强监测区域，提取其坐标；
步骤S7：根据监测对象的实际情况选择监测靶标；
所述步骤S7中，当待增强监测区域距离雷达小于800m时，选用角反棱镜，否则选用GNSS一体机；
步骤S8：将待增强监测区域的中心三维坐标设置为无人机导航的目的地，无人机搭载监测靶标飞向目的地，向目的地投放监测靶标实现切换更细粒度的监测方式。优选的，在距离待增强监测区域50m时减速，提示无人机操作人员接管，手动操作无人机靠近待增强监测区域，选取合适位置投放靶标。
本实施例中更细粒度的监测方式包括三种：一种是圆弧式地基合成孔径雷达结合角反棱镜进行监测；第二种是全站仪结合角反棱镜进行监测；第三种是采用GNSS一体机进行监测。
优选的，采用全站仪时其监测频率与雷达当前的监测频率一致。
优选的，所述每日最大形变量计算方法为：提取24小时内的雷达累计形变监测文件，计算出单日的形变量(包含M×N个数据)，将单日的形变量取绝对值，将单日的形变量的绝对值按从大到小顺序提取前1000个值计算平均值，其结果就为每日最大形变量。特别的，24小时内的雷达累计形变监测文件可以是0点-24点的累计形变监测文件，也可以是相邻两天相同时刻之间的累计形变监测文件，相邻两天相同时刻是指时间间隔小于30分钟即可。
本实施例的监测方法首先通过圆弧式地基合成孔径雷达进行区域性判断形变趋势，当形变量达到设定阈值时预警提醒监控人员，然后在根据实际情况对待增强监测区间选用监测粒度更细的监测方式；适用于山体滑坡灾害的长中短期监测，并且能根据监测对象情况，灵活增减监测设备，达到在保证监测效果的前提下节约成本。本实施例的监测设备及方法提高了监测的可靠性和准确性，实现更好的预报警效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种山体滑坡灾害应急监测的设备，其特征在于，包括圆弧式地基合成孔径雷达***、能搭载并抛投监测靶标的无人机、全站仪以及若干类型的监测靶标；所述监测靶标包括角反棱镜和GNSS一体机。
2.根据权利要求1所述的山体滑坡灾害应急监测的设备，其特征在于，所述角反棱镜指：将全站仪反射棱镜的玻璃主体粘结在角反射器内凹顶点处，实现反射雷达信号波和全站仪发出的电磁波。
3.根据权利要求2所述的山体滑坡灾害应急监测的设备，其特征在于，所述无人机的底部连接抛投装置，所述抛投装置的底部连接监测靶标，所述抛投装置与监测靶标之间通过远程控制实现分离。
4.根据权利要求2所述的山体滑坡灾害应急监测的设备，其特征在于，所述圆弧式地基合成孔径雷达***包括圆弧式地基合成孔径雷达以及配套的监测***。
5.根据权利要求4所述的山体滑坡灾害应急监测的设备，其特征在于，所述圆弧式地基合成孔径雷达、全站仪和GNSS一体机均具有IP67的防护性能。
6.根据权利要求1-5任意所述的山体滑坡灾害应急监测的设备，其特征在于，所述圆弧式地基合成孔径雷达***、全站仪和GNSS一体机通过无线传输的方式将监测结果发送到监控中心。
7.一种山体滑坡灾害应急监测的方法，其特征在于，采用如权利要求1-6中任意一项所述的山体滑坡灾害应急监测的设备；同时将圆弧式地基合成孔径雷达的扫描频率从高到低分成F0、F1、F2……Fn档位；并将每日最大形变量从高到低分为M0、M1、M2……Mn档位，雷达的扫描频率档位与每日最大形变量的档位一一对应，其中n为自然数；具体监测方法的步骤如下：
步骤S1：获得监测对象的三维地形点云数据；
步骤S2：设置圆弧式地基合成孔径雷达的扫描范围，进行初始扫描，将扫描范围叠加到三维地形点云数据上；
步骤S3：雷达启动后先采用F0档位对监测对象进行扫描，计算i日的平均每日最大形变量，根据i日的平均每日最大形变量设置雷达的初始扫描频率档位，并采用该档位对监测对象进行扫描监测，其中i为大于等于1的自然数；
步骤S4：每日0点计算前一日的每日最大形变量，当连续j日的每日最大形变量对应档位低于当前每日最大形变量档位时，则将扫描频率档位降低一档；当前一日的每日最大形变量对应档位高于当前每日最大形变量档位时，立即将扫描频率档位升高一档；
步骤S5：当连续k日的每日最大形变量对应档位大于等于设定的每日最大形变量档位阈值时，发出警报提醒监控人员；
步骤S6：监控人员分析雷达的监测数据，在三维模型上找出危险区域，将其设置为待增强监测区域，提取其坐标；
步骤S7：根据监测对象的实际情况选择监测靶标；
步骤S8：将待增强监测区域的中心三维坐标设置为无人机导航的目的地，无人机搭载监测靶标飞向目的地，向目的地投放监测靶标实现切换更细粒度的监测方式。
8.根据权利要求7所述的山体滑坡灾害应急监测的方法，其特征在于，所述步骤S1中通过无人机倾斜摄影或三维激光扫描的方式获得监测对象的三维地形点云数据。
9.根据权利要求7所述的山体滑坡灾害应急监测的方法，其特征在于，所述步骤S7中，当待增强监测区域距离雷达小于800m时，选用角反棱镜，否则选用GNSS一体机。
10.根据权利要求9所述的山体滑坡灾害应急监测的方法，其特征在于，更细粒度的监测方式包括三种：一种是圆弧式地基合成孔径雷达结合角反棱镜进行监测；第二种是全站仪结合角反棱镜进行监测；第三种是采用GNSS一体机进行监测；采用全站仪时其监测频率与雷达当前的监测频率一致。
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