地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺方案

.../地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺工作方案目錄第一章概述21.1項目背景21.2研究進展21.3設(shè)計原則和目標(biāo)31.4預(yù)警平臺優(yōu)勢3第二章數(shù)據(jù)類型及處理32.1傳感器安裝原則和目的32.2地表變形監(jiān)測42.3深部變形監(jiān)測52.4土壤水分監(jiān)測52.5地下水水位、孔壓監(jiān)測72.6數(shù)據(jù)中心8第三章預(yù)警平臺83.1預(yù)警平臺基本介紹83.2預(yù)警平臺層次一93.1.1閥值預(yù)警93.1.2回歸分析預(yù)警93.2預(yù)警平臺層次二103.2.1模糊數(shù)學(xué)預(yù)警103.2.2灰色理論預(yù)警113.2.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)警123.3預(yù)警平臺層次三123.3.1力學(xué)方法預(yù)警123.3.2概率模型預(yù)警133.3.3"3S"技術(shù)預(yù)警14第四章總結(jié)15參考文獻16第一章概述1.1項目背景隨著我國國民經(jīng)濟的日益發(fā)展,機場、公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成為經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵。由于我國所處的構(gòu)造帶交匯部位以及復(fù)雜的氣候系統(tǒng),我國也成為世界上地質(zhì)災(zāi)害種類多,活動頻繁,危害嚴重的國家之一,而且分布范圍較廣,有日益加重的趨勢,直接影響到國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活的安全。據(jù)統(tǒng)計,我國每年因崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、礦山地質(zhì)災(zāi)害和土地荒漠化等地質(zhì)災(zāi)害所造成的直接經(jīng)濟損失高達840億人民幣之多,而且造成了大量的居民傷亡,由于地質(zhì)環(huán)境的惡化而引發(fā)或加重的其他災(zāi)害所造成的經(jīng)濟損失更是無法估算。地質(zhì)體是地質(zhì)環(huán)境的主體?,地球上所有的生命均依附于這一載體。地質(zhì)災(zāi)害是地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較低的表現(xiàn),它的頻繁發(fā)生不僅僅顯示了自然地質(zhì)環(huán)境的脆弱性,而且還反映了人類工程活動與自然地質(zhì)環(huán)境之間矛盾的激化。地質(zhì)災(zāi)害廣泛分布于我國各個地區(qū),隨著人類活動規(guī)模與強度的增大,正在越來越深刻地干預(yù)地球表層的自然過程,導(dǎo)致自然災(zāi)害發(fā)生的頻率越來越高,影響范圍也越來越大。地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)性、危害性,不僅使建筑物受到破壞,而且會破壞生態(tài)環(huán)境,造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。1.2研究進展由于地質(zhì)災(zāi)害及其自身突發(fā)性和危害性不斷地給我國蓬勃向上的國民經(jīng)濟發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來巨大的損失。因此,針對地質(zhì)災(zāi)害的"監(jiān)測—預(yù)報預(yù)警"和防災(zāi)減災(zāi)工作具有極其重要的地位,同時也促使國家開始重視對地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)工作,深入研究并開展我國地質(zhì)災(zāi)害的"監(jiān)測—預(yù)報預(yù)警"工作可以極大程度上減少我國在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面的損失,維護國民經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全。經(jīng)過查閱大量歷史資料發(fā)現(xiàn),以往的監(jiān)測手段和預(yù)報預(yù)警方法僅僅停留在地質(zhì)災(zāi)害學(xué)等少數(shù)學(xué)科門類。監(jiān)測手段過于單一,缺乏集成化的數(shù)據(jù)庫,以及不能充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；預(yù)報預(yù)警方法也缺乏足夠的科學(xué)依據(jù),往往呈現(xiàn)出滯后性和不準(zhǔn)確性。促使地質(zhì)災(zāi)害的原因是多方面的,需要通過多個方面,多種手段才能最大程度上做好地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警工作,減輕地質(zhì)災(zāi)害的危害。針對我國地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域性和多發(fā)性特點,綜合我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要和人民居住安全的重要性,應(yīng)該合理的走一條創(chuàng)新型地質(zhì)災(zāi)害"監(jiān)測—預(yù)報預(yù)警"道路,開展地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃和預(yù)防性研究?；驹碇饕前言诘刭|(zhì)災(zāi)害調(diào)查中通過對已知變形或破壞的顯示情況和提供的信息,把反映各種區(qū)域穩(wěn)定性因素的實測值轉(zhuǎn)化為反映區(qū)域穩(wěn)定性的信息量值,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合各種方法進行分析評價,最后做出預(yù)報預(yù)警。1.3設(shè)計原則和目標(biāo)崩滑地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺是基于原位監(jiān)測工作定制的一套既包含專業(yè)性技術(shù),又集面向大眾預(yù)報預(yù)警的多層次的崩滑地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺。通過在預(yù)警區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)、安裝傳感器,獲取各種類型數(shù)據(jù),并且利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上傳以及存儲各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)；建立黃土滑坡災(zāi)害預(yù)警模型,搭建完整的預(yù)警平臺,實現(xiàn)微信、短信等報警方式。目前,已經(jīng)形成一套成熟的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺工作方案。1.4預(yù)警平臺優(yōu)勢該地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺工作方案具有極強的創(chuàng)新性,結(jié)合了多學(xué)科的分析方法,可以增強預(yù)報預(yù)警的結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。不僅如此,該套成熟的預(yù)警體系還可以對數(shù)據(jù)進行實時處理、分析以及預(yù)報。該地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺工作方案還具有良好的適應(yīng)性,可以適用于我國各種地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)域,對災(zāi)害發(fā)生原因可以進行單一因素或綜合因素分析評價預(yù)測,是一套成熟并且實用的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺工作方案。第二章數(shù)據(jù)類型及處理2.1傳感器安裝原則和目的針對預(yù)警區(qū)范圍內(nèi)的歷史地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查資料,制定相應(yīng)的所需數(shù)據(jù)的采集流程。通常將各種類型傳感器監(jiān)測設(shè)備在預(yù)警區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)安裝,不同類型傳感器安裝于可能影響地質(zhì)體穩(wěn)定性位置處,再將所采集到的數(shù)據(jù),通過各設(shè)備對應(yīng)的通道與數(shù)據(jù)存儲庫聯(lián)通,利用DTU設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng),可以對各種類型傳感器監(jiān)測設(shè)備進行實施的位置、數(shù)值量以及趨勢的觀測。下文將簡要敘述接種常見傳感器設(shè)備、作用以及安裝方法。2.2地表變形監(jiān)測針對地表變形的原位監(jiān)測設(shè)備包括拉伸式位移傳感器、GPS設(shè)備、激光測距位移傳感器,其中拉伸式位移傳感器、激光測距位移傳感器都是用于相對位移變形量的測量,GPS設(shè)備用于絕對位移變形量的測量,根據(jù)滑坡及崩塌區(qū)的地形地貌條件,突出主滑方向和變形較大位置的監(jiān)測,均布設(shè)于覆蓋裂縫處。監(jiān)測設(shè)備如圖2.1所示,數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖2.2所示。a．拉伸式位移傳感器b．GPS設(shè)備、c．激光測距位移傳感器圖2.1相對位移測量設(shè)備圖2.2地表沉降變形2.3深部變形監(jiān)測針對深部變形的原位監(jiān)測設(shè)備包括測斜傳感器,用于深部位移變形量的測量,在其周圍滑坡體上布置測斜孔,每個測斜觀測孔中安裝測斜傳感器,以測定巖土體發(fā)生位移的位置、大小、方向及變化速率,分析判定滑坡體的穩(wěn)定性。監(jiān)測設(shè)備如圖2.3所示,數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖2.4所示。圖2.3測斜儀圖2.4深部變形2.4土壤水分監(jiān)測水分變化的監(jiān)測主要通過水分傳感器以及ERT電法設(shè)備完成。傳感器采用挖井到預(yù)定深度后,從側(cè)壁插入的方法安裝,以保證傳感器插在原狀土中。監(jiān)測設(shè)備如圖2.5所示,數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖2.6所示。圖2.5安裝土壤水分傳感器安裝圖2.6土壤含水率水分監(jiān)測還可以通過TL-ERT〔高密度電法的方法來取,在垂直于斜坡方向?qū)㈦姌O等間距插入。監(jiān)測設(shè)備如圖2.7所示。a．現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備b．樣機c．采集軟件圖2.7TL-ERTTL-ERT設(shè)備監(jiān)測得到的視電阻率數(shù)據(jù)進行反演分析,得到反演的電阻率剖面,提取傳感器對應(yīng)位置的電阻率數(shù)據(jù),得到不同時刻,多個位置的電阻率、含水率數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)進行分析,建立含水率與電阻率的關(guān)系。數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖2.6所示。圖2.8土壤含水率2.5地下水水位、孔壓監(jiān)測斜坡剖面監(jiān)測點的地下水位變化主要采用水位傳感器,用XX鏟打孔,再投入一定深度,固定水位傳感器。監(jiān)測設(shè)備如圖2.5所示,數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖2.6所示。圖2.9水位傳感器圖2.10地下水水位2.6數(shù)據(jù)中心基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立了數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng),設(shè)置采樣間隔時間,所有數(shù)據(jù)均上傳到數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心后,可以通過網(wǎng)頁、手機對數(shù)據(jù)進行實時查看〔圖2.11,也可查看并下載歷史數(shù)據(jù)。圖2.11數(shù)據(jù)中心第三章預(yù)警平臺3.1預(yù)警平臺基本介紹基于地質(zhì)災(zāi)害原位監(jiān)測與物聯(lián)網(wǎng)平臺,災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)的采集與存儲、數(shù)據(jù)的顯示與預(yù)警以及信息推送。災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)可以對采集到的數(shù)據(jù)進行實時的顯示和處理,數(shù)據(jù)的顯示與預(yù)警包括三個層次,層次一：監(jiān)測數(shù)據(jù)閥值預(yù)警；層次二：單一因素滑坡發(fā)生時間預(yù)測；綜合因素滑坡發(fā)生時間預(yù)測；層次三：氣象預(yù)警,三個層次地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警的技術(shù)路線如圖3.1所示。圖3.1預(yù)警平臺技術(shù)路線3.2預(yù)警平臺層次一3.1.1閥值預(yù)警預(yù)警平臺層次一中的闕值預(yù)警,是將布設(shè)的傳感器預(yù)設(shè)一定的變形標(biāo)準(zhǔn),任何一個傳感器測量到的實際值達到闕值,發(fā)出預(yù)警信息。根據(jù)研究區(qū)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)〔水分、變形等曲線,找到加速變形階段,設(shè)置預(yù)警閾值,如圖3.2所示。圖3.2閥值預(yù)警回歸分析預(yù)警趨勢預(yù)測方法,利用統(tǒng)計學(xué)中的線性回歸分析方法,實時擬合傳感器數(shù)據(jù),做出分析評價,并給出變形的發(fā)展趨勢。這里面有單因素的和多因素的兩種類型。多元回歸分析反映了預(yù)報量和和各因素之間的依賴關(guān)系,最后可結(jié)合闕值預(yù)警方法確定是否給出預(yù)警信息。多元線性回歸是一種數(shù)理統(tǒng)計方法,通過計算公式和根據(jù)反映回歸效果的所需要的參數(shù),篩選出影響因子最大的顯著要素。在將顯著要素的數(shù)據(jù)與地質(zhì)體的位置參數(shù)相結(jié)合,確定預(yù)警模型,最后要對回歸方程進行校驗〔圖3.3。圖3.3多元線性回歸分析流程3.2預(yù)警平臺層次二3.2.1模糊數(shù)學(xué)預(yù)警基于模糊數(shù)學(xué)〔AHP的分析方法,設(shè)置不同的模糊數(shù)學(xué)判斷準(zhǔn)則,輸入多個傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù),利用模糊數(shù)學(xué)方法將黃土崩滑地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型進行定量轉(zhuǎn)化,根據(jù)這些數(shù)據(jù)綜合給出預(yù)警信息。地質(zhì)災(zāi)害受各種因素及作用方式的影響,而各因素同時又具有一定的不確定性隨機性、模糊性和信息不完全性和復(fù)雜性。王家鼎教授曾提出了信息分配、信息擴散概念,初步建立了模糊信息優(yōu)化處理理論體系。該套地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警平臺將應(yīng)用模糊信息優(yōu)化處理理論對傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù),基于模糊數(shù)學(xué)計算分析的預(yù)警亭臺技術(shù)路線如圖3.4。圖3.4模糊數(shù)學(xué)優(yōu)化處理將各個監(jiān)測設(shè)備〔不同傳感器及不同地質(zhì)條件下的數(shù)據(jù)進行模擬計算,并運用模糊數(shù)學(xué)等概率統(tǒng)計模型將其綜合在一起預(yù)測災(zāi)害發(fā)生時間,如圖3.3所示。圖3.3綜合預(yù)警3.2.2灰色理論預(yù)警方法四：灰色理論方法,根據(jù)單一或多個傳感器信息,對數(shù)據(jù)進行處理,分析變形發(fā)展趨勢,并求出最優(yōu)解〔如圖3.4,給出預(yù)警信息。圖3.4灰色理論求最優(yōu)解選取位移和水分作為獨立的滑坡臨滑參數(shù),運用最小二乘法對數(shù)據(jù)曲線進行擬合計算,并運用灰色理論模型GM〔1,1〔如圖3.5預(yù)測災(zāi)害發(fā)生時間。圖3.5基于灰色理論預(yù)測3.2.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)警基于深度學(xué)習(xí)的預(yù)警方法,建立樣本庫、專家?guī)臁⒅R庫,通過深度學(xué)習(xí)算法,確定預(yù)測模型〔一般是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,輸入數(shù)據(jù),輸出結(jié)果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法也稱訓(xùn)練,指的是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所在環(huán)境的刺激作用調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)權(quán)值和閩值,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以一種新的方式對外部環(huán)境做出反應(yīng)的一個過程〔圖3.6。圖3.6人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3.3預(yù)警平臺層次三3.3.1力學(xué)方法預(yù)警方法六：力學(xué)方法為基礎(chǔ)的,以前面計算模型為基礎(chǔ),建立誘發(fā)因素與穩(wěn)定性關(guān)系的曲線,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)或預(yù)測值〔一般是降雨量,確定斜坡穩(wěn)定性狀態(tài)。以斜坡監(jiān)測,場地為例根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的各剖面數(shù)據(jù)計算結(jié)果,結(jié)合室內(nèi)試驗得到的材料參數(shù),基于極限平衡理論建立一維、二維非飽和有限元模型〔如圖3.6,通過模擬計算確定降雨與安全系數(shù)的關(guān)系,并以此為基礎(chǔ)在其他地區(qū)進行擴展研究。圖3.6力學(xué)模型局部安全系數(shù)法的基本思路是在斜坡各點定義一個可以代表該處穩(wěn)定性的標(biāo)量。該系數(shù)是一種隨時間和空間不斷變化的標(biāo)量場,可以據(jù)此判斷斜坡各個區(qū)域已發(fā)生了破壞還是處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖3.7斜坡狀態(tài)3.3.2概率模型預(yù)警建立地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警概率模型,以地形地貌數(shù)據(jù)為背景、監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合氣象中的降雨量數(shù)據(jù),把一種因素導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害概率化。模型參數(shù)包括地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃、降水影響系數(shù),降水預(yù)報,建立預(yù)報模型和預(yù)警模型,地質(zhì)體的降雨臨界值是發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害,從而發(fā)出預(yù)警信息的關(guān)鍵,通過對地質(zhì)體與雨量相關(guān)性、降雨型地質(zhì)災(zāi)害啟動值等對災(zāi)害預(yù)警的時間概率、空間概率及預(yù)警概率進行分析,計算危險區(qū)內(nèi)已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害頻率和降雨型地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率,得到降雨型地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警概率使得預(yù)警系統(tǒng)更加可靠。下圖以滑坡地質(zhì)災(zāi)害為利,展示了處理流程。圖3.8滑坡系統(tǒng)預(yù)警結(jié)構(gòu)3.3.3"3S"技術(shù)預(yù)警利用"3S"〔GIS、RS、GPS技術(shù),首先獲取預(yù)警區(qū)地形地貌等地質(zhì)大調(diào)查資料,結(jié)合監(jiān)測獲得的各種數(shù)據(jù),利用空間分析和柵格計算,對預(yù)警區(qū)進行風(fēng)險分區(qū),并且對劃分區(qū)域加入降雨量資料,確定"最佳組合因子",從而進行確定并發(fā)送預(yù)警信息。建立準(zhǔn)確及時的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)需要實時有效的監(jiān)測手段提供技術(shù)支持,而GPS能夠?qū)崟r快速的提供目標(biāo)的空間位置和地表變形監(jiān)測尤其是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和CORS系統(tǒng)的快速發(fā)展大大提高了測繪工作的精度速度和效率；RS可以實時、快速的提供大面積地表物體及其環(huán)境的幾何與地理信息及各種變化。高分辨率和多源遙感圖像融合技術(shù)的發(fā)展,大大提高了圖像的解譯能力,圖像判讀的可靠性和數(shù)據(jù)分類和目標(biāo)識別的準(zhǔn)確性。GIS可作為多源時空數(shù)據(jù)的綜合處理和應(yīng)用分析的平臺。云GIS的發(fā)展改變了用戶傳統(tǒng)的GIS應(yīng)用方法和建設(shè)模式以更友好的方式、低成本、高效率地使用地理信息資源。圖3.8"3S"技術(shù)預(yù)警結(jié)構(gòu)第四章總結(jié)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)是基于原位監(jiān)測工作獲得的各類數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)〔如圖4.1,"多樣化"的利用三個層次的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息生成方法分別實時顯示或預(yù)測。發(fā)布的預(yù)警信息既具有實時性,又可以做出科學(xué)性的預(yù)測,地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)既可以將各種因素融合為整體分析,也可以對單一因素進行分析,還創(chuàng)新性地將多種數(shù)學(xué)理論和跨學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)入其中,形成了一套完整、實用、科學(xué)的預(yù)警系統(tǒng)。預(yù)警平臺會根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時運行,一旦數(shù)據(jù)超過安全范圍就會發(fā)送報警信息〔如圖4.2。圖4.1XX黃土崩滑地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)圖4.2預(yù)警信息發(fā)送參考文獻[1]張雨晴.XX黑方臺黃土滑坡系統(tǒng)分析[D].西北大學(xué),2007.[2]韋浩.多元回歸分析法在滑坡空間預(yù)測中的應(yīng)用——以耀州區(qū)為例[D].長安大學(xué),2011.[3]司康平.基于GIS的滑坡災(zāi)害空間預(yù)測:方法比較及因子重要性分析——以XX市為例[D].北京大學(xué),2009.[4]喬建平,楊宗佶,田宏嶺.降雨滑坡預(yù)警的概率分析方法[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2009,17<3>:343-348.[5]司大剛,李風(fēng)賢,馮小東,等.基于3S技術(shù)的數(shù)字滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警方法探討研究[J].科技視界,2014<14>:47-47.[6]唐亞明,張茂省,薛強,等.滑坡監(jiān)測預(yù)警國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及評述[J].地質(zhì)論評,2012,58<3>:533-541.[7]章書成,余XX.泥石流早期警報系統(tǒng)[J].山地學(xué)報,2010,28<3>:379-384.[8]徐進軍,王海城,羅喻真,等.基于三維激光掃描的滑坡變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理[J].巖土力學(xué),2010,31<7>:2188-2191.[9]劉興權(quán),姜群鷗,戰(zhàn)金艷.地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報模型設(shè)計與應(yīng)用[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2008,16<