基于动态数据驱动技术的地质灾害监测预警研究

摘要

地质灾害监测预警是地质灾害减灾防灾过程中的重要一环，是提升地质灾害减灾防灾信息化能力建设重要技术之一。随着山区工程建设规模及范围的不断扩大，不可避免会诱发大量地质灾害，严重威胁着社会与经济可持续发展。特别是地质条件异常复杂的西部地区，近年来一直受强烈地震影响，形成了大量震后次生地质灾害及震裂山体，对山区城镇及村社构成了巨大的威胁。在此背景条件下，本文基于地质灾害诱发因素与形成机理研究成果，结合新一代信息技术，包括动态数据驱动技术、多源数据可视化技术及监测数据实时传输技术等，研发新一代标准化、规范化地质灾害实时监测预警系统，实现地质灾害监测数据动态获取、快速处理与分析;预警模型的动态调用，快速评价等功能，促进地质灾害防灾减灾的信息化水平，成果与结论主要包括:
　　(1)构建了基于动态数据服务流技术的地质灾害实时监测预警系统方法体系。动态数据驱动技术是在没有精确数学模型的条件下，通过利用数据处理与分析方法实现系统诊断与控制的技术。利用动态数据驱动技术进行地质灾害实时监测预警研究具有一定优势。主要包括:
　　①动态数据驱动应用系统将仿真系统和实际系统进行了有机结合，可以实现仿真系统与实际系统动态响应与动态控制，使模型分析结果更为可靠。
　　②基于动态数据驱动应用系统原理，地质灾害实时监测预警系统构建步骤主要包括:基础信息采集→历史数据分析→构建原始模型（监测数据服务流、预警模型服务流）→实时监测，反馈校正。
　　(2)系统总结了地质灾害常规监测技术，重点分析了监测曲线处理与分析方法。崩滑体灾害包括:变形监测、环境监测（降雨、地下水等）及诱发因素监测。泥石流监测包括:水源监测、物源监测及泥石流运动过程监测等。地质灾害监测数据常规处理与分析技术主要包括:
　　①常规监测数据处理方法有比较法、作图法、统计法与关键因素分析法四类。
　　②常规监测曲线包括单指标曲线分析与多指标联合曲线分析两大类，前者是针对某单独因素进行曲线的绘制与规律分析，主要包括降雨、土壤含水率、渗透压力、地表变形曲线等。后者以两两相关因素进行有效组合，构建多指标的监测组合曲线，便于分析因素之间的相互作用关系，如降雨与含水率、渗透压力及变形的相互关系曲线等。
　　③对比研究应用于地质灾害演化阶段判别的数据拟合分析方法，主要包括灰色GM(1，1)模型、多元非线性相关分析法、卡尔曼滤波法、时间序列模拟分析等。
　　(3)通过总结当前比较成熟的地质灾害预警思路与方法，提出了基于动态数据驱动技术的地质灾害监测预警三大类型，分别为阈值判别的预警、过程跟踪的预警以及时空信息综合分析预警。在此基础上，构建地质灾害预警模型库，实现不同类型的地质灾害预警模型动态调用，长期优化修正，提高模型的准确性与可靠性。
　　①地质灾害临界阈值预警方法:通过对地质灾害形成机理的认识，确定地质灾害产生的主要控制因素，利用统计分析及数值模拟等方法，构建对应的地质灾害是否会发生的判别依据，得到地质灾害不同条件状态下的预警等级。常用监测指标包括降雨与变形，分别对应降雨临界值与累计变形临界值或临界速率。
　　②地质灾害过程跟踪监测预警方法:利用监测技术手段，以获取一定时期内的监测数据为基础，通过监测数据的分析与评价，并结合到灾害体演化机理的综合过程分析，从而捕捉到斜坡由变形至最终破坏的完整过程。常用变形监测曲线进行切线角分析，包括S-t曲线切线角与T-t曲线切线角。
　　③地质灾害时空演化综合预警方法:滑坡演化过程中会在相应部位产生与其力学性质对应的裂缝，并表现出一定分期配套特征。特别是工程地质条件相似的斜坡，裂缝出现的位置、顺序具有一定规律性。基于此，建立地质灾害时空演化综合预警模型。
　　(4)研发了地质灾害实时监测预警系统，实现数据快速处理、动态曲线生成及预警发布等功能。与传统系统相比，该系统基于动态数据驱动技术，通过预先定制地质灾害监测预警涉及的各个方面内容，实现用户选择定制功能，满足用户数据快速处理与高效利用的数据服务流需求。
　　(5)系统应用效果分析:以甘肃省黑方台滑坡、清平泥石流为示范区，检验服务流引擎与模型库，及在动态数据驱动技术支撑下的功能模块。系统成功实现了黑方台陈家沟CJ6＃滑坡的实时预警过程，也在文家沟泥石流预警过程中得到较好的应用，避免了人员伤亡与财产损失。应用结果表明本文所取得研究成果具有一定的实用性与可靠性，可在类似地区进行推广应用。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据与研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 地质灾害监测技术研究国内外现状

1．2．2 地质灾害预警模型国内外研究现状

1．2．3 动态数据驱动技术国内外研究现状

1．3 研究技术路线

1．4 主要工作与取得的成果

1．4．1 主要工作

1．4．2 取得的成果

第2章 动态数据驱动技术的基本理论与方法

2．1 动态数据驱动的定义

2．2 动态数据驱动技术的基本理论

2．3 动态数据驱动技术的实现——服务流引擎

2．3．1 工作流技术

2．3．2 Web Service技术

2．3．3 服务流引擎技术

2．4 小结

第3章 基于动态数据驱动技术的地质灾害监测预警系统总体设计

3．1 地质灾害预警对数据驱动的需求分析

3．2 基于动态数据驱动技术的应用系统基本原理

3．2．1 动态数据驱动应用系统原理

3．2．2 动态数据驱动应用系统的主要应用领域

3．3 基于动态数据驱动技术的地质灾害监测预警系统架构设计

3．4 与传统的类似系统比较

3．5 基于动态数据驱动原理实现地质灾害监测预警的关键技术

3．6 小结

第4章 基于动态数据驱动技术的地质灾害监测数据快速挖掘分析

4．1 地质灾害监测类型

4．1．1 崩滑体监测类型

4．1．2 泥石流监测类型

4．2 地质灾害监测数据常规处理方法

4．2．1 监测数据常规分析方法

4．2．2 监测数据常规曲线绘制与分析

4．2．3 地质灾害监测数据拟合曲线分析

4．3 基于动态数据驱动技术的地质灾害监测数据处理方法

4．3．1 监测数据诊断及优化处理

4．3．2 监测数据动态服务流设计

4．3．3 监测数据动态服务流实现

4．4 小结

第5章 地质灾害监测预警模型研究与模型库建设

5．1 概述

5．2 基于阈值判别的地质灾害预警方法

5．2．1 阈值判别预警的基本思路

5．2．2 阈值判别预警的主要模型与方法

5．2．3 基于阈值判别方法的典型案例应用

5．3 基于过程跟踪的地质灾害预警模型研究

5．3．1 过程跟踪预警的基本思路

5．3．2 过程跟踪预警的主要模型与方法

5．3．3 基于过程跟踪预警的典型案例应用

5．4 基于时空演化的地质灾害综合预警模型研究

5．4．1 时空演化综合预警的基本思路

5．4．2 时空演化综合预警的主要模型与方法

5．4．3 基于时空演化综合预警的典型案例应用

5．5 地质灾害监测预警模型库建设

5．6 小结

第6章 基于动态数据驱动技术的地质灾害监测预警系统设计与实现

6．1 地质灾害实时监测预警系统总体设计

6．1．1 系统总体设计

6．1．2 系统数据库设计

6．1．3 基于动态数据驱动技术的地质灾害监测预警设计

6．2 动态数据驱动的地质灾害监测预警系统建设关键技术

6．2．1 监测数据动态集成技术

6．2．2 监测曲线实时绘制技术

6．2．3 网络应用程序异步回调技术

6．3 动态数据驱动的地质灾害监测预警系统功能设计与实现

6．3．1 实时监测数据集成

6．3．2 监测数据动态处理

6．3．3 模型的调用与展示

6．4 小结

第7章 基于动态数据驱动技术的地质灾害监测预警系统应用

7．1 甘肃黑方台滑坡监测示范区

7．1．1 监测示范区部署

7．1．2 预警模型与判据

7．1．3 系统应用效果分析

7．2 清平文家沟泥石流监测示范区

7．2．1 监测示范区部署

7．2．2 预警模型与判据

7．2．3 系统应用效果分析

7．3 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果