一种基于地球物理的地面沉降预警监测系统

摘要

本发明公开了一种基于地球物理的地面沉降预警监测系统，属于道路工程领域，用于解决无法实时监管沉降变形的环境因素和外在因素和无法对地面沉降形变程度进行等级划分，并匹配相应监管预警力度的问题，包括数据分析模块、环境监测模块、区域划分模块和预警分级模块，环境监测模块用于对地面所在区域的环境因素进行的分析监测，区域划分模块依据环影值和外影值对监测区域进行等级划分，数据分析模块用于对地面数据进行分析，分析得到位移均量，预警分级模块用于对沉降区域进行预警分级，本发明实时监管沉降变形的环境因素和外在因素，同时对地面沉降形变程度进行等级划分，从而匹配相应的监管预警力度。

说明书

技术领域

本发明属于道路工程领域，涉及地面沉降监测技术，具体是一种基于地球物理的地面沉降预警监测系统。

背景技术

地面沉降指地面下沉的现象，是目前主要工程地质问题，它一般表现为区域性下沉和局部下沉两种形式，可引起建筑物倾斜，破坏地基的稳定性，滨海城市会造成海水倒灌，给生产和生活带来很大影响，而造成地面沉降的原因很多，地壳运动、海平面上升等会引起区域性沉降，引起城市局部地面沉降的主要原因则与大量开采地下水有密切关系；

在地面沉降变形预警监测中，很难实时监管沉降变形的环境因素、外在因素；同时也没有将地面的沉降形变程度进行等级划分，并依据等级匹配相应的监管预警力度；

为此，我们提出一种基于地球物理的地面沉降预警监测系统。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于地球物理的地面沉降预警监测系统。

本发明所要解决的技术问题为：

（1）如何在地面沉降变形预警监测中，做到实时监管沉降变形的环境因素和外在因素的问题；

（2）如何对地面的沉降形变程度进行等级划分，并匹配相应监管预警力度的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于地球物理的地面沉降预警监测系统，包括数据采集模块、数据分析模块、用户终端、环境监测模块、区域划分模块、预警分级模块和服务器；

所述环境监测模块用于对地面所在区域的环境因素进行的分析监测，分析监测得到监测区域的环影值和外影值；所述环境监测模块将监测区域的环影值和外影值发送至服务器，所述服务器将接收到的监测区域的环影值和外影值转发至区域划分模块，所述区域划分模块依据环影值和外影值对监测区域进行等级划分，等级划分步骤具体如下：

步骤SS1：若HYu≥X1且WYu≥X2，则判定监测区域为高危沉降区域，生成高危预警信号；

步骤SS2：若HYu＜X1且WYu≥X2，则判定监测区域为中危沉降区域，生成中危预警信号；

若HYu≥X1且WYu＜X2，则判定监测区域为中危沉降区域，生成中危预警信号；

步骤SS3：若HYu＜X1且WYu＜X2，则判定监测区域为低危沉降区域，生成低危预警信号；

所述区域划分模块将高危预警信号、中危预警信号和低危预警信号反馈至预警分级模块和服务器；所述预警分级模块分别为高危沉降区域、中危沉降区域和低危沉降区域设定预警分级系数；

所述服务器将高危预警信号发送至对应的用户终端，地面管理人员在指定时间内达到高危预警信号对应的地面所在区域，地面管理人员通过地面监测设备采集当前区域的地面沉降数据，并将地面沉降数据发送至服务器；

所述服务器将地面沉降数据发送至数据分析模块；所述数据分析模块用于对地面数据进行分析，分析得到位移均量；所述数据分析模块将高危预警信号对应监测区域的位移均量发送至服务器，所述服务器将位移均量转发至区域划分模块；

所述预警分级模块接收到紧急预警信号、高危预警信号、中危预警信号和低危预警信号后，用于对沉降区域进行预警分级；所述预警分级模块将调整的管理人员数和预警设备数反馈至服务器。

进一步地，所述数据采集模块用于采集地面环境数据，并将地面数据发送至服务器内进行存储；所述地面数据包括地面宽度、地面裂缝数、地面裂缝长度、地坪层数、地坪厚度、表面位移量、深部位移量、沉降位移量、地面图片数据、地面所在区域的土壤含水率、地面所在区域的降雨量、地面所在区域的植被数、地面所在区域的人流量和车流量、地面所在区域的建筑物数和地面所在区域以往发生沉降的次数；

若干个用户终端与服务器相连接，用户终端用于地面管理人员输入个人信息后进行注册登录，并将个人信息发送至服务器内进行存储；

个人信息包括人员姓名、手机号码、入职时间、个人照片和负责的地面区域。

进一步地，所述环境监测模块的分析监测过程具体如下：

步骤S1：获取监测区域内的野外监测站，并将监测区域内的野外监测站标记为ui，同时监测区域内野外监测站的数量记为Jui；

步骤S2：获取监测区域内野外监测站采集到的降雨量JYui和土壤含水率TSui，计算均值后得到监测区域的降雨均量JYu和土壤含水均率TSu；获取监测区域内野外监测站采集到的植被数，并将植被数标记为ZBui，每个野外监测站采集到的植被数相加得到监测区域的植被总数ZBu；

步骤S3：利用公式

步骤S4：获取监测区域内野外监测站采集到的车流量和人流量，计算均值后得到车流均量CLu和人流均量RLu；获取每个监测区域的图片数据，依据图片数据得到监测区域内的裂缝和裂缝数，提取监测区域内每个裂缝的轮廓图，计算得到若干个裂缝轮廓图的长度，监测区域内若干个裂缝轮廓图的长度相加得到监测区域的裂缝长度LFu；获取监测区域内的建筑物数JZu和以往发生沉降次数CJu；

步骤S5：利用公式

进一步地，所述数据分析模块的分析过程具体如下：

步骤P1：获取地面管理人员所在地面的原始高程和当前高程，并将记录原始高程和当前高程对应的时间点；

步骤P2：地面的原始高程减去当前高程计算得到地面的累积沉降量，原始高程的时间减去当前高程的时间得到沉降时间；

步骤P3：累积沉降量/沉降时间得到地面管理人员所在地面的沉降速率；

步骤P4：将沉降速率代入沉降预警模型，若沉降速率符合沉降预警模型，则进入下一步骤，若沉降速率不符合沉降预警模型，则地面管理人员对地面沉降数据进行重新获取；

步骤P5：获取地面管理人员所在地面的表面位移量和深部位移量，两者计算均值后得到位移均量。

进一步地，所述预警分级模块的预警分级步骤具体如下：

步骤一：依据沉降区域原有等级得到对应的预警力度，预警力度具体包括管理人员数和预警设备数，将原有的管理人员数和预警设备数分别记为R1Yu和S1Bu；

步骤二：获取前一月时间内每个沉降区域的管理人员数，计算平均值后得到每天的管理人员数JR1Yu；获取前一月时间内每个沉降区域的预警设备数，计算平均值后得到每天的预警设备数JS1Bu；

步骤三：获取沉降区域当前等级每天对应的管理人员数和预警设备数，并分别标记为JR2Yu和JS2Bu；

步骤四：利用公式YF1u=JR1Yu×c1+JS1Bu×c2计算得到沉降区域原有等级对应的预防值YF1u；利用公式YF2u=JR2Yu×c1+JS2Bu×c2计算得到沉降区域当前等级对应的预防值YF2u；

步骤五：若预防值YF1u大于等于预防值YF2u，则沉降区域的预警力度无需调整；若预防值YF1u小于预防值YF2u，则沉降区域的预警力度需要调整，进入下一步骤；

步骤六：计算预防值YF1u与预防值YF2u之间的差值，并按照相应的权重系数对管理人员数和预警设备数进行调整。

进一步地，高危沉降区域的预警分级系数大于中危沉降区域的预警分级系数，中危沉降区域的预警分级系数大于低危沉降区域的预警分级系数。

进一步地，所述区域划分模块接收到位移均量后，用于对高危沉降区域的高危预警信号进行升级，过程具体如下：

步骤W1：获取高危沉降区域的预警分级系数α；

步骤W2：依据高危沉降区域的车流量和人流量，结合公式TLu=CLu×b1+RLu×b2计算得到监测区域的通流量TLu；将监测区域的位移均量记为WJu；

步骤W3：通过公式

步骤W4：若高危沉降区域的危险值大于设定阈值，则生成紧急预警信号；

所述区域划分模块将紧急预警信号发送至预警分级模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过环境监测模块对地面所在区域的环境因素进行的分析监测，依据监测区域的降雨均量、土壤含水均率和植被总数计算得到监测区域的环影值，而后依据监测区域的车流均量、人流均量和裂缝长度、建筑物数和以往发生沉降次数计算得到监测区域的外影值，本发明在地面沉降变形预警监测中，做到实时监管地面沉降变形的环境因素和外在因素；

2、本发明通过环境监测模块将环影值和外影值发送至服务器，区域划分模块依据环影值和外影值用于对监测区域进行等级划分，环影值、外影值分别与阈值比对后判定高危沉降区域、中危沉降区域和低危沉降区域，方便对地面的沉降形变程度进行等级划分；

3、本发明将高危预警信号发送至对应的用户终端，地面管理人员在指定时间内达到指定区域采集地面沉降数据，通过数据分析模块对地面数据进行分析，依据累积沉降量和沉降时间得到沉降速率，将沉降速率代入沉降预警模型后，计算表面位移量和深部位移量的均值后得到位移均量，位移均量发送至区域划分模块后对高危沉降区域的高危预警信号进行升级，依据高危沉降区域的预警分级系数和通流量得到高危沉降区域的危险值，高危沉降区域的危险值比对设定阈值后生成紧急预警信号，预警分级模块接收到紧急预警信号、高危预警信号、中危预警信号和低危预警信号后，通过预警分级模块对沉降区域进行预警分级，通过对地面沉降形变程度进行等级划分，从而依据等级匹配相应监管预警力度。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明；

图1为本发明的系统框图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，一种基于地球物理的地面沉降预警监测系统，包括数据采集模块、数据分析模块、任务分配模块、用户终端、环境监测模块、布局优化模块、区域划分模块、预警分级模块和服务器；

数据采集模块用于采集地面环境数据，并将地面数据发送至服务器内进行存储；地面数据包括地面宽度、地面裂缝数、地面裂缝长度、地坪层数、地坪厚度、表面位移量、深部位移量、沉降位移量、地面图片数据、地面所在区域的土壤含水率、地面所在区域的降雨量、地面所在区域的植被数、地面所在区域的人流量和车流量、地面所在区域的建筑物数、地面所在区域以往发生沉降的次数等；数据采集模块具体为设置在地面所在区域的多个野外监测站；

若干个用户终端与服务器相连接，用户终端用于地面管理人员输入个人信息后进行注册登录，并将个人信息发送至服务器内进行存储；个人信息包括人员姓名、手机号码、入职时间、个人照片、负责的地面区域等；

在具体实施时，区域划分模块用于对系统监测范围进行区域划分，将系统监测范围划分为若干个监测区域u，u=1，2，……，z，u代表监测区域，z为正整数；

环境监测模块用于对地面所在区域的环境因素进行的分析监测，分析监测过程具体如下：

步骤S1：获取监测区域内的野外监测站，并将监测区域内的野外监测站标记为ui，同时监测区域内野外监测站的数量记为Jui，i=1，2，……，x，i代表野外监测站的编号，x为正整数；

步骤S2：获取监测区域内野外监测站采集到的降雨量JYui和土壤含水率TSui，计算均值后得到监测区域的降雨均量JYu和土壤含水均率TSu；获取监测区域内野外监测站采集到的植被数，并将植被数标记为ZBui，每个野外监测站采集到的植被数相加得到监测区域的植被总数ZBu；

步骤S3：利用公式

步骤S4：获取监测区域内野外监测站采集到的车流量和人流量，计算均值后得到车流均量CLu和人流均量RLu；通过卫星技术获取每个监测区域的图片数据，依据图片数据得到监测区域内的裂缝和裂缝数，提取监测区域内每个裂缝的轮廓图，通过opencv计算得到若干个裂缝轮廓图的长度，监测区域内若干个裂缝轮廓图的长度相加得到监测区域的裂缝长度LFu；获取监测区域内的建筑物数JZu和以往发生沉降次数CJu；

需要具体说明的是：opencv是一个基于BSD许可（开源）发行的跨平台计算机视觉和机器学习软件库，可以运行在Linux、Windows、Android和Mac OS操作系统上。它轻量级而且高效——由一系列 C 函数和少量 C++ 类构成，同时提供了Python、Ruby、MATLAB等语言的接口，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法，为现有公开的成熟技术，在此不作具体赘述；

步骤S5：利用公式

，式中a3和a4比例系数固定数值，且a3和a4的取值均大于零；

环境监测模块将监测区域的环影值和外影值发送至服务器，服务器将接收到的监测区域的环影值和外影值转发至区域划分模块，区域划分模块还依据环影值和外影值用于对监测区域进行等级划分，等级划分步骤具体如下：

步骤SS1：若HYu≥X1且WYu≥X2，则判定监测区域为高危沉降区域，生成高危预警信号；

步骤SS2：若HYu＜X1且WYu≥X2，则判定监测区域为中危沉降区域，生成中危预警信号；

若HYu≥X1且WYu＜X2，则判定监测区域为中危沉降区域，生成中危预警信号；

步骤SS3：若HYu＜X1且WYu＜X2，则判定监测区域为低危沉降区域，生成低危预警信号；式中；X1与HYu相对应，X2与WYu相对应，X1为环影阈值，X2为外影阈值，且X1和X2均为固定数值；

在具体实施时，环影阈值和外影阈值可以根据监测区域以往的沉降次数、建筑物数、车辆量、年降雨量、土壤含水率、表面位移量、深部位移量、沉降位移量等因素，并结合实际情况预测演练后对其进行科学设定；

区域划分模块将高危预警信号、中危预警信号和低危预警信号反馈至预警分级模块和服务器；

预警分级模块分别为高危沉降区域、中危沉降区域和低危沉降区域设定预警分级系数，预警分级系数记为α；其中，高危沉降区域的预警分级系数大于中危沉降区域的预警分级系数，中危沉降区域的预警分级系数大于低危沉降区域的预警分级系数；

在具体实施时，高危沉降区域的预警分级系数可以为2.2，中危沉降区域的预警分级系数可以为1.5，低危沉降区域的预警分级系数可以为1.1；

服务器将高危预警信号发送至对应的用户终端，地面管理人员在指定时间内达到高危预警信号对应的地面所在区域，地面管理人员通过地面监测设备采集当前区域的地面沉降数据，并将地面沉降数据发送至服务器；

在具体实施时，地面监测设备可以是电阻式位移传感器、流量计、差动变压器式传感器、水准仪、全站仪中的一种或者多种，但不局限于此；

需要具体说明的是：地面沉降数据具体为实际的地面宽度、地面裂缝数和裂缝长度、地坪层数和厚度、表面位移量、深部位移量、沉降位移量、土壤含水率、植被数、实际的人流量和车流量等；

服务器将地面沉降数据发送至数据分析模块；数据分析模块用于对地面数据进行分析，分析过程具体如下：

步骤P1：获取地面管理人员所在地面的原始高程和当前高程，并将记录原始高程和当前高程对应的时间点；

步骤P2：地面的原始高程减去当前高程计算得到地面的累积沉降量，原始高程的时间减去当前高程的时间得到沉降时间；

步骤P3：累积沉降量/沉降时间得到地面管理人员所在地面的沉降速率；

步骤P4：将沉降速率代入沉降预警模型，若沉降速率符合沉降预警模型，则进入下一步骤，若沉降速率不符合沉降预警模型，则地面管理人员对地面沉降数据进行重新获取；

步骤P5：获取地面管理人员所在地面的表面位移量和深部位移量，两者计算均值后得到位移均量；

需要具体说明的是：沉降预警模型是通过双曲线法构建得来，双曲线法主要是对地面监测获得的沉降量，绘制地面沉降量s—时间t的变形过程曲线图，在该方法中，假定沉降量s与时间 t按“沉降平均速度呈双曲线递减”的规律变化，其表达式有两种：

式中：s

s

s

t

t——从开始监测（或参照时刻）到T时刻的监测时间，d；

α和β为待求参数；

可将式（1）改写为：

当假设有n组监测数据时，可以得到以α、β为未知量的方程组，可表示为：

其中，

用最小二乘法求解线性回归后的α、β值，对式（5）两边各左乘，化简后，可得到：

从而解得：

将求得的a、β和t

s

数据分析模块将高危预警信号对应监测区域的位移均量发送至服务器，服务器将位移均量转发至区域划分模块；区域划分模块接收到位移均量后，还用于对高危沉降区域的高危预警信号进行升级，过程具体如下：

步骤W1：获取高危沉降区域的预警分级系数α；

步骤W2：依据高危沉降区域的车流量和人流量，结合公式TLu=CLu×b1+RLu×b2计算得到监测区域的通流量TLu；将监测区域的位移均量记为WJu；

步骤W3：通过公式

步骤W4：若高危沉降区域的危险值大于设定阈值，则生成紧急预警信号；

区域划分模块将紧急预警信号发送至预警分级模块；

预警分级模块接收到紧急预警信号、高危预警信号、中危预警信号和低危预警信号后，用于对沉降区域进行预警分级，预警分级步骤具体如下：

步骤一：依据沉降区域原有等级得到对应的预警力度，预警力度具体包括管理人员数和预警设备数，将原有的管理人员数和预警设备数分别记为R1Yu和S1Bu；

步骤二：获取前一月时间内每个沉降区域的管理人员数，计算平均值后得到每天的管理人员数JR1Yu；获取前一月时间内每个沉降区域的预警设备数，计算平均值后得到每天的预警设备数JS1Bu；

步骤三：获取沉降区域当前等级每天对应的管理人员数和预警设备数，并分别标记为JR2Yu和JS2Bu；

步骤四：利用公式YF1u=JR1Yu×c1+JS1Bu×c2计算得到沉降区域原有等级对应的预防值YF1u；利用公式YF2u=JR2Yu×c1+JS2Bu×c2计算得到沉降区域当前等级对应的预防值YF2u；式中，c1和c2均为权重系数，且c1和c2的取值均大于零；

步骤五：若预防值YF1u大于等于预防值YF2u，则沉降区域的预警力度无需调整；若预防值YF1u小于预防值YF2u，则沉降区域的预警力度需要调整，进入下一步骤；

步骤六：计算预防值YF1u与预防值YF2u之间的差值，并按照相应的权重系数对管理人员数和预警设备数进行调整；

预警分级模块将调整的管理人员数和预警设备数反馈至服务器；

系统还包括任务分配模块，任务分配模块用于对高危沉降区域的监测任务进行智能分配，分配过程具体如下：

Q1：获取与服务器相连接的用户终端，并将用户终端对应的地面管理人员记d，d=1，2，……，v，v为正整数；

Q2：将高危沉降区域点化设置，并以高危沉降区域为原点建立坐标系，通过距离公式计算得出地面管理人员与原点的距离JLd；

Q3：若距离JLd小于设定距离阈值，则将地面管理人员记为待定人选；

Q4：依据系统当前时间和用户终端的首次注册登录时间，依据时间差计算得到待定人选的就职时长JCd；

Q5：获取待定人选的监测总量JZd、监测总时长JZTd和当前待监测量DJd；利用监测总时长/监测总量得到监测均时JTd；

Q6：结合公式计算得到待定人选的监测值JCd，公式具大于下：

Q7：将监测值进行排序，选择最大值对应的待定人选为高危沉降区域的监测任务的监测人员，该地面管理人员的监测总量增加一次；

任务分配模块将高危沉降区域的监测任务发送至对应的用户终端，用户终端处的地面管理人员接收到任务后点击确认，并在指定时间内达到高危沉降区域，若未能按时抵达，则扣除监测总量，并重新选取监测人员。

一种基于地球物理的地面沉降预警监测系统，工作时，通过数据采集模块采集地面环境数据，并将地面数据发送至服务器内进行存储，而后通过环境监测模块对地面所在区域的环境因素进行的分析监测，依据监测区域的降雨均量JYu、土壤含水均率TSu和植被总数ZBu，利用公式

环境监测模块将监测区域的环影值和外影值发送至服务器，服务器将接收到的监测区域的环影值和外影值转发至区域划分模块，区域划分模块依据环影值和外影值用于对监测区域进行等级划分，若HYu≥X1且WYu≥X2，则判定监测区域为高危沉降区域，生成高危预警信号，若HYu＜X1且WYu≥X2、若HYu≥X1且WYu＜X2，则判定监测区域为中危沉降区域，生成中危预警信号，若HYu＜X1且WYu＜X2，则判定监测区域为低危沉降区域，生成低危预警信号；

区域划分模块将高危预警信号、中危预警信号和低危预警信号反馈至预警分级模块和服务器，服务器将高危预警信号发送至对应的用户终端，地面管理人员在指定时间内达到高危预警信号对应的地面所在区域，地面管理人员通过地面监测设备采集当前区域的地面沉降数据，并将地面沉降数据发送至服务器，服务器将地面沉降数据发送至数据分析模块，通过数据分析模块对地面数据进行分析，获取地面管理人员所在地面的原始高程和当前高程，并将记录原始高程和当前高程对应的时间点，地面的原始高程减去当前高程计算得到地面的累积沉降量，原始高程的时间减去当前高程的时间得到沉降时间，累积沉降量/沉降时间得到地面管理人员所在地面的沉降速率，将沉降速率代入沉降预警模型，若沉降速率符合沉降预警模型，进一步获取地面管理人员所在地面的表面位移量和深部位移量，两者计算均值后得到位移均量，数据分析模块将高危预警信号对应监测区域的位移均量发送至服务器，服务器将位移均量转发至区域划分模块；

区域划分模块接收到位移均量后，从而对高危沉降区域的高危预警信号进行升级，获取高危沉降区域的预警分级系数α，依据高危沉降区域的车流量和人流量，结合公式TLu=CLu×b1+RLu×b2计算得到监测区域的通流量TLu，而后通过公式

预警分级模块接收到紧急预警信号、高危预警信号、中危预警信号和低危预警信号后，通过预警分级模块对沉降区域进行预警分级，依据沉降区域原有等级得到对应的预警力度，获取沉降区域每天的管理人员数JR1Yu和每天的预警设备数JS1Bu，利用公式YF1u=JR1Yu×c1+JS1Bu×c2计算得到沉降区域原有等级对应的预防值YF1u，而后获取沉降区域当前等级每天对应的管理人员数JR2Yu和预警设备数JS2Bu，利用公式YF2u=JR2Yu×c1+JS2Bu×c2计算得到沉降区域当前等级对应的预防值YF2u，若预防值YF1u大于等于预防值YF2u，则沉降区域的预警力度无需调整，若预防值YF1u小于预防值YF2u，则沉降区域的预警力度需要调整，计算防值YF1u与预防值YF2u之间的差值，并按照相应的权重系数对管理人员数和预警设备数进行调整，预警分级模块将调整的管理人员数和预警设备数反馈至服务器；

同时，还通过任务分配模块对高危沉降区域的监测任务进行智能分配，将高危沉降区域点化设置，并以高危沉降区域为原点建立坐标系，通过距离公式计算得出地面管理人员与原点的距离JLd，若距离JLd小于设定距离阈值，则将地面管理人员记为待定人选，依据待定人选的就职时长JCd、监测总量JZd、当前待监测量DJd和JTd，结合公式

上述公式均是去量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况进行设置。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。