泥石流沟道中山洪泥石流灾害监测方法技术

本发明专利技术公开一种泥石流沟道中山洪泥石流灾害监测方法。该方法利用山洪泥石流在泥石流沟道中行进时形成的环境噪声数据波形在噪声值大小、衰减特征方面都具体独特性，能够使其自身与其它环境噪声相区分的信号特征，采用滤波分析有效地提取信号中的噪声值与时间特征信息，在解读环境噪声信号样本L沿时间轴的多项衰减、振荡、激发特征后，辨识出山洪泥石流的主要运动特征及其到达监测断面的时间。通过增设监测断面，本发明专利技术能够进一步监测山洪泥石流在监测断面间的位置与其流速。本发明专利技术方法不受环境光线条件、能见度等因素影响，能够很好地解决夜间突发灾害的监测问题。并且监测装置成本低，便于提高监测强度，为野外研究提供更多的灾害运动要素数据。

Monitoring method of flood and debris flow disaster in debris flow gully

【技术实现步骤摘要】
泥石流沟道中山洪泥石流灾害监测方法
本专利技术涉及一种监测方法，特别是涉及一种在泥石流沟道中利用环境噪声信号对山洪泥石流灾害的运动加以监测的方法。属于信号装置
、山区环境灾害防治领域。
技术介绍
山洪泥石流灾害形成主要是由环境条件变化的激发所致。其中最重要的三个环境条件是特定地形地貌条件、丰富的松散土石碎屑固体物质来源、强降雨。此三者也是山区灾害预报研究中用于判断山洪泥石流是否发生的主要标准。从环境噪声的研究角度看，激发山洪泥石流的外部自然活动(如降水、强风、土石运动等等)都能够从环境噪声值的变化中得到体现。并且，环境噪声值的变化特征，还能够反映多山洪泥石流的诸多有研究意义的运动特征。同时，环境噪声数据不受环境光线条件、能见度等条件影响，能够在夜间监测中发挥明显优势。目前，山洪泥石流灾害的监测主要有两类方式：第一类方式是布置超声波物位计、雷达测速仪对通过断面的泥石流进行观测，只能检测到泥位、流速(如泥石流规模较小，不走传感器下面过，无法测量)，并辅以人工观测记录。这类方式获得的监测数据较粗糙，准确性不高。而且在灾害危险较重的时段与区域，也不无实施人工观测。二是在超声波物位计、雷达测速仪的基础上增加图像监控制备，利用计算机图形分析技术提高对山洪泥石流发生运动的监测科学性。这类方式更为科学准确，获得的监测数据质量好。但为数较多的山洪泥石流发生在夜晚，光线、大降雨、起雾等自然因素会严重影响图像监控制备的成像质量，降低后期分析的有效性。并且这类监测系统往往造价高，不便于在山区大规模建设。专利技术内容本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种利用泥石流沟道中的环境噪声信号对沟道中的山洪泥石流灾害的发生、运动实施监测的方法。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种泥石流沟道中山洪泥石流监测方法，其特征在于：利用环境噪声分析实现对泥石流沟道中山洪泥石流灾害的监测，依如下步骤实施：步骤S1、选定泥石流沟道作为监测区域，设置泥石流沟道监测断面，在监测断面上的泥石流沟道岸旁安装环境噪声传感器，环境噪声传感器与上位机通信连接；在上位机中设置初始背景噪声值Lbackground、时间阈值tnsl、泥石流判定阈值Lnsl、山洪判定阈值Lsh，开始采集分析数据；步骤S2、山洪泥石流灾害监测预报上位机获取环境噪声传感器采集的环境噪声信号L样本，进行分析：步骤S21、确定校准后Lbackground自数据采集时间起，将环境噪声信号样本L与Lbackground对比，采用L校准Lbackground：若Lbackground≤L，上位机记录Lbackground，若Lbackground＜L，上位机将L记录为Lbackground；上位机根据至少48h无风无雨环境中的L校准Lbackground，得到校准后Lbackground用于后续运算；步骤S22、滤波滤波开始，标记当前时刻为T，自T时刻起，取T至T－5s间环境噪声信号L的最小值记为第1个Lmin，，再沿时间轴取T+1s至T－4s间环境噪声信号的最小值记为第2个Lmin，以此类推得到滤波Lmin；自T时刻起，计算T至T－30s间平均Lmin，记为第1个Laverage，再沿时间轴取T+1s至T－29s间平均Lmin，记为第2个Laverage，得到滤波Laverage；自T时刻起，计算T至T－300s间平均Lmin，记为第1个Lthreshold，再沿时间轴取T+1s至T－299s间平均Lmin，记为第2个Lthreshold，得到滤波Lthreshold；步骤S23、监测泥石流沟道内自然活动变化趋势自T时刻起沿T+1时刻方向实时分析环境噪声信号L，当Laverage>Lthreshold时，记录两波交叉时刻为tstart，判断自tstart时刻起沟道内自然活动趋势增大，执行步骤S24；若Laverage≤Lthreshold时，判断沟道内自然活动变化不大或趋势减小，继续监测直到满足条件确定tstart；步骤S24、监测自然活动峰值到达监测断面自tstart时刻起，将Laverage波峰值记为LMAX、波峰时刻记为tMAX，且判定有强自然活动在时刻tMAX到达监测断面，发出监测信号；步骤S25、判别山洪泥石流灾害类别若tMAX≥tstart+tnsl，则进一步判别：若LMAX-Lbackground≥Lnsl，判断在tMAX时刻到达监测断面的是泥石流；若Lnsl>LMAX-Lbackground≥Lsh，判断在tMAX时刻到达监测断面的是山洪；若Lsh>LMAX-Lbackground，判断在tMAX时刻到达监测断面的是常流水；若tMAX＜tstart+tnsl，放弃当前分析，继续步骤S23。本专利技术前期研究发现，山洪泥石流在泥石流沟道中行进时形成的环境噪声数据波形在噪声值大小、衰减特征方面都具体独特性，能够使其自身与其它环境噪声相区分。例如山洪泥石流沿沟道从上游流来噪声越来越大，然后向下游流走噪声越来越小，历时几十上百秒。其噪声中最突出的时间变化特征与背景中的风雨雷电等自然气象形成的环境噪声有明显不同。同时，不同类型的山洪泥石流形成的环境噪声信号波形又具有一定程度上的相异性。例如阵性山洪泥石流形成的环境噪声波形峰值突出，易于识别，且阵与阵之间存在明显的声波中断，并且中断时间存在规律性。基于这些发现，本专利技术上述山洪泥石流监测方法在泥石流沟道中设立监测断面，在断面上安装环境噪声传感器，采集环境噪声信号样本L。通过滤波分析有效地提取信号中的噪声值与时间特征信息，在解读环境噪声信号样本L沿时间轴的多项衰减、振荡、激发特征后，辨识出山洪泥石流的主要运动特征及其到达监测断面的时间。上述方法中，上位机中预置的各指标值一般可根据观测经验确定。具体可采用：初始背景噪声值Lbackground：背景噪声值Lbackground是取监测沟道中环境噪声的最低值，因而，在上位机中预置的初始值一般根据经验或前期观测的初步分析结果确定，选择一个比监测沟道中通常环境噪声值略高的值，然后再在监测过程中对其加以替换校准。时间阈值tnsl：时间阈值tnsl是估测泥石流能够被传感器“听”到后到达监测断面所需的时间。一般沟道中泥石流在300m外产生的噪声已经很大，只要传感器无遮蔽，均可以检测到。如果以泥石流流速10m/s估算，30s会到达监测断面，所以可预置为30s。泥石流判定阈值Lnsl与山洪判定阈值Lsh可根据现有观测资料选定。本专利技术根据在蒋家沟研究地的长期观测数据(常流水时环境噪声值在65dB～75dB之间，山洪发生时环境噪声在75dB～90dB之间，泥石流发生时环境噪声在90dB以上)，提供参考值：泥石流判定阈值Lnsl预置为30dB、山洪判定阈值Lsh预置为15dB。上述山洪泥石流监测方法在监测装置布设时的优化可以包括：一、将环境噪声信号频率设置为不低于每秒生成2个环境噪声值，即信号频率不低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.山洪泥石流沟道中山洪泥石流灾害监测方法，其特征在于：利用环境噪声分析实现对泥石流沟道中山洪泥石流灾害的监测，依如下步骤实施：/n步骤S1、选定泥石流沟道作为监测区域，设置泥石流沟道监测断面，在监测断面上的泥石流沟道岸旁安装环境噪声传感器，环境噪声传感器与上位机通信连接；在上位机中设置初始背景噪声值L

【技术特征摘要】
1.山洪泥石流沟道中山洪泥石流灾害监测方法，其特征在于：利用环境噪声分析实现对泥石流沟道中山洪泥石流灾害的监测，依如下步骤实施：
步骤S1、选定泥石流沟道作为监测区域，设置泥石流沟道监测断面，在监测断面上的泥石流沟道岸旁安装环境噪声传感器，环境噪声传感器与上位机通信连接；在上位机中设置初始背景噪声值Lbackground、时间阈值tnsl、泥石流判定阈值Lnsl、山洪判定阈值Lsh，开始采集分析数据；
步骤S2、山洪泥石流灾害监测预报
上位机获取环境噪声传感器采集的环境噪声信号L样本，进行分析：
步骤S21、确定校准后Lbackground
自数据采集时间起，将环境噪声信号样本L与Lbackground对比，采用L校准Lbackground：若Lbackground≤L，上位机记录Lbackground，若Lbackground＜L，上位机将L记录为Lbackground；上位机根据至少48h无风无雨环境中的L校准Lbackground，得到校准后Lbackground用于后续运算
步骤S22、滤波
滤波开始，标记当前时刻为T，
自T时刻起，取T至T－5s间环境噪声信号L的最小值记为第1个Lmin，再沿时间轴取T+1s至T－4s间环境噪声信号的最小值记为第2个Lmin，以此类推得到滤波Lmin；
自T时刻起，计算T至T－30s间平均Lmin，记为第1个Laverage，再沿时间轴取T+1s至T－29s间平均Lmin，记为第2个Laverage，得到滤波Laverage；
自T时刻起，计算T至T－300s间平均Lmin，记为第1个Lthreshold，再沿时间轴取T+1s至T－299s间平均Lmin，记为第2个Lthreshold，得到滤波Lthreshold；
步骤S23、监测泥石流沟道内自然活动变化趋势
自T时刻起沿T+1时刻方向实时分析环境噪声信号L，当Laverage>Lthreshold时，记录两波交叉时刻为tstart，判断自tstart时刻起沟道内自然活动趋势增大，执行步骤S24；若Laverage≤Lthreshold时，判断沟道内自然活动变化不大或趋势减小，继续监测直到满足条件确定tstart；
步骤S24、监测自然活动峰值到达监测断面
自tstart时刻起，将Laverage波峰值记为LMAX、波峰时刻记为tMAX，且判定有山洪泥石流在时刻tMAX到达监测断面，发出监测信号；
步骤S25、判别山洪泥石流灾害类别
若tMAX≥tstart+tnsl，则进一步判别：
若LMAX-Lbackground≥Lnsl，判断在tMAX时刻到达监测断面的是泥石流；若Lnsl>LMAX-Lback...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎晓宇，唐金波，洪勇，周公旦，魏丽，蒋豪，
申请(专利权)人：中国科学院，水利部成都山地灾害与环境研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51