地质灾害监测预警预报系统研制与开发.doc

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分类号：

P22

10710-0826013

硕士学位论文

地质灾害监测预警预报系统研制与开发

张杰

导师姓名职称

王腾军副教授

申请学位级别

硕士

学科专业名称

大地测量学与测量工程

论文提交日期

2011年5月15日

论文答辩日期

2011年6月1日

学位授予单位

长安大学

答辩委员会主席

杨永崇教授

学位论文评阅人

杨建华副教授邱春霞副教授

Theresearchanddevelopmentofforecastingandearly-warningmonitoringsystemforgeologicalhazards

ADissertationSubmittedfortheDegreeofMaster

Candidate：

ZhangJie

Supervisor：

AssociateProf.WangTengjun

Chang’anUniversity，Xi’an，China

论文独创性声明

本人声明：

本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。

本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：

年月日

论文知识产权权属声明

本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。

学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。

本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。

（保密的论文在解密后应遵守此规定）

论文作者签名：

年月日

导师签名：

年月日

摘要

地质灾害由于诱发因素复杂，可预见性差，发生突然等特点，容易造成人类生命财产的重大损失。

目前，人类尚不能完全准确预报和防治地质灾害，尤其是对灾害发生的时间难以准确预报，但是应当认识掌握地质灾害发展和发生的基本知识，以便采取有效的防治措施和适当的避难减灾措施，尽可能的减小灾害发生造成不必要的人员伤亡和经济损失。

本文的研究目的就是建立一套地质灾害监测预警预报系统，为地质灾害的防治建立预警机制，提高对地质灾害发生的应急反应能力，减小不必要的损失。

其功能主要包括：

实现数据的自动采集、储存、处理等；通过预测模型对变形区域进行预测并得出预测结果；自动生成报表、变形速率图、变形曲线图；通过预警等级设置得出监测对象的危险等级。

本文首先对系统的目标、原则、框架、数据表、功能等进行了分析设计，然后确定了灾害发生的影响因子，最后应用BP神经网络模型实现了预测功能，并根据预测数据和设定的预警信息确定预测对象的危险等级。

整个系统在数据处理过程中采用.net平台和Excel之间的程序接口实现数据的写入和读取，极大的减小了系统在数据管理方面的负担，提高了数据处理的效率。

文章的最后以奉节梅西河大坝监测项目为例说明了系统在栏渣坝及高填方路基监测中的应用过程及结果。

关键词：

地质灾害，变形监测，BP神经网络，预警预报系统

III

Abstract

Geologicaldisastersalwayscreatehuman’slossoflifeandmoney,becauseofitscontributorsarecomplict,predictabilitysentandabnormalityhappened.Atpresent,humancouldn’tforecastandpreventaccurately,especially,thetimethatdisasterstakeplaceisnoteasytoforecastaccurately.ButweareshouldknowandmasterBasicknowledgethathowisthedisasterdevelopandaccure,sopeoplecantakeeffectivelyactionsandappropriaterefugeerelief.Doourbesttoreduceunnecessarypersonalinjuryandeconomiclossthatthedisastersmake.

ThepurposeofthisessayisjustestablishingasetofearlywarningsystemaboutGeologicaldisasters.EstablishaEarlywarningsystemforGeologicaldisasterspreventivetreatment,enhancethestressresponseandreduceunnecessaryloss.Majorfunctionsincluding:

First,achievingautomaticcollect、storageanddispose;secondly,usingtheforecastingmodeltopredictthedeformationarea;thirdly,producereportforms、deformationratechartandgraphautomaticly.Fourthly,getthedangerouslevelofthemonitoringtargetbywarninglevelsettings.Thisessaydesignthesystem’spurpose、principle、framework、datatable、functionetc.Andthendetermineimpactfactorofthedisastershappened.Finally,usingBPneuralnetworkmodelachievethefunctionofpredictive.Atthesametime,accordtheearlywarninginformationtopredictthedangerouslevel.ThewholesystemadoptprograminterfacewithExcelformsachievingthedata’sloadinginandreading,greatlyreducethesystem’sburdenofdatamanagement,enhancingdataprocessing’sefficiency.

TheendoftheessaytaketheFengjieMeixiheDamforexampleexplainthesystem’sapplicationprocessandresultinColumnslagdamandhighfillsubgrademonitoring.

Keywords:

geologicaldisasters，deformationmonitoring，BPneuralnetwork，warningandforecastsystem

目录

第一章绪论 1

1.1论文研究的背景 1

1.2研究的现状及发展趋势 2

1.3论文研究的内容和意义 4

第二章地质灾害预警预报理论及经典模型 6

2.1地质灾害预警预报基本理论 6

2.2地质灾害监测预测预报模型 7

2.2.1时间序列分析模型 7

2.2.2灰色系统分析模型 10

2.2.3Kalman滤波模型 13

2.2.4人工神经网络模型 16

2.3本章小结 19

第三章系统的总体设计和功能设计 20

3.1系统需求分析 20

3.2系统设计目标 20

3.3系统设计原则 21

3.4系统框架设计 22

3.5系统开发环境 23

3.5.1软件环境 23

3.5.2硬件环境 23

3.6系统功能设计 23

3.6.1系统逻辑视图 23

3.6.2系统功能 24

3.7系统设计特点 25

3.7.1监测数据处理 25

3.7.2监测数据更新 25

3.8关键点考虑 26

3.9系统的运行 26

3.10本章小结 27

第四章系统的数据处理及预警预报 28

4.1外业数据采集 28

4.1.1全站仪数据 28

4.1.2GPS数据 30

4.1.3测斜仪数据 32

4.2监测数据的传输 33

4.2.1PIMCIA记录卡 33

4.2.2电缆传输 33

4.3水平位移监测数据的处理 34

4.3.1水平位移表 35

4.3.2数据平差计算 35

4.4监测点破坏问题的处理 36

4.4.1监测信息的组成 37

4.4.2被损坏监测点的恢复与处理 37

4.5变形预测 38

4.5.1预测模型 38

4.5.2影响变形因子 42

4.5.3预测结果输出 43

4.6变形预警判断方法 45

4.7预警等级确定 46

4.8本章小结 47

第五章系统在某栏渣坝及高填方路基监测中的应用 48

5.1工程概况 48

5.2监测方案 49

5.2.1水平位移监测点的布设 49

5.2.2监测频率、影响因子和预警值 50

5.3监测数据与预测数据分析 51

5.3.1数据预测过程 51

5.3.2结果对比 53

5.4本章小结 54

结论和展望 56

结论 56

展望 56

参考文献 58

致谢 61

长安大学硕士学位论文

第一章绪论

1.1论文研究的背景

地质灾害指由于自然产生和人为引发的对人民生命和财产安全造成危害的地质现象[1]。

随着全球人口的不断增长，人类对大自然的改造造成环境的破坏，气候的条件越来越恶劣，地质灾害的发生较以往有了明显的增加，而且造成的危害也越来越大，给人类的生命财产造成了极大的损失，例如：

1970年秘鲁的一起山体滑坡就造成了该地区1.8万人丧生；1963年意大利的一起水库滑坡造成的洪水使下游地区死亡了近2.6万人，并导致了当时最高的双曲拱坝因此次灾害而报废，造成了极大的生命危害和经济损失；根据美国矿业局不完全统计，在近15年内，美国由于采矿造成的各种财产的直接损失超过了20亿美元[2]。

根据联合国1991年公布的资料显示，全球范围内地质灾害威胁的人口数量几乎以每年6%的速度在增加。

中国领土辽阔，各种地质条件都有所涉及，因此地质灾害种类繁多，除滑坡、泥石流、地面沉降、地震外，还有崩塌、岩溶塌陷、采空塌陷、地裂缝等多种地质灾害类型。

这些地质灾害遍布全国，发生日益频繁，对我国造成的危害极为严重。

跟据相关部门不完全统计，自新中国成立以来，