一种基于首点折线法的边坡位移监测预警方法及系统与流程

本发明涉及地质灾害监测预警，更具体地，涉及一种基于首点折线法的边坡位移监测预警方法及系统。

背景技术：

1、现有边坡监测预警技术在实际应用中暴露出诸多短板，整体运行效果与使用需求存在明显差距。

2、现有技术普遍采用固定时长的等时间间隔预警模式，该方式与边坡非线性、动态变化的变形规律不匹配。边坡变形时而平稳、时而急剧加剧，固定采样间隔无法精准捕捉临界变形时刻。若间隔设置过大，易遗漏边坡加速形变的关键数据，造成预警滞后；若间隔过小，又会产生海量冗余数据，加重数据存储与传输压力，稳定时段还会出现无效检测。同时，预警触发仅依托预设时间节点，和边坡实际变形状态脱节，预警有效性大打折扣。面对海量监测点位的集群监测平台，该模式需周期性对全部点位开展预警运算，即便多数区域状态稳定，仍要执行全量分析，大幅消耗计算资源，限制了系统拓展性与响应速度。

3、与此同时，现有系统误报问题突出。监测设备易受温湿度、风力、车辆振动、信号干扰等外界环境影响，加之原始监测数据本身存在波动噪声，进一步加剧误报情况。且预警阈值多依靠人为经验设定，未结合边坡类型、环境条件及实测数据科学优化，通用性与合理性不足。系统也缺少预警状态智能管理机制，当监测数据持续超出阈值时，会重复推送同级预警，不仅形成信息冗余，加重工作人员处理负担，还易引发预警疲劳，导致关键险情被忽视。

4、在核心指标计算层面，现有技术同样存在缺陷。边坡变形速率、加速度是研判失稳风险的重要依据，但高频监测数据振荡性强、误差易累积，现有手段难以对高频数据做有效平滑处理，难以从振荡数据中提取真实变形趋势，使得变性速率计算结果随采样频率变化产生大幅波动，难以形成稳定判据。而传统的变形加速度计算需对速率做微分运算，会进一步放大噪声干扰，目前也缺少成熟的量化方法，难以识别边坡临滑前的连续加速特征。此外，传统预警方案大多仅依托位移、速率等单一指标判断风险，未能结合位移、速率、加速度多维度参数综合研判，无法全面反映边坡复杂的失稳过程，最终导致整体预警精度与可靠性偏低。

5、因此，为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种基于首点折线法的边坡位移监测预警方法及系统，来实现与边坡变形物理过程相匹配的预警方式，同时解决误报率偏高、反复报警、速率计算波动、加速度量化困难、计算资源浪费等问题，提高边坡监测预警的准确性和可靠性。

技术实现思路

1、本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷（不足），提供一种基于首点折线法的边坡位移监测预警方法及系统，用于解决等时间间隔预警的固有缺陷，同时达到节省计算资源、减低误报率、避免反复报警等效果，有效地提高了边坡监测预警的准确性和可靠性。

2、一方面，本发明采取的技术方案是一种基于首点折线法的边坡位移监测预警方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤s1：采集边坡监测点的位移时序数据，并对原始数据进行滤波处理；

4、步骤s2：对滤波后的数据进行处理得到关键点并进行连接形成折线，从而生成规整的变形监测网格，同时根据该网格建立以位移增量触发的等量值间隔预警检查机制；

5、步骤s3：利用所述变形监测网格来计算监测点的变形速率；

6、步骤s4：利用所述变形监测网格来对加速度进行量化；

7、步骤s5：根据上述步骤所得到的位移、变形速率、加速度数据来进行多维度综合判断，从而输出相应预警等级与预警信息。

8、首先，本方案摒弃传统等时间间隔预警模式，依托首点折线法提取数据关键点并构建变形监测网格，配套建立以位移增量触发的等量值间隔预警检查机制，可完全适配边坡非线性的变形特征，能够自适应捕捉边坡快速形变的关键节点，既不会因采样间隔不当遗漏临滑阶段核心数据、造成预警滞后，也无需持续高频采样产生海量无效数据，大幅减轻数据存储、传输压力。同时该机制无需对所有监测点执行周期性全量扫描运算，有效节约计算资源，提升大型集群监测平台的拓展性与实时响应能力。

9、其次，在本方案中先对原始位移时序数据做滤波处理，可有效滤除环境干扰、数据波动带来的噪声，从源头降低系统误报概率。结合变形监测网格开展变形速率计算，能够对高频振荡数据做趋势优化，弱化采样频率带来的计算偏差，精准提取真实变形趋势；借助网格实现变形加速度的有效量化，规避了传统微分运算放大噪声的问题，可精准识别边坡临滑前的连续加速特征。

10、最后，通过整合位移、变形速率、加速度多维度指标开展综合研判，突破单一预警指标的局限性，全面反映边坡真实运行状态。搭配全新的预警检查机制，可实现预警状态智能区分，避免同级预警反复推送，减少信息冗余，杜绝预警疲劳问题，显著提升预警信息有效性与整体监测预警的精准度、可靠性。

11、优选地，在步骤s2中，所述对滤波后的数据进行处理得到关键点并进行连接形成折线，从而生成规整的变形监测网格具体包括：

12、步骤s21：按照预设的位移间隔来确定多条整数网格线；

13、步骤s22：基于滤波后的数据，识别出监测数据首次穿越每条整数网格线的时刻，并将其确定为关键点；

14、步骤s23：依次连接各个关键点形成折线，从而得到规整的变形监测网格。

15、通过划分整数网格线、识别数据首次穿越网格线的时刻作为关键点并连线构建变形监测网格，有效解决了传统等时间间隔采样存在的诸多弊端。边坡变形是非线性的，以固定位移间隔划分网格线，等量值间隔预警使预警检查时机与实际变形量直接关联，而非由人为设定的时间点决定，更符合边坡变形的物理本质，可实现预警频率自适应调整，边坡稳定时自动降低检查频次，避免无效检测，变形加速时则可自动提升频次，精准捕捉边坡形变的关键节点变化，避免错过临滑阶段的重要数据。并且选取首次穿越网格线的时刻作为关键点，能够剔除无效冗余数据，大幅减少数据体量，降低存储、传输及运算负荷。依托关键点连接形成的规整网格，数据趋势直观清晰，可削弱原始数据振荡带来的干扰，为后续变形速率、加速度的精准计算筑牢数据基础，也让预警判定逻辑更贴合边坡形变的物理规律，进一步提升预警的及时性与准确性。

16、优选地，在所述步骤 s22 中，当监测数据在相邻采样点之间连续跨越两级及以上网格线时，仅留存最终跨越的最高一级网格线对应的穿越时刻作为有效关键点，后续判定起始网格线自动选取该有效关键点对应网格线的下一级整数网格线。

17、利用上述规则可应对边坡突发大幅形变、数据跨多级网格线的场景，仅保留最高级网格线对应的关键点，精简数据量，避免冗余节点影响运算效率。同时自动顺延选取下一级网格线作为新起点，保证网格划分与关键点选取逻辑连贯，既能完整捕捉剧烈变形特征，又维持监测分析的连续性，保障预警判断准确稳定。

18、进一步优选地，在所述步骤s22中还包括：采用连续确认机制来验证穿越的有效性；其中，所述连续确认机制为：当检测到监测数据穿越网格线时，需要连续n个采样点均超过该网格线才确认穿越有效，从而降低误报率。

19、通过在识别数据穿越网格线的过程中引入连续确认机制，仅当连续n个采样点均越过网格线时，才判定穿越行为有效。该方式能够有效区分边坡真实位移变化与环境干扰、原始数据波动造成的瞬时异常，过滤掉偶然产生的虚假穿越信号，从数据源头大幅降低监测预警系统的误报概率。同时该机制配合等量值间隔预警逻辑使用，在不影响正常形变数据捕捉、不改变原有监测与预警流程的前提下，进一步提升了关键点识别的准确性，保障后续变形速率、加速度计算及综合预警判定结果真实可靠，强化了整套监测预警方法的稳定性与实用性。

20、优选地，所述以位移增量触发的等量值间隔预警检查机制以监测点的位移增量为触发条件，仅当变形达到预设的位移间隔时才触发预警规则计算，未达到位移间隔的稳定监测点不执行预警分析流程，从而降低计算资源消耗。

21、本发明采用位移增量触发预警运算，仅在监测点产生有效位移变化时才启动分析，稳定点位无需重复运算，大幅削减资源消耗，尤其适用于承载数万个监测点的省级集群监测平台，有效增强系统扩展性与实时响应能力。此外，位移间隔参数可依据边坡风险等级灵活调配，高风险边坡设置小间隔保障预警精度，稳定边坡选用大间隔提升运行效率，实现了预警精度与计算效率的合理平衡。

22、优选地，在所述步骤s3中包括：根据所述变形监测网格中相邻两个关键点之间的位移差和时间差，计算出监测点变形的平均速率。

23、在本方案中利用变形监测网格中相邻关键点的位移差与时间差来计算平均变形速率，依托筛选后的有效关键点开展运算，可以规避原始高频数据剧烈振荡、误差累积的问题，计算结果不易受采样频率影响，数值更加平稳、准确。相较于直接采用原始时序数据计算速率的方式，该方法能够精准剥离数据噪声，真实还原边坡整体变形趋势，为后续加速度量化、多维度预警研判提供了可靠的速率指标，有效提升边坡风险判定的科学性与稳定性。

24、优选地，在所述步骤s4中包括：根据所述变形监测网格来计算相邻两条折线段的速率差来判断加速度状态；其中，若差值大于预设阈值δ则判定为加速，且将连续加速计数加1；若差值小于-δ则判定为减速，连续加速计数清零；其余情况则判定为匀速，连续加速计数清零；从而对加速度进行量化，利用连续加速次数来判断边坡变形趋势。

25、本方案依托变形监测网格，通过相邻折线段的速率差判定加速度状态并完成量化，摒弃了传统微分计算方式，避免了噪声被进一步放大的问题。结合预设阈值区分加速、减速、匀速三种状态，并设置连续加速计数机制，可精准识别边坡临滑前的连续加速特征，直观量化变形发展趋势。该计算方式基于规整后的关键点数据，结果稳定性强、受数据振荡影响小，能够为多维度综合预警提供可靠的加速度判据，提升对边坡失稳风险预判的准确性，保障预警结果贴合边坡实际形变规律。

26、优选地，在所述步骤s5中，仅在首次达到位移预警阈值时触发位移预警，从而避免反复报警；而变形速率预警和加速度预警则可重复触发，用于确保不漏报。

27、本方案针对不同预警指标设置差异化触发逻辑，位移预警仅在首次达到阈值时启动，从机制上杜绝了因数据持续超限导致的重复报警问题，减少预警信息冗余，避免管理人员产生预警疲劳，保障预警信息传递高效有序。同时，变形速率与加速度预警允许重复触发，可实时跟踪边坡形变动态变化，对持续加剧的失稳风险进行不间断提醒，有效规避险情漏报问题。该差异化触发策略兼顾了信息精简与风险全时段监控的需求，在优化管理体验的同时，全面保障边坡监测预警的严密性与安全性。

28、另一方面，本发明还提供了一种根据上述所述监测预警方法的基于首点折线法的边坡位移监测预警系统，其中，所述系统包括：

29、数据解析模块：用于采集并提取边坡监测点的位移时序数据；

30、数据滤波模块，用于对采集到的位移时序数据进行滤波处理；

31、预警分析模块，用于采用首点折线法算法对滤波后的数据进行处理，提取关键点，利用位移量来确定预警检查时机，计算变形速率和加速度，从而基于位移、变形速率、加速度进行多维度综合预警判断，生成相应预警信息；

32、可视化模块，用于展示原始数据曲线、滤波数据曲线、首点折线及预警信息。

33、本系统依托模块化架构实现边坡位移监测预警全流程自动化运行，各模块分工明确、协同联动。数据解析与滤波模块配合工作，既能完整获取现场位移时序数据，又可有效滤除环境干扰与数据噪声，从源头提升数据质量。预警分析模块搭载首点折线法，实现等量值间隔预警、速率与加速度的精准计算，规避了传统技术资源浪费、计算失真等问题，并且结合多维度指标综合研判，保障预警结果科学可靠。可视化模块可直观呈现各类数据曲线与预警信息，便于工作人员实时掌握边坡形变状态。整套系统结构清晰、运行稳定，全面兼顾监测精度、运行效率与使用便捷性，大幅提升边坡安全管控水平。

34、优选地，所述预警分析模块包括：

35、变形监测网格生成单元，用于根据预设的位移间隔来确定多条整数网格线；然后基于滤波后的数据，识别出监测数据首次穿越每条整数网格线的时刻，并将其确定为关键点；最后根据所生成的关键点，来依次进行连接各个关键点形成折线，从而得到规整的变形监测网格。

36、变形速率计算单元，用于根据变形监测网格计算变形速率；

37、加速度判断单元，用于根据变形监测网格来对加速度进行量化，从而判断加速度状态。

38、通过对所述预警分析模块进行功能单元细分，将首点折线法的各项核心运算拆解落地，逻辑清晰、运行高效。变形监测网格生成单元按位移间隔划定网格线、提取首次穿越时刻作为关键点并构建网格，实现等量值间隔预警机制，适配边坡非线性形变规律，减少无效运算与数据冗余，变形速率计算单元依托规整网格与关键点运算，有效抑制原始数据振荡干扰，保障速率计算结果稳定准确，加速度判断单元基于网格数据完成加速度量化与状态识别，规避传统微分运算放大噪声的缺陷，可精准捕捉连续加速特征，从而为综合预警判定提供了扎实、可靠的核心数据支撑，进一步提升了整个系统的监测精度与分析能力。

39、优选地，在所述变形监测网格生成单元中，还包括采用连续确认机制来验证穿越的有效性；其中，所述连续确认机制为：当检测到监测数据穿越网格线时，需要连续n个采样点均超过该网格线才确认穿越有效，从而降低误报率。

40、在所述变形监测网格生成单元中，通过增设连续确认机制，仅在连续n个采样点均越过网格线时，才判定穿越行为有效并标记为关键点，可有效地筛除环境扰动、数据瞬时波动造成的虚假穿越信号，避免无效关键点生成，从源头降低系统误报概率；同时保证了网格构建的精准度，让后续变形速率、加速度的计算结果更加真实可信，也使等量值间隔预警机制稳定运行，整体提升了网格生成单元乃至整套监测系统的抗干扰能力与运行可靠性。

41、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

42、1、等量值间隔预警：预警时机与边坡实际变形量直接关联，自适应调整预警频率，从根本上解决了等时间间隔预警的固有缺陷。

43、2、节省计算资源：采用位移增量触发预警计算，稳定监测点不触发复杂预警规则计算，对于省级集群监测系统等大型平台具有重要意义。

44、3、降低误报率：数据滤波结合连续确认机制，有效滤除环境干扰和数据噪声，降低误报率。

45、4、避免反复报警：位移预警仅在首次达到阈值时触发，避免同一等级反复报警，减少预警疲劳。

46、5、速率计算稳定：基于等量值间隔关键点计算速率，结果稳定可靠，不受采样频率波动影响。

47、6、加速度有效量化：通过折线段速率差实现加速度的量化判断，为预警提供更科学的依据。

48、7、多维度综合预警：综合考虑位移、变形速率、加速度三个维度，使预警更加全面准确。