一种实时三维成像的地面塌陷探测预警方案制造技术

本发明专利技术公开了一种实时三维成像的地面塌陷探测预警方案，其方法包括：通过安装在目标地下结构探测场地处的地震计台阵获取目标地下结构的背景噪声数据；接着基于地震计测量的背景噪声数据进行面波提取和频散曲线计算；通过地震干涉成像技术进行地下三维结构的成像，监测地下介质波速的变化，从而识别和定位速度结构的异常区域，为识别地面塌陷前兆信息提供可靠的依据。本发明专利技术提供的技术方案，在城市安全风险监测预警和管控领域可实现对城市多发易发的地面塌陷风险的实时监测和提前预警，提升城市地面塌陷预警与应急处置能力，大大地减轻塌陷风险隐患和保障人民的生命财产安全。轻塌陷风险隐患和保障人民的生命财产安全。轻塌陷风险隐患和保障人民的生命财产安全。

【技术实现步骤摘要】
一种实时三维成像的地面塌陷探测预警方案


[0001]本专利技术涉及地面塌陷的探测和预警
，尤其是一种实时三维成像的地面塌陷探测预警方法和系统。

技术介绍

[0002]地面塌陷是地表岩、土体受自然因素作用或人类工程活动影响向下塌落，并在地面形成坍塌的一种现象。与地震、危险边坡不同，地面坍塌是地下岩土体稳定性的破坏与失衡，在造成地表坍塌之前，其发育过程是在岩土体内部进行，而地表先兆细微，很难被人察觉到，这造成地表坍塌的时间及地点具有极大的隐蔽性。地面塌陷主要由城市基础设施(如管道、暗渠)破损与施工不当引起，具有人为因素特点；其次雨水冲刷是造成地面塌陷事故的重要诱发因素，多雨季的城市每年都可能发生地面塌陷，具有周期性特点；地面经过盖层土体的反复破坏后，当致塌力超过一定的临界状态时就会发生塌陷，具有突发难防治特点；地面塌陷往往不是孤立存在的，会一连串地发生，形成塌陷群的面状分布，具有群发性等特点。地面塌陷的七大主要原因和相关典型事故如下：(1)暗渠化河道渗漏或破裂；(2)给排水管渠渗漏或破裂；(3)地下隧道施工，沉降变形导致地面塌陷；(4)深基坑施工，基坑支护破坏引发管道破裂与渗流导致水土流失等；(5)填海区软土沉降，填海区多为软土分布，土体较软其压缩沉降引起地面变形导致给排水管线受损、断裂，形成地下空洞，进而引发地面坍塌；(6)工程质量问题，部分城市建筑工程、市政工程的基础处理、回填施工、管材品质、施工工艺等方面的工程质量问题，也是引起地面坍塌的原因；(7)其他不合理使用，道路、暗渠化河道等设施的长期超负荷、不合理使用，导致地面下陷、管渠受损，从而引发地面坍塌。地面塌陷事故数量有逐年上升的趋势，近年来地面塌陷事故持续呈高发态势，且全国各地均有事故发生，地陷事故主要分布在市政道路及人行道上，对车辆及行人威胁大，事故的发生严重危及人民的生命与财产安全。因此，对地下孔洞和地面塌陷的探测和预警，能有效掌握地面塌陷的发育过程，及时向有关管理部门反馈塌陷预警信息和采取塌陷区域的防治措施，可以有效的避免塌陷造成人员伤亡和经济损失。为了实现这个目标，选择一种经济高效、环保便捷的方法至关重要。
[0003]目前面塌陷事故的防范主要以人工定期排查为主，传统的地面塌陷排查方法包括探地雷达、主动源探测(震源车或炸药爆破)和钻探取芯等技术，但是这些传统方法成本高、不环保、多为一次性探测和多次探测结果之间可对比性差。传统的方法均无法对地面塌陷进行实时预警并且有较多的缺点，比如探地雷达的探测深度浅，易受到城市环境干扰；主动源探测成本高，探测深度较浅，探测过程对周围环境影响大；钻探取芯效率低，采样成本高，不可重复。此外，地面塌陷事故具有隐伏性和突发性，防范难度大，为了提高风险研判和防治工作的主动性、准确性和有效性，有必要采用其他先进的技术手段实现地面塌陷的实时监测与预警。
[0004]近十几年来国际上发展成熟的背景噪声三维成像探测方法为地面塌陷实时探测提供了新思路。背景噪声(地球固体潮、地震波、海洋潮汐、台风、火山活动、机械运行和人类
活动等参数的微振动信号源)是一种连续稳定的自然源，其中包含丰富的地下介质信息，利用背景噪声成像技术可以获得对研究区域的地下速度结构的认识，成为地下断层、地球构造、海底构造的探测和成像的有效方法，该方法目前主要应用于深地、深海等地球物理观察研究领域而很少应用于城市浅层土层结构的探测，而且已有的大部分相关算法不具备实时分析能力。

技术实现思路

[0005](一)要解决的技术问题
[0006]传统地面塌陷探测方法成本高、多为一次性探测，存在难以实时监测和提前预警等痛点、难点问题。
[0007](二)技术方案
[0008]为克服现有技术的不足，本专利技术旨在在城市安全风险监测预警和管控领域实现对城市多发易发的地面塌陷风险的实时监测和提前预警，提升城市地面塌陷预警与应急处置能力，减轻塌陷风险。
[0009]一种实时三维成像的地面塌陷探测预警方法，是一种基于背景噪声的低成本塌陷区快速成像、精确定位和实时预警的新技术，其特征在于基于地震计台阵记录背景噪声并通过互相关计算和叠加得到格林函数，然后基于格林函数反演地下的三维剪切速度结构，从而得到城市地下浅层(百米内)高分辨的实时三维成像结果和沉积层厚度，可以有效的发现地下正在孕育发展的孔洞或者导致地面塌陷发生的风险因子并进行及时风险预警，具体的步骤包括:
[0010]S1：通过安装在目标地下结构测点处的地震计台阵实时获取所述目标地下结构的背景噪声数据；
[0011]S2：通过重复对两个或者多个地震计台阵记录的背景噪声信号做实时互相关计算，对所述背景噪声数据进行面波提取，得到单台地震计台阵的噪声面波椭圆率；
[0012]S3：对所述背景噪声数据进行频散曲线计算；
[0013]S4：基于地面塌陷引起的波速变化，联合噪声频散曲线和噪声面波椭圆率实时反演所述目标地下结构的三维速度结构和沉积层厚度；
[0014]S5：根据所述地下结构的三维速度结构和沉积层厚度实时识别和定位所述目标地下结构的异常区域，发现地面塌陷的风险并发布预警信号。
[0015]一种实时三维成像的地面塌陷探测预警系统，所述系统用于执行如上述的一种实时三维成像的地面塌陷探测预警方法，并包括：
[0016]基于云平台形成统一的数据层、模型层、评估算法层和辅助决策层，以及在云端部署的B/S架构的软件系统，主要模块及其功能如下：
[0017](1)数据实时采集传输模块：用孔洞和地面塌陷风险探测的地震计进行24小时无人值守连续数据采集,通过4G/5G或专用网络将监测数据实时传输回去给管理方，对传感器的状态和相关参数远程查看和设置，当传输中断时提供数据续传功能，并提醒值班人员注意；
[0018](2)数据储存和管理模块：针对多个地震计大量的实时监测数据，基于云存储技术建立存储容量动态拓展和数据动态分级管理的高性能数据库；
[0019](3)数据分析和地面塌陷安全评估模块：针对地面塌陷风险进行评估，内嵌基于实时三维成像地面塌陷风险点识别和定位的分析算法；
[0020](4)地面塌陷风险预警和预警信息发送模块：根据规范标准限值和地面塌陷评估结果进行预警；
[0021](5)系统可视化模块：提供基于B/S架构、用户友好的系统可视化界面。
[0022](三)有益效果
[0023]本专利技术通过一种实时三维成像的地面塌陷探测预警方案，有利于推进城市地面塌陷实时在线监测与预警技术及系统的落地应用；通过提前发现事故隐患和提前采取相应工程措施，可争取把塌陷事故扼杀在萌芽状态，有效减轻塌陷风险，为城市建设保驾护航。一种实时三维成像的地面塌陷探测预警方法和系统是智慧城市的一个重要组成部分，为开发利用城市地下空间和“地下搞清楚”提供数据支撑。
[0024]本专利技术在地面塌陷实时探测和预警领域的优势主要表现在：
[0025](1)数据采集方式便利，只需要将台阵在探测区地表埋深30
‑
40cm，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实时三维成像的地面塌陷探测预警方法，是一种基于背景噪声的低成本塌陷区快速成像、精确定位和实时预警的新技术，其特征在于基于地震计台阵记录背景噪声并通过互相关计算和叠加得到格林函数，然后基于格林函数反演地下的三维剪切速度结构，从而得到城市地下百米内浅层高分辨的实时三维成像结果和沉积层厚度，可以有效的发现地下正在孕育发展的孔洞或者导致地面塌陷发生的风险因子并进行及时风险预警，具体的步骤包括:S1：通过安装在目标地下结构测点处的地震计台阵实时获取所述目标地下结构的背景噪声数据；S2：通过重复对两个或者多个地震计台阵记录的背景噪声信号做实时互相关计算，对所述背景噪声数据进行面波提取，得到单台地震计台阵的噪声面波椭圆率；S3：对所述背景噪声数据进行频散曲线计算；S4：基于地面塌陷引起的波速变化，联合噪声频散曲线和噪声面波椭圆率实时反演所述目标地下结构的三维速度结构和沉积层厚度；S5：根据所述地下结构的三维速度结构和沉积层厚度实时识别和定位所述目标地下结构的异常区域，发现地面塌陷的风险并发布预警信号。2.如权利要求1所述的一种实时三维成像的地面塌陷探测预警方法，其特征在于，在S1中，对所获取的所述目标地下结构的背景噪声数据进行数据预处理，所述数据预处理包括带通滤波、时域归一化、频谱白噪化。3.如权利要求1所述的一种实时三维成像的地面塌陷探测预警方法，其特征在于，所述S2包括：S21：背景噪声提取经验格林函数；设噪声源为随机分布，对两个地震计间预设长时间段的背景噪声数据进行互相关计算，获取该地震计对间的经验格林函数；其中，所述经验格林函数与理论格林函数之间部分相似，差异在于振幅；S22：快速提取单台噪声面波椭圆率；利用偏振分析的方法从单个地震计记录的环境噪声中获取瞬态瑞利面波信号，将三分量记录旋转至瞬态噪声面波的径向和垂向分量，求取瑞利面波椭圆极化率曲线；并利用椭圆率曲线，进行非线性蒙特卡洛反演方法，构建浅地表地下三维速度结构和覆盖层的厚度分布。4.如权利要求3所述的一种实时三维成像的地面塌陷探测预警方法，其特征在于，所述S4包括：S41：设模型划分为土壤层和基岩层，每一层通过3个B样条函数进行插值，反演地下介质的剪切波速度结构，而密度和P波速度结构则通过土壤的实验学公式予以构建，最终通过混合密度神经网络非线性反演快速获得到浅地表速度结构；S42：背景噪声实时成像通过对所有的地震计对进行互相关计算和叠加后，利用移动窗互谱法计算移动时窗内两个波形重叠部分的相对走时偏移来获得土层波速的扰动；设f
cur
(t)和f
ref
(t)分别表示互相关计算后得到的格林函数与参考格林函数，假设任意两个地震计间地下介质的相对地震波速度(Δv/v)是随空间均匀变化的，此时，地震计间相对波速的变化通过测量f
cur
(t)与f
ref
(t)的相对走时偏移(Δτ/τ)来计算，即：Δv/v＝
‑
Δτ/τ
ꢀꢀꢀꢀ
(8)所述移动窗互谱法是在频率域内计算相对走时偏移，首先把f
cur
(t)和f
ref
(t)分成许多
个部分重叠的时窗口，然后依次分别计算每一个时窗口内二者的时间偏移量；此时，相应时间窗口内f
cur
(t)和f
ref
(t)的互相关谱X(ν)为：F
ref
(ν)和F
cur
(ν)分别表示f
ref
(t)和f
cur
(t)的傅里叶变换，*表示复共轭运算，ν是频率。将公式(9)变换为振幅与相位的关系式得：X(υ)＝|X(υ)|e
iφ(υ)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)对公式(10)中互相关谱的相位展开得：φ(υ)＝m
·
υ，m＝2πΔτ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)根据公式(11)，互相关谱的相位φ与频率ν成线性关系，比例系数为2πΔτ；通过互相关函数的相位谱的斜率计算Δτ，即Δτ＝(φ(υ)/υ)/2π
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)根据公式(12)，在一系列小窗口内计算每一个Δτ
i
，然后通过线性拟合得到整体的相对走时偏移(Δτ/τ)，其测量误差为：其中，最后由公式(8)求得相对速度变化，即...

【专利技术属性】
技术研发人员：林健富，王立新，郭震，黄剑涛，赵贤任，林思健，
申请(专利权)人：深圳防灾减灾技术研究院，
类型：发明
国别省市：