基于數(shù)據(jù)融合算法的某滑坡整體變形特性研究

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摘要：為了消除和減小滑坡變形多點(diǎn)監(jiān)測(cè)中的誤差，正確評(píng)價(jià)滑坡體的整體工程地質(zhì)特性及其時(shí)效性，采用基于交互式融合算法對(duì)西南某滑坡變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。在融合了監(jiān)測(cè)年間的水平位移和垂直位移數(shù)據(jù)后，綜合判斷滑坡體的依時(shí)性工程特性。融合結(jié)果表明該滑坡體先后經(jīng)歷了緩慢變形期、勻速變形期、加速變形期和急劇變形期，表明該滑坡體具有階段性變化的特點(diǎn)，且降雨入滲是引起該滑坡發(fā)生位移變形的主要因素，結(jié)果符合滑坡體變形特征的自然規(guī)律。同時(shí)修正了傳統(tǒng)方法不考慮傳感器自身因素的局限性，合理利用融合方法的互補(bǔ)性，消除了部分傳感器采集數(shù)據(jù)的模糊性、不確定性和隨機(jī)性，證明了該方法在滑坡動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)與分析中具有有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：多傳感器系統(tǒng)；交互式；數(shù)據(jù)級(jí)融合方法；動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)

1 引 言

滑坡體的變形監(jiān)測(cè)往往能夠較為直觀地反映出滑坡體的工程性態(tài)，滑坡體上不同種類、不同數(shù)量的傳感器，能夠掌握滑坡體演化過(guò)程的綜合信息。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，需要多個(gè)傳感器從不同方位測(cè)量同一指標(biāo)參數(shù)，但這種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)有一定的偏差，這種偏差一方面來(lái)自傳感器本身的精度，另一方面來(lái)自數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的數(shù)學(xué)算法[1]。傳統(tǒng)的分類分析方法較為直接，往往局限在單項(xiàng)物理量的分析，缺乏綜合的評(píng)判和決策[2]。數(shù)據(jù)融合方法被引入解決監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)流問(wèn)題由來(lái)已久，例如，胡振濤和劉先省[3]解決了數(shù)據(jù)融合時(shí)的門限預(yù)先設(shè)定問(wèn)題；H. Anthony[4] 和S. L. J. Robert[5]的分類融合研究，使用了貝葉斯數(shù)據(jù)還原方法；A. C. Gail等[6]研究了自組織信息融合問(wèn)題。但是，這些融合方法多局限于原始數(shù)據(jù)的一次性濾波去噪，存在人為性和不確定性，容易引起數(shù)據(jù)信息的丟失；很難綜合準(zhǔn)確地判斷出滑坡的工程特性。

本文基于多傳感器數(shù)據(jù)融合原理，依據(jù)交互式融合技術(shù)分析滑坡體的穩(wěn)定性。其基本思想是：采用信號(hào)與噪聲的狀態(tài)空間模型，利用前一時(shí)刻地估計(jì)值和現(xiàn)時(shí)刻的觀測(cè)值來(lái)更新對(duì)狀態(tài)變量的確定。其實(shí)質(zhì)是建立多個(gè)固定的狀態(tài)方程和量測(cè)方程來(lái)描述滑坡位移，并對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集到的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤濾波去噪，以獲得被測(cè)對(duì)象的一致性描述和解釋[11]。工程實(shí)例表明，該方法能有效地反映滑坡體的整體工程性態(tài)的依時(shí)性變化。

2 滑坡位移動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模型

若將滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移和速度視為滑坡的狀態(tài)變量，則由以上分析可建立滑坡在變形階段的狀態(tài)方程（相當(dāng)于理論計(jì)算模型）和實(shí)際量測(cè)方程，即動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模型

（1）

式中；；；；；是均值為零方差為Q的量測(cè)噪聲序列，且與W（k）不相關(guān)，Z（k）為壩基的實(shí)際位移監(jiān)測(cè)值，它包含了各種影響監(jiān)測(cè)的外界干擾因素（即噪聲）。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

西南某電站附近滑坡體規(guī)模巨大，若出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，將造成水庫(kù)淤積與河道堵塞，并會(huì)危及大壩及其它樞紐建筑的安全。根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪及勘探資料，滑坡堆積層層厚在40m以上，滑坡體坡度約為35°。滑坡體前緣有多處泉水點(diǎn)出露，均為孔隙性下降泉。近年來(lái)，該滑坡各點(diǎn)位移呈現(xiàn)加速增大趨勢(shì)，由此反映，該滑坡似存在下滑趨勢(shì)。

3.2 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)布置

為了掌握該巨型滑坡綜合性態(tài)，在滑坡體上布置了6個(gè)傳感器進(jìn)行觀測(cè)，分別是H08～H13。監(jiān)測(cè)開(kāi)始于2006年7月，截止2010年2月，共采集約2294組數(shù)據(jù)。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)近年來(lái)滑坡的動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以月為周期建立各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間序列，以掌握滑坡體演化過(guò)程的信息以及滑坡體的工程特性依時(shí)性變化特征和變化趨勢(shì)。近年來(lái)無(wú)論是水平位移還是垂向位移該滑坡體總體上具有隨時(shí)間的推移而增大的趨勢(shì)。H09與H12在水平位移和垂向位移均遠(yuǎn)大于其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別達(dá)到1203.8 mm、1238.7 mm和817.2 mm、652.5 mm，且其變化速度也是最大的，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這兩個(gè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。另外一個(gè)值得注意的是H13點(diǎn)的位移變化量：2006年7月至2007年7月間，水平位移增大到62.9 mm，垂向位移增大到32.9 mm；2008年2月間又突然減小至31.8 mm和4.3 mm；2008年7月間增至105.4 mm和66.5 mm；此后迅速減小，根據(jù)大量的原始動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)出反復(fù)無(wú)規(guī)律的變化。

由以上反映出，同一時(shí)期各個(gè)傳感器對(duì)滑坡體的性態(tài)表現(xiàn)出不一致的現(xiàn)象，這一方面可能與采集數(shù)據(jù)的傳感器的敏感性有關(guān)；另一方面也可能與自然條件有關(guān)，如降雨等；此外，測(cè)量人員的不當(dāng)操作也可能引起誤差，即由于傳感器的多樣性以及觀測(cè)手段、方法受各種因素的影響，采集到的數(shù)據(jù)具有模糊性、不確定性和隨機(jī)性。為了減小以上所述誤差，以得到滑坡體的整體性態(tài)，利用交互式數(shù)據(jù)融合進(jìn)行解析。融合值呈現(xiàn)隨時(shí)間的推移而增大的趨勢(shì)，這與大多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)反映出的趨勢(shì)是一致的。經(jīng)過(guò)融合方法處理后可以獲得滑坡體整體性態(tài)更準(zhǔn)確的信息。融合后的數(shù)據(jù)明顯抑制了數(shù)據(jù)誤差，消除了其間的矛盾性。其次，融合后的數(shù)據(jù)始終處于各傳感器采集的數(shù)據(jù)之間，且接近誤差方差較小的測(cè)值，這是由于傳感器采集的數(shù)據(jù)存在互補(bǔ)性。互補(bǔ)性可以補(bǔ)償單一傳感器的不準(zhǔn)確性和測(cè)量范圍的局限性。由此可見(jiàn)，融合后的數(shù)據(jù)比其他各組成部分的子集具有更優(yōu)越的性能，即融合后的效果更加理想。

自監(jiān)測(cè)之日起至今，由位移信息反映出該滑坡形變經(jīng)歷了以下四個(gè)不同的時(shí)期：2006年7月至2007年9月的緩慢變形期，該時(shí)期時(shí)彎曲變形導(dǎo)致地表裂縫向深部擴(kuò)展，并產(chǎn)生順坡向的折裂面，最終將沿折裂面產(chǎn)生滑移破壞，滑坡進(jìn)入緩慢變形期；2007年9月至2008年9月的勻速變形期，該時(shí)期內(nèi)滑坡變形表現(xiàn)為近似勻速，這主要是因?yàn)榛掠绍浫醯纳鞍鍘r、含炭質(zhì)板巖構(gòu)成，巖層撓曲現(xiàn)象比較嚴(yán)重，滑坡下滑力受到阻撓；2008年9月至2009年8月的加速變形期，在該時(shí)期內(nèi)，由于前期滑坡體不斷受到連續(xù)積累的下滑能量，在外界條件突然改變下（如地震和暴雨），可突然發(fā)生彎曲-拉裂變形，并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，進(jìn)而產(chǎn)生大范圍的傾倒變形；2009年8月至2010年2月的急劇變形期，變形巖體不斷加深，上部變形巖體傾倒后與下伏基巖間易形成斷續(xù)分布的不連續(xù)面，因地表水或雨水的入滲，不連續(xù)性狀不斷惡化，最終導(dǎo)致滑坡加速變形。這符合滑坡的工程特性依時(shí)性變化規(guī)律。綜上所述，反映出該融合方法在滑坡體動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)分析中具有有效性和可行性。

4 結(jié)論

將交互式融合方法應(yīng)用于滑坡體動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析，采用數(shù)據(jù)級(jí)融合方法，融合了2006年7月～2010年2月的水平位移和垂直位移數(shù)據(jù)，綜合判斷滑坡體的依時(shí)性工程特性。修正了傳統(tǒng)方法不考慮傳感器自身因素的局限性，合理利用融合方法的互補(bǔ)性，消除了部分傳感器采集數(shù)據(jù)的模糊性、不確定性和隨機(jī)性。獲得了滑坡體工程地質(zhì)特性的一致性描述和解釋。融合結(jié)果符合滑坡體變形特征的自然規(guī)律。

該方法不僅可以綜合提取滑坡體的變形特征、篩選“關(guān)鍵點(diǎn)”，而且可以為滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、滑坡?tīng)顟B(tài)模式識(shí)別、工程特性變化和災(zāi)害數(shù)值分析等研究提供一種新的技術(shù)方法。

參考文獻(xiàn)：

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[5]ROBERT S L J，PETER K W. Use of Bayesian data reduction for the fusion of legacy classifiers [J]. Information Fusion，2003，4：23–34.

作者簡(jiǎn)介：

續(xù)元周，男，1982年出生，學(xué)士，工程師，地質(zhì)工程專業(yè)。