基于非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)的滑坡崩塌前兆檢測(cè)技術(shù)研究

賀寧波，楊寶全，侯爭(zhēng)軍，戴穎超，呂嫣冉，汪雨濃，李自強(qiáng)

（1.中國(guó)安能集團(tuán)第三工程局有限公司，四川 成都 610036；2.四川大學(xué)，四川 成都 610065；3.成都星景智能科技有限公司，四川 成都 610031；4.蘇州理工雷科傳感技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 前 言

我國(guó)西南山區(qū)流域梯級(jí)水電站均處于高山峽谷地帶，地形地質(zhì)條件極其復(fù)雜，地震或強(qiáng)降雨等極端環(huán)境經(jīng)常導(dǎo)致滑坡-堰塞湖、泥石流、雪崩、危巖崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響流域梯級(jí)水電站的正常建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，甚至威脅到人民生命財(cái)產(chǎn)安全。特別是重大滑坡應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)具有環(huán)境惡劣，次生災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)大、頻率高、突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段只能獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近位移信息，存在大量監(jiān)測(cè)盲區(qū)與視野盲區(qū)以及虛警多、復(fù)核難等技術(shù)難題，嚴(yán)重威脅現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援安全，因此迫切需要開(kāi)展滑坡應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［1-3］。

突發(fā)高邊坡地質(zhì)災(zāi)害的變形失穩(wěn)破壞過(guò)程具有突發(fā)性、不確定性、多維性、復(fù)雜性的特征，這些特征決定高邊坡地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)內(nèi)容不能像常規(guī)變形監(jiān)測(cè)一樣進(jìn)行安裝監(jiān)測(cè)，只能利用非接觸式監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)邊坡災(zāi)害體表面變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，達(dá)到在應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)快速部署、準(zhǔn)確獲取、實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的［4-5］。杜釗鋒［6］采用地基合成孔徑雷達(dá)開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)預(yù)警工作，代威［7］采用地基合成孔徑邊坡雷達(dá)與三維激光掃描的監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊坡的三維整體變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。劉冀昆［8］采用S-SARⅡ技術(shù)進(jìn)行崩塌臨災(zāi)應(yīng)急監(jiān)測(cè)，滿足崩塌前兆監(jiān)測(cè)的需要。針對(duì)滑坡次生災(zāi)害的突發(fā)性、不確定性和隱藏性，提出基于GB-InSAR與邊坡無(wú)人機(jī)視覺(jué)監(jiān)測(cè)算法的滑坡非接觸式應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)采用地基合成孔徑雷達(dá)獲取滑坡區(qū)地表雷達(dá)視線方向的變形速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡整體變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，再采用無(wú)人機(jī)視覺(jué)識(shí)別算法技術(shù)進(jìn)行局部崩塌監(jiān)測(cè)，基于監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定性和局部崩塌進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)延續(xù)了非接觸式應(yīng)急監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)克服了三維建模計(jì)算時(shí)間冗長(zhǎng)的缺點(diǎn)，具有受環(huán)境影響小、效率高和智能化的特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)、視野盲區(qū)和虛警復(fù)核的技術(shù)難題，適用于對(duì)滑坡的應(yīng)急搶險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警場(chǎng)景［9-10］。

1 滑坡應(yīng)急監(jiān)測(cè)特點(diǎn)及要求

我國(guó)原生地質(zhì)災(zāi)害以滑坡、崩塌為主，約占災(zāi)害總量的80%。從力學(xué)條件上看，牽引式滑坡更易誘發(fā)二次、多次滑坡和崩塌，而救援人員和工程機(jī)械在堆積體的搜救開(kāi)挖擾動(dòng)，會(huì)加劇二次滑動(dòng)面的孕育發(fā)展。從滑坡地質(zhì)災(zāi)害救援實(shí)際情況來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生頻率最高的次生災(zāi)害是滾石、局部崩塌和二次滑坡。因此，滑坡應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警的首要任務(wù)仍是對(duì)二次滑坡崩塌體的范圍、規(guī)模、穩(wěn)定性的觀測(cè)和預(yù)測(cè)。

滑坡應(yīng)急監(jiān)測(cè)特點(diǎn)及要求如下：

（1）快速布置響應(yīng)。重大滑坡地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情發(fā)生后，邊坡應(yīng)急監(jiān)測(cè)設(shè)備要及時(shí)布置到位并展開(kāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便掌握滑坡險(xiǎn)情及其發(fā)展情況，進(jìn)而滿足滑坡監(jiān)測(cè)時(shí)效性、實(shí)時(shí)化及精度要求。

（2）全天24 h監(jiān)測(cè)?；碌刭|(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)，需要在最短時(shí)間內(nèi)遏制險(xiǎn)情發(fā)展，在允許情況下，24 h不間斷地開(kāi)展應(yīng)急搶險(xiǎn)工作，因此應(yīng)急監(jiān)測(cè)裝備系統(tǒng)也應(yīng)具備24 h不間斷監(jiān)測(cè)能力。

（3）安全性好。在傳統(tǒng)應(yīng)急監(jiān)測(cè)作業(yè)時(shí)，作業(yè)人員需要手持或安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備在邊坡潛在破壞區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，滑坡地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)性和不確定性導(dǎo)致了監(jiān)測(cè)作業(yè)具有高危性，人工作業(yè)安全性不能保障，因此需要采用非接觸式監(jiān)測(cè)方法提高滑坡應(yīng)急監(jiān)測(cè)的安全性。

（4）時(shí)間、空間分辨率高?；聭?yīng)急監(jiān)測(cè)需要將不同時(shí)段的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以掌握災(zāi)情的發(fā)展趨勢(shì)，這對(duì)分辨率提出了較高的要求；同時(shí)又要求能將滑坡破壞形態(tài)、破壞過(guò)程、裂縫等細(xì)節(jié)準(zhǔn)確反映出來(lái)，從而為應(yīng)急搶護(hù)提供依據(jù)，因此也需要良好的空間分辨率。

（5）布置便捷。針對(duì)高山峽谷的復(fù)雜地形，非接觸式監(jiān)測(cè)設(shè)備布置應(yīng)具有快捷、小巧和靈活的布置特點(diǎn)。

2 基于GB-InSAR與無(wú)人機(jī)視覺(jué)的滑坡非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)

基于非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)的滑坡崩塌前兆監(jiān)測(cè)方法首先采用地基合成孔徑雷達(dá)獲取滑坡區(qū)地表雷達(dá)視線方向的變形速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡整體變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確定潛在變形發(fā)展區(qū)域；再采用無(wú)人機(jī)視覺(jué)識(shí)別算法技術(shù)對(duì)潛在變形發(fā)展區(qū)域進(jìn)行局部崩塌監(jiān)測(cè)，通過(guò)連續(xù)多期影像數(shù)據(jù)對(duì)比，獲得崩塌變化情況，以準(zhǔn)確掌握高位災(zāi)害體隱蔽災(zāi)害點(diǎn)的環(huán)境情況，實(shí)時(shí)指導(dǎo)應(yīng)急搶險(xiǎn)施工。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于GB-InSAR與無(wú)人機(jī)視覺(jué)識(shí)別算法的滑坡非接觸式應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法主要由邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)微變應(yīng)急監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)構(gòu)成（見(jiàn)圖1），現(xiàn)場(chǎng)工作流程如圖2所示。2.1.1 地基合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)原理及構(gòu)成

圖1 非接觸式應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 非接觸式應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成

地基合成孔徑雷達(dá)（GB-InSAR）是一種基于微波傳感器和差分干涉雷達(dá)技術(shù)的高精度測(cè)量?jī)x器，具有全天時(shí)、全天候、高分辨率、穿透性、連續(xù)觀測(cè)的能力［11］。GB-InSAR采用發(fā)射電磁脈沖和接收目標(biāo)回波之間的時(shí)間差測(cè)定邊坡災(zāi)害體表面的移動(dòng)距離，通過(guò)前后兩幅雷達(dá)干涉圖的空間解纏，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡潛在失穩(wěn)地質(zhì)體的表面位移監(jiān)測(cè)。依據(jù)位移量、速度等參數(shù)進(jìn)行預(yù)警級(jí)別判斷，發(fā)出預(yù)警，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)化位移監(jiān)測(cè)及預(yù)警［12-14］。

地基合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)區(qū)域可達(dá)十幾平方公里，可對(duì)目標(biāo)區(qū)域整體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取目標(biāo)區(qū)域整體形變歷史信息，預(yù)測(cè)邊坡潛在破壞區(qū)域的形變趨勢(shì)，與點(diǎn)形變監(jiān)測(cè)相比，其監(jiān)測(cè)結(jié)果更全面。

2.1.2 無(wú)人機(jī)邊坡視覺(jué)監(jiān)測(cè)技術(shù)原理及構(gòu)成

無(wú)人機(jī)邊坡微變監(jiān)測(cè)技術(shù)采用背景差分技術(shù)與圖像識(shí)別技術(shù)，反復(fù)把當(dāng)前圖像與前期采集的圖像進(jìn)行對(duì)比，監(jiān)測(cè)細(xì)小裂縫和落石等崩塌前兆，在可能發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，提醒開(kāi)挖面周邊作業(yè)人員避難。相對(duì)以往的目測(cè)方式，無(wú)人機(jī)邊坡微變監(jiān)測(cè)技術(shù)具有更高精度，能夠大幅提高開(kāi)挖面作業(yè)的安全性。該技術(shù)延續(xù)了非接觸式應(yīng)急監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)舍棄三維建模的繁雜計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，僅通過(guò)無(wú)人機(jī)采集邊坡災(zāi)害體的高分辨率正交影像進(jìn)行判別，具有亞毫米級(jí)、亞分鐘級(jí)響應(yīng)的特點(diǎn)，對(duì)邊坡高位災(zāi)害體的應(yīng)急監(jiān)測(cè)較為適用［15-17］。

該系統(tǒng)硬件由無(wú)人機(jī)、相機(jī)、毫米波雷達(dá)、DRTK、服務(wù)器、天線WIFI、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等終端組成，軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與傳輸、監(jiān)測(cè)軟件組成，該邊坡無(wú)人機(jī)非接觸式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)邊坡微變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

2.2 監(jiān)測(cè)技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）表面變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)，主要包括崩塌前兆；

（2）重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位全覆蓋，包括結(jié)構(gòu)面、軟弱夾層、滑坡塊體的前緣、后緣及兩側(cè)環(huán)境變化；

（3）精度，亞毫米級(jí)；

（4）響應(yīng)速度，不大于1 min，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)調(diào)整。

2.3 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

（1）監(jiān)測(cè)精度高。當(dāng)雷達(dá)放置在滑坡體對(duì)面合適位置時(shí)，邊坡雷達(dá)可以監(jiān)測(cè)滑坡體毫米級(jí)別的表面變形，無(wú)人機(jī)微變監(jiān)測(cè)技術(shù)也可以達(dá)到亞毫米級(jí)分辨率。

（2）監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性強(qiáng)。采用地基合成孔徑雷達(dá)掃描技術(shù)，可在較短時(shí)間（小于1 min）內(nèi)完成解算，得到邊坡潛在破壞區(qū)域的位移數(shù)據(jù)，提醒現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員和車輛進(jìn)行避險(xiǎn)。無(wú)人機(jī)微變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集、傳輸至處理，也可在短時(shí)間（小于1 min）完成崩塌和裂縫寬度數(shù)據(jù)的解算，最終通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與視覺(jué)監(jiān)測(cè)協(xié)同，為應(yīng)急搶險(xiǎn)提供及時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)。

（3）適應(yīng)能力強(qiáng)。無(wú)人機(jī)能從空中采集高位災(zāi)害體影像數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)，尤其遇到高山峽谷、涌浪等極端環(huán)境。此方法可克服交通不便、人員無(wú)法到達(dá)等不利因素，且無(wú)人機(jī)能及時(shí)到達(dá)潛在破壞區(qū)域，實(shí)時(shí)傳遞影像數(shù)據(jù)，監(jiān)視滑坡體變形趨勢(shì)，為應(yīng)急搶險(xiǎn)指揮決策提供依據(jù)。

（4）不受極端環(huán)境限制。地基孔徑雷達(dá)不受夜間、大雨或云霧天氣的影響，從而可實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)視，有效彌補(bǔ)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的不足。無(wú)人機(jī)的靈活性和可視化，使無(wú)人機(jī)微變監(jiān)測(cè)技術(shù)可以解決受地形、涌浪等極端環(huán)境的限制從而無(wú)法布置邊坡雷達(dá)的場(chǎng)景。

（5）便捷靈活。結(jié)合無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、攜帶方便和安全可靠的特點(diǎn)，可遠(yuǎn)距離遙控飛往邊坡的高危區(qū)域，從空中視角監(jiān)測(cè)邊坡高位災(zāi)害體表面變形趨勢(shì)，有效地彌補(bǔ)了邊坡雷達(dá)存在視野盲區(qū)和監(jiān)測(cè)盲區(qū)的局限和不足。

3 工程應(yīng)用

3.1 寶興縣新華村滑坡概況

2022年6月1 日17：00，四川雅安市蘆山縣發(fā)生6.1級(jí)地震，蘆山縣、寶興縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)，多處山體出現(xiàn)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。寶興縣新華村因地震引發(fā)山體滑坡并形成堰塞湖，嚴(yán)重威脅下游沿河居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。面對(duì)高山峽谷以及復(fù)雜震后應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測(cè)設(shè)備已無(wú)法正常開(kāi)展工作，現(xiàn)場(chǎng)救援工作的安全難以得到保障。

3.2 基于InSAR與無(wú)人機(jī)視覺(jué)識(shí)別算法的滑坡非接觸式應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法

為保障新華村滑坡體的應(yīng)急搶險(xiǎn)人員和機(jī)械設(shè)備的安全，采用“GB-InSAR+邊坡無(wú)人機(jī)視覺(jué)”協(xié)同的非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)預(yù)警。

該方法利用邊坡形變監(jiān)測(cè)雷達(dá)監(jiān)測(cè)滑坡危險(xiǎn)面上表面的微小形變，計(jì)算出從監(jiān)測(cè)開(kāi)始到當(dāng)前的監(jiān)測(cè)面上的所有位置的累計(jì)形變，并進(jìn)行提前預(yù)警。經(jīng)研判，項(xiàng)目繪制了重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，分別進(jìn)行預(yù)警，監(jiān)測(cè)期間共發(fā)出1次二級(jí)預(yù)警、10次三級(jí)預(yù)警和7次四級(jí)預(yù)警，邊坡雷達(dá)的典型監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示，表1展示了局部區(qū)域邊坡雷達(dá)預(yù)警結(jié)果。針對(duì)面4的局部區(qū)域，通過(guò)邊坡形變監(jiān)測(cè)雷達(dá)獲取該區(qū)域表面的形變結(jié)果與形變值-時(shí)間關(guān)系（見(jiàn)圖5），然后通過(guò)邊坡無(wú)人機(jī)視覺(jué)識(shí)別算法進(jìn)行可視化崩塌前兆監(jiān)測(cè)，判斷異常情況為局部塊體脫落和表面樹(shù)木滑移引起。

表1 局部區(qū)域邊坡雷達(dá)預(yù)警結(jié)果

圖4 合成孔徑雷達(dá)崩塌監(jiān)測(cè)（整體）

圖5 邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)論與展望

（1）本文緊密結(jié)合滑坡應(yīng)急搶險(xiǎn)期間變形監(jiān)測(cè)需求，提出了一種基于In-SAR與無(wú)人機(jī)視覺(jué)識(shí)別算法的滑坡崩塌前兆非接觸式應(yīng)急監(jiān)測(cè)體系。該非接觸式監(jiān)測(cè)方法克服了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)盲區(qū)與視覺(jué)盲區(qū)大、虛警多、復(fù)核困難等缺點(diǎn)，從安全監(jiān)測(cè)的范圍、精度、便攜性和可視化程度等方面引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展方向，并且可以基于該技術(shù)打造一批專業(yè)化的監(jiān)測(cè)流程和隊(duì)伍，為多部門協(xié)同作業(yè)提供技術(shù)支撐。

（2）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)靈敏度可滿足要求，識(shí)別精度與響應(yīng)速度分別達(dá)到亞毫米級(jí)和秒級(jí)，滿足滑坡崩塌前兆的整體和局部可視化監(jiān)測(cè)的需求，為滑坡應(yīng)急監(jiān)測(cè)提供一種新方法。由于受數(shù)據(jù)庫(kù)樣本和試驗(yàn)條件限制，需要對(duì)崩塌前兆識(shí)別的合理性、普適性進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

（3）軟件的運(yùn)行效率決定著監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的反應(yīng)速度，也決定著對(duì)硬件的基本要求，所以無(wú)論是目標(biāo)檢測(cè)還是識(shí)別算法，其改進(jìn)都是后續(xù)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)，需要不斷優(yōu)化。