非接觸式滑坡地表裂縫監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

劉一民

1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 610031；2.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065

非接觸式滑坡地表裂縫監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

劉一民1，2

1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 610031；2.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065

本論文提出一種基于激光測距原理的非接觸式滑坡表面裂縫監(jiān)測方案，該智能化監(jiān)測方案利用GPRS方式進行數(shù)據(jù)的遠程傳輸，解決了現(xiàn)有的電磁式、接觸式地表裂縫計存在容易被損壞、易受干擾及測量誤差大的技術(shù)問題，同時也解決了GPS或是全站儀存在成本較高、計算和安裝復(fù)雜、實時性較差等技術(shù)問題，實現(xiàn)了在低成本條件下的滑坡表面裂縫實時監(jiān)測，并在四川省巴中市典型滑坡點上進行野外應(yīng)用示范，取得了良好的監(jiān)測預(yù)警效果，為地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)支持。

滑坡表面裂縫；非接觸式；激光測距；GPRS；實時監(jiān)測

0　引言

我國是一個地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家，其災(zāi)害分布廣、突發(fā)頻率高、影響大，嚴重威脅著人民生命和財產(chǎn)的安全，由于山體滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的特殊性和突發(fā)性，往往給自然環(huán)境、人民生命財產(chǎn)和工程建設(shè)造成巨大損失?；卤砻媪芽p是滑坡地貌的組成部分之一，且滑坡裂縫是地面裂縫的一種。斜坡上的巖土體在重力作用下具有下滑的趨勢，它的形成原因是當由于自然或人為因素導(dǎo)致抗滑力減小、下滑力大于抗滑力時，斜坡就會失穩(wěn)，在滑動體與不動體之間形成地面裂縫。由于滑體內(nèi)部運動方向和快慢的差異，在滑坡內(nèi)部也會形成各種裂縫?；碌乇砹芽p廣泛見于各類滑坡中，是滑坡強變動帶的直觀反映。

因此對裂縫進行觀測是 地質(zhì)災(zāi)害防治預(yù)警的常用方法，所以在滑坡監(jiān)測中被廣泛使用，目前的裂縫監(jiān)測大都采用電磁式、接觸式地表伸縮計，這種手段主要采用在地面裂縫的兩邊栽樁拉鋼絲的方法來實現(xiàn)的，但是它存在一些不足之處，第一是鋼絲拉在地面以上僅0.5 m左右，人和牲畜容易被絆到，監(jiān)測設(shè)備極易損壞；第二是鋼絲繩拉長以后由于自身張力和自重會導(dǎo)致相當?shù)臏y量誤差；第三是容易被掉落的樹枝和其它農(nóng)作物干擾引起數(shù)據(jù)誤報等，目前的電磁式、接觸式地表裂縫計存在著易損壞、易受干擾及測量誤差大等不足之處，從而影響到監(jiān)測的連續(xù)性和監(jiān)測效果。利用非接觸式的測量方法來監(jiān)測滑坡表面裂縫的研究方興未艾，如像利用GPS、全站儀等技術(shù)存在成本高、計算復(fù)雜、安裝工藝復(fù)雜、實時性不足等不足，不利于監(jiān)測預(yù)警和大規(guī)模推廣應(yīng)用。

本論文提出一種基于激光測距原理的非接觸式滑坡表面裂縫監(jiān)測系統(tǒng)，并且利用GPRS方式進行數(shù)據(jù)的遠程傳輸，解決了現(xiàn)有的電磁式、接觸式地表裂縫計存在容易被損壞、易受干擾及測量誤差大的技術(shù)問題，同時也解決了GPS或是全站儀存在成本較高、計算和安裝復(fù)雜、實時性較差等技術(shù)問題，實現(xiàn)了在低成本條件下的滑坡表面裂縫實時檢測。

1　非接觸式滑坡表面裂縫監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

非接觸式滑坡表面裂縫監(jiān)測系統(tǒng)主要分為滑坡現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端與室內(nèi)數(shù)據(jù)接收中心（含GPRS接收模塊）組成。非接觸式滑坡表面裂縫監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖1所示。從圖1可知它的工作流程如下：首先室內(nèi)監(jiān)控中心通過GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令至滑坡現(xiàn)場，野外多通道采集器收到采集命令后經(jīng)解析啟動激光測距傳感器，激光測距傳感器發(fā)射出的激光束經(jīng)裂縫另一端的靶標反射后，獲取裂縫數(shù)據(jù)后再通過采集器發(fā)射至室內(nèi)監(jiān)控中心的IP端口，數(shù)據(jù)經(jīng)校驗后入庫并存入服務(wù)器，便于進行數(shù)據(jù)的分析處理。

圖1　非接觸式滑坡表面裂縫監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案圖Fig.1 Design of the landslide surface fi ssure monitoring system based on non-contact mode

其中，滑坡現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端包括：激光測距傳感器（滑坡現(xiàn)場）、野外多通道采集器（含GPRS發(fā)射模塊）與監(jiān)測靶標。激光測距傳感器與野外多通道采集器固定于滑坡地表裂縫穩(wěn)定端，監(jiān)測靶標則安裝在滑坡強變動帶一側(cè)?；卢F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端工作布置示意圖如圖2所示。

圖2　滑坡現(xiàn)場采集端工作布置示意圖Fig.2 The schematic diagram of collection in landslide

2　系統(tǒng)測量原理與關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1系統(tǒng)測量原理

非接觸式滑坡表面裂縫監(jiān)測儀的工作原理為：利用激光測距傳感器的高精度，通過測量光脈沖發(fā)出到返回的時間，解算成實際的滑坡裂縫的數(shù)值。具體如下：先由激光二極管對準目標發(fā)射激光脈沖，經(jīng)目標反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上，雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號，記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時間，即可測定目標距離。激光測距傳感器的硬件調(diào)試與軟件誤差處理如圖3所示。

其中，在利用激光測距傳感器進行滑坡表面裂縫監(jiān)測的時候，一般標靶與傳感器之間的距離較近，激光傳播速度很快，需要極為精確地測出發(fā)射和反射的時間差，才能換算出實際距離。計算公式如式1所示：

式1中：D：測站點A、B兩點間距離； c：光在大氣中傳播的速度；t：光往返A(chǔ)、B一次所需的時間。

2.2關(guān)鍵技術(shù)研究

本監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在監(jiān)測靶標反射板的設(shè)計工藝與地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測技術(shù)。

（1）監(jiān)測靶標反射板的設(shè)計工藝。其中由于滑坡地表裂縫的特點，處于滑坡強變動側(cè)的監(jiān)測靶標由于地表的傾斜而偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致所測裂縫寬度的數(shù)據(jù)發(fā)送誤差。因此本論文將其作為關(guān)鍵問題而進行解決，設(shè)計一種豎直保持機械裝置而保證監(jiān)測靶標反射板與穩(wěn)定端地表的垂直，進而保證了所測數(shù)據(jù)的準確性與穩(wěn)定性。具體設(shè)計如下：

對于激光測距傳感器探頭和靶標反射面的安裝工藝流程的設(shè)計，本論文采用在反射面板底部使用調(diào)心球軸承+配重的機械結(jié)構(gòu)，利用機械裝置中靶標自身的重力實現(xiàn)反射板保持豎直，從而保證反射信號到接收器的光路暢通不受影響，通過這個裝置，可以使得激光反射板面在靶標基座發(fā)生傾斜的情況下，利用自平衡保持與激光發(fā)射器所發(fā)射的激光相互垂直以完成精確測量，其次，激光傳感器價值不菲，探頭應(yīng)該安裝得盡可能高，以避免被破壞和被盜的問題，反射面標靶和傳感器的安裝距離應(yīng)分別做實驗確定其最大安裝距離和最小安裝距離，靶標的設(shè)計示意圖如圖4所示。

（2）地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測技術(shù)：滑坡表面裂縫自動化監(jiān)測方案采用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)進行總體設(shè)計。μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)具有前后臺系統(tǒng)、多線程、多任務(wù)工作、低功耗模式、可重入函數(shù)（多個任務(wù)調(diào)用）以及多任務(wù)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的等特性。根據(jù)滑坡監(jiān)測的需求與特點，本文將總體任務(wù)分解為4個子任務(wù)，通過μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)對它們的分配與調(diào)用，可以高效低耗的完成滑坡裂縫自動化監(jiān)測。各子任務(wù)功能如表1所示。

圖4　監(jiān)測靶標反射板的設(shè)計Fig.4 The design of monitoring target

監(jiān)控中心平臺軟件采用C++語言編寫，本軟件前臺界面使用C#語言在Microsoft .NET Framework 3.5版本運行環(huán)境下開發(fā)，數(shù)據(jù)后臺使用Microsof SQL Server 2008R提供數(shù)據(jù)庫運行支持。該軟件可以實現(xiàn)設(shè)置監(jiān)測點、數(shù)據(jù)庫查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、曲線繪制、圖形縮放等功能，平臺軟件的功能結(jié)構(gòu)圖如圖5，軟件界面如圖6所示。

表1　子任務(wù)的名稱功能表Table 1　The subtasks function table

圖5　監(jiān)控中心軟件功能結(jié)構(gòu)圖Fig.5　Functional structure of the monitoring center software

圖6　監(jiān)控中心界面圖Fig.6　The interface of monitoring center software

3　滑坡監(jiān)測應(yīng)用示范

牛馬場滑坡位于四川省巴中市鳳儀鄉(xiāng)龍江村1組，位置是東經(jīng)106°36＇33.3＂，北緯31° 52＇25.4＂，屬于典型的緩傾順層巖質(zhì)滑坡，斜坡結(jié)構(gòu)是順向坡，其滑體性質(zhì)屬于基巖滑坡?；路搅窟_到1 200萬立方米，屬于特大型滑坡。該滑坡后緣存在大量的拉線槽即地表裂縫，有些寬度甚至達到8 m以上，嚴重威脅著滑坡下方村莊居民的安全，甚至導(dǎo)致滑坡下方石龍河水電站的運行。牛馬場滑坡的后緣基巖傾倒照片及拉線槽的照片如圖7所示。

從圖7可以看出，針對牛馬場滑坡這類后緣有明顯的拉線槽特性的滑坡，本文所述的滑坡地表裂縫自動化監(jiān)測系統(tǒng)特別適合進行后緣拉線槽寬度變化的監(jiān)測，為滑坡監(jiān)測和穩(wěn)定性分析提供有效可靠的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)于2015年年初安裝于牛馬場滑坡的2個后緣拉線槽，其安裝分布圖如圖7所示。安裝工藝按照3.2節(jié)所述，將激光測距儀及采集傳輸系統(tǒng)安裝于基巖穩(wěn)定一側(cè)，將監(jiān)測靶標安裝在強變動帶另一側(cè)，裂縫數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS方式實時傳輸回室內(nèi)監(jiān)控中心，滑坡現(xiàn)場供電系統(tǒng)采用太陽能充電、鋰電池供電，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定的工作。

系統(tǒng)從2015年2月上旬開始運行，目前已進行近半年的監(jiān)測，所測數(shù)據(jù)均進入監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫，其中1號點部分典型數(shù)據(jù)整理如表2所示（其中在雨季增加了檢測頻率），變化值柱狀圖如圖8所示。

5　總結(jié)

（1）本系統(tǒng)采用非接觸式的激光測距儀進行滑坡表面裂縫的監(jiān)測，經(jīng)室內(nèi)計量檢定（本系統(tǒng)已獲得四川省測試計量局的計量認證）與長時間的野外應(yīng)用示范，保證了所測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠與監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)提供真實數(shù)據(jù)。

（2）通過對關(guān)鍵技術(shù)的研究，解決了監(jiān)測靶標反射板的設(shè)計工藝與地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測的需求，實現(xiàn)了反射板在底座彎曲傾斜下的自垂直功能，保證數(shù)據(jù)的真實可靠，同時利用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)與GPRS通訊協(xié)議實現(xiàn)了滑坡裂縫自動化監(jiān)測，基本達到了未來監(jiān)測技術(shù)智能化的需求。

（3）本系統(tǒng)特別適用于緩傾順層巖質(zhì)滑坡的監(jiān)測，通過與其他監(jiān)測儀器（如深部位移監(jiān)測、GPS監(jiān)測）進行數(shù)據(jù)對比，可以更加真實的反應(yīng)滑坡的實時狀態(tài)，為滑坡預(yù)警提供技術(shù)支持。

圖7　牛馬場滑坡后緣拉陷槽Fig.7 The surface cracks of Niumachang landslide

表2　1號監(jiān)測點典型數(shù)據(jù)Table 2　Typical data of No.1 Monitoring

圖8　裂縫變化值柱狀圖Fig.8 The histogram of crack change value

［1］ 周平根，姚磊華.滑坡監(jiān)測信息系統(tǒng)研制與開發(fā)［M］.中國地質(zhì)大學(xué)大學(xué)出版社，2005.

［2］ 肖 進.重大滑坡災(zāi)害應(yīng)急處置理論與實踐［D］.成都：成都理工大學(xué)，2009.

［3］ 付寶臣.高精度激光測距儀硬件電路研究［M］.南京理工大學(xué)，2007.

［4］ Richard Barnett，LarryO'Cull.嵌入式C語言編程與MicrochipPIC［M］.中國電力出版社，2005.

［5］ 魏 雄，王仁波.基于GPS/GPRS的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)［J］.儀器儀表學(xué)報，2008.

［6］ Lam H K， et al.Tuning of the Structure and Parameter of Neural Network Using an Improved Genetic Algorithm IndustrialElectronics Society ［J］.Denver ， CO ， USA IECON'01 ，2001.

The research and application of landslide surface fi ssure monitoring system based on Non-contact Mode

LIU Yi-min1， 2
1.The Institute of Exploration Technology， CAGS， Chengdu 611734， Sichuan， China； 2.School of Manufacturing Science and Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， Sichuan， China

T he paper proposes a non-contact landslide surface fi ssure monitoring design based on laser ranging principle.T his i ntelligent monitoring design uses GPRS to transmit data an d this design will solve these technical problems such as vulnerable， disturbed and measurement errors， which exist in electromagnetic and contact-type landslide fi ssure monitors，meanwhile it also solve problems such as high cost， installation complexity and low real-time in GPS or total station.Th is method realizes real-time landslide monitoring with low cost， and i t has been carried out fi eld test on landslide in Bazhong City， Sichuan Province.With the great effect in landslide monitoring， this system will provide technical support in geological disaster prevention and reduction.

Landslide surface fi ssure； non-contact； laser ranging； GPRS； real-time monitoring

P642.22

B

1001—2427（2015）04 - 137 -5

2015-06-05;

2015-12-13

國土資源部地質(zhì)礦產(chǎn)評價專項項目，巴中地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測，項目編號1212011220169

劉一民（1984—），男，四川成都人，中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所工程師；四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院在讀博士.