數(shù)字式遠(yuǎn)程地表裂縫三維測(cè)量?jī)x研制

王洪輝，劉 崎，庹先國(guó)，聶東林，李 鄢，孟令宇

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），四川 成都 610059；2.四川理工學(xué)院，四川 自貢 643000）

0 引 言

目前，滑坡監(jiān)測(cè)作為地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)減緩的重要措施之一，正越來(lái)越受到人們的重視[1-3]。根據(jù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)來(lái)分，滑坡監(jiān)測(cè)包括地質(zhì)宏觀形跡監(jiān)測(cè)、地面位移監(jiān)測(cè)、深部位移監(jiān)測(cè)、誘發(fā)因素監(jiān)測(cè)、水壓力監(jiān)測(cè)和滑坡地球物理、地球化學(xué)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等[4]。從監(jiān)測(cè)方法來(lái)看，通常有地面宏觀形跡的簡(jiǎn)易觀測(cè)、地面儀器監(jiān)測(cè)、空間遙測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)[5-7]。以地面相對(duì)位移監(jiān)測(cè)為例，它是測(cè)量地表裂縫兩側(cè)點(diǎn)與點(diǎn)之間的相對(duì)位移變化量的一種監(jiān)測(cè)方法，由最初的人工標(biāo)記或鋼尺簡(jiǎn)易測(cè)量，到現(xiàn)在的自動(dòng)化遙測(cè)[8-9]，在裂縫滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警上發(fā)揮了重要作用。

滑坡裂縫的發(fā)育包含了縱向下挫、橫向張裂、側(cè)向滑動(dòng)3個(gè)分量，對(duì)于臨滑預(yù)警或高速滑坡來(lái)講，測(cè)量裂縫的綜合位移變化是可以的[9]。但如果要對(duì)滑坡裂縫的發(fā)育情況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，特別是蠕動(dòng)型和慢速滑坡，需要分析其到底朝哪個(gè)方向滑移？該方向的滑移量是多少？采用直接測(cè)量裂縫兩端綜合位移的方法則無(wú)能為力，必須對(duì)測(cè)量方法和測(cè)量裝置進(jìn)行改進(jìn)?；诖耍疚奶岢鲆环N數(shù)字式遠(yuǎn)程地表裂縫的三維測(cè)量方法，可以有效解決滑坡裂縫三分量測(cè)量，為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、定性定量分析提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由兩個(gè)子系統(tǒng)組成，即完成野外數(shù)據(jù)測(cè)量與傳輸?shù)臏y(cè)量節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)[10]；接收數(shù)據(jù)并傳輸?shù)絇C機(jī)用于災(zāi)害分析的室內(nèi)主機(jī)子系統(tǒng)。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

測(cè)量節(jié)點(diǎn)主要由單片機(jī)控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、電源管理單元、GSM無(wú)線數(shù)傳單元組成（北斗通信方式亦可[11]），安裝于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)。室內(nèi)主機(jī)由GSM無(wú)線數(shù)傳單元、CMOS/RS232電平轉(zhuǎn)換單元、PC機(jī)組成，安裝于監(jiān)測(cè)中心。

測(cè)量節(jié)點(diǎn)各單元功能：1）單片機(jī)控制單元作為測(cè)量節(jié)點(diǎn)的核心，用于數(shù)據(jù)測(cè)量的控制計(jì)算、GSM無(wú)線通信以及系統(tǒng)的開(kāi)、停機(jī)的控制；2）數(shù)據(jù)采集單元將傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的濾波、變幅及阻抗匹配；3）電源管理單元用于DC-DC高效率變換及各單元電源的開(kāi)關(guān)控制，測(cè)量節(jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能（30 W）+蓄電池（70 Ah）供電[12]；4）GSM 無(wú)線數(shù)傳單元由M72-D集成GSM模塊、SIM卡及吸盤天線組成，以GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

室內(nèi)主機(jī)各單元功能：1）GSM無(wú)線數(shù)傳單元負(fù)責(zé)對(duì)各測(cè)量節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行接收，再采用CMOS/RS232電平轉(zhuǎn)換單元將數(shù)據(jù)上傳PC機(jī)；2）PC機(jī)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)裂縫數(shù)據(jù)分析的顯示與數(shù)據(jù)庫(kù)管理[13]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 單片機(jī)控制單元

系統(tǒng)單片機(jī)選用目前業(yè)內(nèi)最小尺寸汽車級(jí)MCUC8051F530，采用4mm×4mmQFN封裝和TSSOP-20封裝，大大節(jié)省了PCB的占用面積，便于儀器的小型化及野外安裝。此外，C8051F530的停機(jī)模式下，其工作電流僅為0.1 μA，能夠滿足野外低功耗、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

采用KTC系列電阻型拉桿式位移傳感器直接測(cè)量裂縫兩側(cè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)綜合位移，傳感器輸出的直流電壓信號(hào)隨拉伸距離的改變而變化，但傳感器輸出的電壓范圍與C8051F530內(nèi)部ADC的電壓測(cè)量范圍不匹配，因此需要一級(jí)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波及變幅。C8051F530內(nèi)部集成有24位ADC，可直接對(duì)信號(hào)調(diào)理電路輸出的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量采集。角度傳感器采用SCA100T，其測(cè)量范圍±90°，分辨率達(dá) 0.002°，11 位SPI數(shù)字輸出，該傳感器具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、溫漂小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于C8051F530只有一個(gè)SPI接口，因此需采用多路選通電路（結(jié)構(gòu)圖和電路圖如圖2與圖3所示）分別對(duì)兩個(gè)角度傳感器進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)采集。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)圖

圖3 多路選通電路圖

2.3 GSM無(wú)線數(shù)傳單元

測(cè)量節(jié)點(diǎn)以單片機(jī)C8051F530為核心，通過(guò)UART與GSM/GPRS無(wú)線數(shù)傳單元M72-D進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，再通過(guò)SIM卡與GSM建立連接，按GSM/GPRS方式發(fā)送數(shù)據(jù)到室內(nèi)主機(jī)。C8051F530與M72-D的電路連接示意圖如圖4所示。

圖4 M72-D與C8051F350連接電路

M72-D是一款自主研發(fā)的支持GSM900/DCS1800雙頻段的無(wú)線通信模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令，直接通過(guò)UART與主控單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3 三維測(cè)量方法

本系統(tǒng)提出的三維測(cè)量方法及其裝置由一個(gè)電阻型拉桿式位移傳感器、角度傳感器1、角度傳感器2、固定樁A及測(cè)量樁A0組成，如圖5所示。

測(cè)量裝置狀態(tài)如固定樁A-測(cè)量樁A0所示，電阻型拉桿式位移傳感器的拉伸長(zhǎng)度是L0，測(cè)量樁A0與固定樁A的水平夾角即下挫角度為α0，側(cè)移角度為β0，單片機(jī)上電初始化后由式（1）～式（3）計(jì)算出當(dāng)前X軸、Y軸、Z軸的初始值分別為

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)量周期t時(shí)刻后，測(cè)量樁的位置發(fā)生了移動(dòng)，裝置變成固定樁A-測(cè)量樁A0′的狀態(tài)，此時(shí)電阻型拉桿式位移傳感器的拉伸長(zhǎng)度為L(zhǎng)t，測(cè)量樁A0′與固定樁A的水平夾角即下挫角度變?yōu)棣羣，側(cè)移角度為βt，計(jì)算當(dāng)前X、Y、Z軸的當(dāng)前值：

進(jìn)一步，可得到滑坡造成的三維測(cè)量的變化值為

圖5 系統(tǒng)三維測(cè)量方法示意圖

以上所述得到的 ΔXt、ΔYt、ΔZt即是一次測(cè)量周期測(cè)得的地表裂縫三維測(cè)量變化值。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

本系統(tǒng)（數(shù)字式遠(yuǎn)程地表裂縫三維測(cè)量?jī)x）的技術(shù)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 儀器技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量節(jié)點(diǎn)如圖6所示，室內(nèi)主機(jī)如圖7所示。系統(tǒng)三維位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)如下：

1）將拉桿式位移傳感器的初始長(zhǎng)度L0固定為10cm，將圖5所示的下挫角度α和側(cè)移角度β分別固定為20°和50°，分別以步進(jìn)3cm和3°遞增改變拉桿式位移傳感器的長(zhǎng)度L和下挫角度α，測(cè)量10組數(shù)據(jù)（X1、Y1、Z1分別代表X、Y、Z軸分量），圖 8（a）所示。

圖6 測(cè)量節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

圖7 室內(nèi)主機(jī)實(shí)物圖

圖8 三維位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

圖9 滑坡裂縫位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（2016年7月）

2）再將拉桿式位移傳感器的初始長(zhǎng)度L0固定為10cm，下挫角度α和側(cè)移角度β分別固定為20°和30°，分別以步進(jìn)3cm和3°遞增改變拉桿式位移傳感器的長(zhǎng)度L和側(cè)移角度β，測(cè)量10組數(shù)據(jù)（X2、Y2、Z2分別代表X、Y、Z軸分量），圖 8（b）所示。

本系統(tǒng)已應(yīng)用于四川省綿陽(yáng)市安縣某滑坡監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，圖9為2016年7月一次連續(xù)降雨導(dǎo)致滑坡的監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維位移測(cè)量數(shù)據(jù)，其中，1#曲線反映的是傳統(tǒng)儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（綜合位移）。

從圖9可知：

1）該滑坡于2016年7月10開(kāi)始明顯滑移，7月16日趨于穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間6d，綜合位移曲線顯示累積位移量35.3mm，平均滑移速率5.88mm/d；最大當(dāng)日累積位移9.7mm。

2）傳統(tǒng)儀器只能監(jiān)測(cè)裂縫的綜合位移（1#曲線），而本測(cè)量?jī)x還能監(jiān)測(cè)X、Y、Z3 向位移（2#、4#、3# 曲線），3 向累積位移量分別為 6.93，11.49，6.68mm。

3）通過(guò)X向位移、Y向位移和Z向位移可以看出，滑體主要沿垂直裂縫方向（Y向）滑動(dòng)，并伴隨向下（Z向）移動(dòng)，而水平（X向）移動(dòng)不明顯。

上述表明本文提出的三維測(cè)量方法能有效地反映出滑坡滑移的走向。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種數(shù)字式遠(yuǎn)程地表裂縫的三維測(cè)量方法，并設(shè)計(jì)了測(cè)量裝置以及對(duì)應(yīng)的電子電路，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的野外地表裂縫監(jiān)測(cè)基于直接測(cè)量裂縫兩邊綜合位移而導(dǎo)致不能準(zhǔn)確得出滑坡走向及其分量的缺點(diǎn)，一定程度上提高了監(jiān)測(cè)預(yù)警儀器的分析能力。實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，三分量位移值對(duì)于準(zhǔn)確定位滑坡裂縫走向是有效的，為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、定性定量分析裂縫提供了依據(jù)。

[1]唐亞明，張茂省，薛強(qiáng)，等.滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及評(píng)述[J].地質(zhì)論評(píng)，2012（3）：533-541.

[2]何滿潮，韓雪，張斌，等.滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)與工程應(yīng)用 [J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22（4）：337-342.

[3]LIU Y，LIU D，QIN Z，et al.Rainfall data feature extraction and its verification in displacement prediction ofBaishuihe landslide in China[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2016，75（3）：897-907.

[4]張菖，陳志文，韋猛，等.基于BIM的三維滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法及應(yīng)用[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（3）：377-384.

[5]BHATTACHARYA A，MUKHERJEE K.Review on In-SAR based displacement monitoring of Indian Himalayas:issues,challenges and possible advanced alternatives[J].Geocarto International，2017，32（3）：298-321.

[6]WANG C，MAO X，WANG Q.Landslide displacement monitoring by a fully polarimetric SAR offset tracking method[J].Remote Sensing，2016，8（8）：624.

[7]FEMANDEZ P，WHITWORTH M.A new technique for the detection of large scale landslides in glacio-lacustrine deposits using image correlation based upon aerial imagery:A case study from the French Alps[J].International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，2016（52）：1-11.

[8]陳熠琦.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2016.

[9]WANG H，TUO X G，ZHANG G，et al.Panzhihua airport landslide（Oct.3rd 2009） and an emergency monitoring and warning system based on theinternet of things[J].Journal of Mountain Science，2013，10（5）：873-884.

[10]雷斌，張?chǎng)?基于WSN野外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用層通信協(xié)議的研究[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2015，34（2）：43-46.

[11]廖斌，王洪輝，庹先國(guó)，等.基于北斗通信的滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2014，29（5）：22-25.

[12]廖斌，庹先國(guó)，王洪輝，等.基于HTTP協(xié)議的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2014，29（11）：28-31.

[13]張兆義，庹先國(guó)，王洪輝，等.地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)設(shè)備太陽(yáng)能高效供電技術(shù)研究[J].自動(dòng)化與儀表，2011，26（9）：43-46.