基于“天空地”一體化技術(shù)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

鄔昱昆，肖亞子，樊恒通，鄭 浩，李江浪

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

0 引 言

金沙江上游由于地震活動(dòng)頻繁，河谷強(qiáng)烈下切，岸坡高陡狹窄，巖體破碎，歷史上發(fā)生了較多大規(guī)模的滑坡堵江事件[1]。2018年10月11日和2018年11月3日，西藏自治區(qū)江達(dá)縣波羅鄉(xiāng)白格村附近金沙江右岸先后發(fā)生2次大規(guī)模高位滑坡堵江事件，堰塞湖庫(kù)容最大超過(guò)5億m3。11月13日潰堰時(shí)，潰口洪峰流量達(dá)31 000 m3/s，至下游拉哇水電站流量約22 000 m3/s，雖然洪峰持續(xù)時(shí)間短，但洪峰流量達(dá)壩址萬(wàn)年一遇洪水的2倍。白格潰堰洪水對(duì)下游拉哇庫(kù)區(qū)的不良地質(zhì)體前緣坡腳沖刷嚴(yán)重，對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生了不同程度的影響。

國(guó)家有關(guān)部門(mén)及電站建設(shè)管理單位高度重視，要求對(duì)拉哇庫(kù)區(qū)主要不良地質(zhì)體建立必要的監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，為金沙江上游各電站建設(shè)安全提供數(shù)據(jù)支持。本文以拉哇庫(kù)區(qū)某滑坡體為例，運(yùn)用星載InSAR技術(shù)、無(wú)人機(jī)技術(shù)與地面監(jiān)測(cè)設(shè)備相結(jié)合的方式，建立“天空地”一體化的滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并結(jié)合智能監(jiān)控及預(yù)警平臺(tái)，及時(shí)向主管部門(mén)報(bào)送監(jiān)測(cè)信息，為工程建設(shè)安全提供數(shù)據(jù)支持。

1 滑坡體概況

1.1 基本特征

滑坡體位于拉哇水電站壩址上游約66 km的金沙江右岸，上游、下游以小溝槽為界，后緣呈椅形地貌，主要分布于2 644～3 230 m高程之間的凹坡地帶，后緣山頂高程為3 400～3 750 m?；麦w地形上緩下陡，前緣已抵入金沙江，3 125 m高程以上地形坡度一般在15°～25°，3 125 m高程以下地形坡度一般為25°～35°，局部為40°左右。滑坡體順河方向?qū)挾燃s300 m，縱向長(zhǎng)度約760 m。

1.2 變形區(qū)劃分

根據(jù)滑坡體地貌形態(tài)、厚度變化及變形特征，將滑坡體劃分為2個(gè)區(qū)段(見(jiàn)圖1)。Ⅰ區(qū)厚度45～70 m，體積約370萬(wàn)m3；Ⅱ區(qū)厚度10～30 m，體積約595萬(wàn)m3，總體積合計(jì)965萬(wàn)m3。

圖1 滑坡體全貌

1.3 變形情況

白格“10.11”和白格“11.3”潰堰洪水后，推算該滑坡體前緣河水位最大漲幅分別達(dá)18.6 m和36 m。洪水退去后，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡體前緣受洪水淘刷切腳，2 610 m高程以下岸坡均有淺表層垮塌現(xiàn)象，2 720 m 高程以下局部有新生錯(cuò)臺(tái)，2 720 m高程以上未發(fā)現(xiàn)明顯變化；2018年12月，滑坡體后緣高程2 980 m 附近發(fā)現(xiàn)有新生裂縫，寬5～20 cm、長(zhǎng)5～15 m，裂縫不貫穿、無(wú)錯(cuò)臺(tái)，滑坡體Ⅱ區(qū)未發(fā)現(xiàn)有新的變形跡象；2019年4月，2 980 m高程裂縫已貫通，并拉裂形成高2～2.5 m的錯(cuò)臺(tái)。2020年3月，2 980 m高程處錯(cuò)臺(tái)高度發(fā)展至5 m左右，Ⅰ區(qū)后緣及兩側(cè)見(jiàn)新生裂縫，局部有新生錯(cuò)臺(tái)；2020年5月，Ⅰ區(qū)微地貌形態(tài)變化明顯，邊坡變形嚴(yán)重，3 000 m高程以下邊坡后緣及上游、下游兩側(cè)邊界處存在貫通性新生拉裂錯(cuò)臺(tái)，后緣錯(cuò)臺(tái)高度增加至6 m左右，坡體內(nèi)發(fā)現(xiàn)多級(jí)新生錯(cuò)臺(tái)，錯(cuò)臺(tái)高度1～4 m，前緣見(jiàn)縱向新生裂縫，坡體內(nèi)局部錯(cuò)臺(tái)呈外高、內(nèi)低的反坎。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查成果表明，潰堰洪水過(guò)后，該滑坡體變形逐步發(fā)展，如變形加劇發(fā)生滑坡，則存在堵江風(fēng)險(xiǎn)。

2 “天空地”一體化監(jiān)測(cè)體系

2.1 天——InSAR合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)

InSAR合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(Interferometric SAR)技術(shù)，利用對(duì)同一地區(qū)同一軌道觀測(cè)獲取的多景合成孔徑雷達(dá)影像進(jìn)行干涉差分處理，得到三維地表形變信息。它具有大范圍、全天候、非接觸、可回溯、高性價(jià)比等特點(diǎn)，適用于庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)。

本文采用哨兵1號(hào)(Sentinel-1)作為觀測(cè)衛(wèi)星，考慮滑坡體變形特性和雷達(dá)衛(wèi)星視角，影像數(shù)據(jù)選取2016年12月～2020年4月共95期升軌影像數(shù)據(jù)，觀測(cè)圖像結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 2016年12月～2020年4月滑坡體差分干涉

圖3 2016年12月～2020年4月滑坡體變形累計(jì)(LOS方向)

圖4為2016年12月～2020年4月滑坡體變形時(shí)間序列。由圖4可知，2018年10月白格滑坡前，該滑坡體已存在緩慢變形，雷達(dá)視線方向變形速率約70 mm/a。2018年10月后，受上游白格滑坡泄洪對(duì)坡腳沖刷影響，滑坡體Ⅰ區(qū)及其上游影響區(qū)變形明顯加速，Ⅰ區(qū)雷達(dá)視線方向變形速率為520 mm/a，上游影響區(qū)部分區(qū)域雷達(dá)視線方向變形速率為400 mm/a。由于雷達(dá)視線方向與滑坡主滑方向不完全一致，因此滑坡體實(shí)際下滑速率更大，需考慮雷達(dá)視線方向、坡度方向和垂直沉降方向的幾何關(guān)系，將視線方向的形變速率轉(zhuǎn)化為坡度方向和垂直方向的形變速率[2]。

圖4 滑坡體變形時(shí)間序列(2016年12月～2020年4月)

2.2 空——無(wú)人機(jī)航拍調(diào)查

白格堰塞體滑坡后，拉哇庫(kù)區(qū)有橋梁被沖毀，道路中斷，部分滑坡體受交通條件限制無(wú)法到達(dá)。對(duì)人力無(wú)法到達(dá)的滑坡、陡崖或前緣塌岸等區(qū)域，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行三維測(cè)繪和地面調(diào)查，不僅可以保障調(diào)查人員的人身安全、提高工作效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約人力財(cái)力，還能夠清晰地顯示出地形構(gòu)造和變化，對(duì)于臨滑危險(xiǎn)、交通困難、植被覆蓋少的滑坡勘查工作具有明顯優(yōu)勢(shì)。

此外，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)搭載不同設(shè)備獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，還可生成數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)和三維地貌模型等，得到滑坡體基礎(chǔ)幾何數(shù)據(jù)和變形特征。

2.3 地——傳感器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)

在地面可采用多種監(jiān)測(cè)手段，進(jìn)行滑坡體變形及其影響因素的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，如GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))、拉線式位移計(jì)、深部測(cè)斜儀、滲壓計(jì)、雨量計(jì)、視頻監(jiān)控站等。根據(jù)建管單位要求，對(duì)該滑坡體安全監(jiān)測(cè)采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、分期實(shí)施的原則，首期布置GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)6點(diǎn)，其中主滑區(qū)布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，上游影響區(qū)布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示。另對(duì)重點(diǎn)區(qū)域輔助視頻監(jiān)控站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，視頻監(jiān)控采用大倍率長(zhǎng)焦距鏡頭，經(jīng)過(guò)后期程序開(kāi)發(fā)，可定時(shí)對(duì)所設(shè)置的區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)搜索、拍照和存儲(chǔ)，通過(guò)圖像對(duì)比技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)滑坡體變化情況，為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理提供直觀可靠的研究依據(jù)。

圖5 滑坡體GNSS測(cè)點(diǎn)布置示意

首期地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2020年5月建立完成，后期將根據(jù)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)一步完善監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?；麦wGNSS測(cè)點(diǎn)位移過(guò)程線如圖6所示。至2020年8月中旬，滑坡體持續(xù)變形，未見(jiàn)收斂。其中，Ⅰ區(qū)測(cè)點(diǎn)變形明顯，測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)水平位移約550 mm，累計(jì)下沉350 mm；Ⅱ區(qū)測(cè)點(diǎn)變形相對(duì)較小。滑坡影響區(qū)測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)水平位移約130 mm，累計(jì)下沉70 mm。

圖6 滑坡體GNSS測(cè)點(diǎn)位移過(guò)程線

3 智能監(jiān)控及預(yù)警平臺(tái)

“天空地”一體化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及信息采集完成后，為方便、高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、信息處理及分析，建立了拉哇水電站庫(kù)區(qū)不良地質(zhì)體智能監(jiān)控及預(yù)警平臺(tái)。平臺(tái)主要由InSAR監(jiān)測(cè)模塊、GNSS監(jiān)測(cè)模塊、視頻監(jiān)控模塊和告警模塊等組成，并接入當(dāng)?shù)厮摹庀笮畔?，利用WebGIS技術(shù)將監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行可視化展示。其中，InSAR監(jiān)測(cè)模塊可選擇不同監(jiān)測(cè)區(qū)域、日期進(jìn)行成果展示，并具有動(dòng)態(tài)形變演示功能；GNSS監(jiān)測(cè)模塊包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、圖表繪制、矢量圖展示、可視化場(chǎng)景等功能；視頻監(jiān)控模塊主要包括實(shí)時(shí)畫(huà)面和歷史畫(huà)面兩個(gè)功能，其中歷史畫(huà)面功能可定時(shí)搜索、存儲(chǔ)所設(shè)置區(qū)域的靜態(tài)圖像，以便進(jìn)行圖像對(duì)比；告警模塊包括歷史告警查詢、告警信息配置、告警閾值設(shè)置等功能，當(dāng)監(jiān)測(cè)成果超過(guò)告警閾值時(shí)，系統(tǒng)平臺(tái)根據(jù)級(jí)別進(jìn)行分級(jí)告警，平臺(tái)會(huì)實(shí)時(shí)顯示告警內(nèi)容，同時(shí)通過(guò)短信將告警信息及時(shí)發(fā)送到指定手機(jī)號(hào)碼上，內(nèi)容包括告警時(shí)間、部位、變形大小、速率和前期變形情況等信息。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)采用衛(wèi)星影像、無(wú)人機(jī)技術(shù)和地面監(jiān)測(cè)設(shè)備相結(jié)合的方式對(duì)拉哇庫(kù)區(qū)主要不良地質(zhì)體進(jìn)行“天空地”一體化的監(jiān)測(cè)，獲得高時(shí)間分辨率和高空間分辨率的監(jiān)測(cè)信息，解決以往滑坡“散點(diǎn)式”監(jiān)測(cè)的局限性，實(shí)現(xiàn)在宏觀把控的基礎(chǔ)上選取代表性測(cè)點(diǎn)揭示變形信息，為滑坡變形特征的全面評(píng)價(jià)提供了基礎(chǔ)[3]。

(2)利用WebGIS技術(shù)建立智能監(jiān)控及預(yù)警平臺(tái)，將采集的信息進(jìn)行在線處理、分析和可視化呈現(xiàn)，保證數(shù)據(jù)獲取的及時(shí)性、告警發(fā)布的準(zhǔn)確性和成果展示的直觀性。

(3)目前，空間數(shù)據(jù)獲取手段日新月異，衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、三維激光掃描、地基SAR、智能監(jiān)控等技術(shù)不斷發(fā)展，“天空地”一體化協(xié)同觀測(cè)模式成為安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢(shì)。需要進(jìn)一步研究多源多尺度、復(fù)雜環(huán)境下的協(xié)同觀測(cè)、信息智能化集成處理等技術(shù)，更好地為工程建設(shè)服務(wù)。