MSR地基邊坡雷達(dá)在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

于 淼 胡福根 任凱珍

（北京市地質(zhì)研究所）

雷達(dá)是無線電探測和測距的縮寫，其主要用途是利用電磁波探測和定位目標(biāo)體的距離、方位、速度等信息。1904年，德國人克里斯蒂安·胡爾梅耶（Christian Hulsmeyer）發(fā)明了船用防撞雷達(dá)，首次使用無線電波完成了遠(yuǎn)距離金屬目標(biāo)探測，此后雷達(dá)技術(shù)在軍事偵察與防御、海洋表面波測量、空中交通控制、氣象降水探測、交通超速探測等許多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。21世紀(jì)以來，地基雷達(dá)技術(shù)迅速發(fā)展，地基雷達(dá)系統(tǒng)是布設(shè)在監(jiān)測目標(biāo)體較近距離地面上的雷達(dá)測量系統(tǒng)的統(tǒng)稱，因此，地基雷達(dá)系統(tǒng)能夠根據(jù)觀測目標(biāo)形變場的演化特征靈活安置，并多采用波

長更短的Ku波段或X波段，能夠以毫米—亞毫米級監(jiān)測精度對目標(biāo)體進(jìn)行實時監(jiān)測，較好地彌補(bǔ)了星載雷達(dá)入射角單一、重訪周期長等不足。目前，該技術(shù)在國內(nèi)外邊坡變形［1-4］、崩塌［5］和滑坡［6-8］等地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測和救援中得到應(yīng)用，取得了較好應(yīng)用成果，驗證了地基雷達(dá)動態(tài)、高分辨率、高精度識別變形區(qū)的優(yōu)勢。本研究利用南非陸泰克采礦公司（Reutech Mining）生產(chǎn)的MSR（Movement and Surveying Radar）真實孔徑邊坡雷達(dá)（本研究簡稱MSR邊坡雷達(dá)），對北京冬奧會延慶賽區(qū)3處邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性監(jiān)測，分析監(jiān)測時段內(nèi)的成果數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了地基真實孔徑雷達(dá)微小形變監(jiān)測實用化，探討了該設(shè)備在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的優(yōu)越性與可行性，進(jìn)一步為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警提供重要技術(shù)支撐和手段。

1 MSR邊坡雷達(dá)工作原理

目前國內(nèi)外應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的雷達(dá)種類較多，技術(shù)成熟并用于商用的主要有意大利IBIS系列地基雷達(dá)、南非MSR系列雷達(dá)、澳大利亞SSR雷達(dá)、瑞士GPRI雷達(dá)、荷蘭FastGBSAR雷達(dá)以及中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院S-SAR雷達(dá)和內(nèi)蒙古方向圖公司MPDMR-HSA，按照干涉成像方式的不同劃分為合成孔徑雷達(dá)與真實孔徑雷達(dá)2類［9］，其中GPRI、MSR、SSR屬于真實孔徑雷達(dá)范疇，2種類型雷達(dá)在技術(shù)原理、外觀設(shè)計、工作范圍、圖像解譯、參數(shù)校正、預(yù)測預(yù)警等方面有較大差別。MSR邊坡雷達(dá)測量的原理：通過碟型雷達(dá)天線向目標(biāo)發(fā)射X波段電磁波，然后捕捉記錄了目標(biāo)相關(guān)信息的回波，近而推導(dǎo)出運(yùn)動目標(biāo)的軌跡，并預(yù)測未來的位置［10］。在邊坡形變監(jiān)測中MSR雷達(dá)具體原理為電磁波對邊坡同一點連續(xù)2次監(jiān)測，獲得相位差（Δφ），計算出邊坡表面的位移量（Δd）（圖1）。

1.1 絕對位移

絕對位移（S）是雷達(dá)與目標(biāo)體間的距離。電磁波從天線發(fā)射至目標(biāo)物用時為t1，經(jīng)目標(biāo)體反射后被接收用時為t2，MSR邊坡雷達(dá)可精確測量電磁波從發(fā)射到接收的時間T，即T=t1+t2，以此計算出邊坡雷達(dá)與目標(biāo)物的距離為式中，C為電磁波在空氣中的傳播速度，即光速，m/s。絕對距離測量主要應(yīng)用于構(gòu)建目標(biāo)體的三維模型。

1.2 相對位移

相對位移（Δd）是已確定的目標(biāo)體發(fā)生位移變化的量，可從第2次以后的反射電磁波信號相位變化量計算得到。雷達(dá)第1次接收目標(biāo)體反射波的相位為φ1，若監(jiān)測目標(biāo)發(fā)生移動，再次接收到目標(biāo)體反射波相位為φ2，2次相位的變化可推算出相對位移，即Δd=（φ2-φ1）λ/（4π）。相對位移反映出目標(biāo)體的運(yùn)動變化情況。

2 系統(tǒng)組成及技術(shù)參數(shù)

地基雷達(dá)系統(tǒng)組成主要包括雷達(dá)傳感器、能量供應(yīng)單元、數(shù)據(jù)采集和存儲單元以及數(shù)據(jù)處理模塊等。MSR邊坡雷達(dá)系統(tǒng)如圖2所示，分為硬件和軟件2個部分，硬件部分主要有①雷達(dá)機(jī)電裝置，包括雷達(dá)天線、接收器、天線定位裝置等；②供電裝置，包括發(fā)電機(jī)（選配）、蓄電池、充電控制器等；③其他附件，包括簡易氣象站、數(shù)據(jù)傳輸模塊、聲光警示裝置、工具箱、Leica TC450全站儀等。軟件系統(tǒng)為基于Linux（紅帽）操作系統(tǒng)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析軟件MSR HMI。系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表1。

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3 系統(tǒng)優(yōu)點

目前MSR邊坡雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外獲得廣泛應(yīng)用［11-12］，與傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測方法相比，使用MSR邊坡雷達(dá)進(jìn)行邊坡監(jiān)測有以下優(yōu)點。

（1）MSR邊坡雷達(dá)系統(tǒng)為真實孔徑雷達(dá)，系統(tǒng)無需輔助人工DTM（數(shù)字地形圖）模型即可自動獲得或讀取已有的真三維DTM數(shù)據(jù)，兼容多種GIS數(shù)據(jù)，在三維環(huán)境下顯示監(jiān)測結(jié)果。

（2）MSR雷達(dá)系統(tǒng)采用車載方式，能夠快速移動、架設(shè)，2次掃描（2 min內(nèi)）即可獲得監(jiān)測目標(biāo)的位移變化量，能夠在靈活、快速地對存在隱患的邊坡進(jìn)行監(jiān)測。

（3）MSR雷達(dá)具有監(jiān)測精度高、范圍廣、空間分辨率高、采樣間隔短的優(yōu)勢，能以毫米級精度獲取目標(biāo)邊坡形變數(shù)據(jù)，確定目標(biāo)監(jiān)測區(qū)內(nèi)最大位移發(fā)生的位置，可避免常規(guī)監(jiān)測中常發(fā)生的采樣周期間隔較長和數(shù)據(jù)不連續(xù)或丟失等問題。

（4）MSR雷達(dá)系統(tǒng)原理為電磁波的反射與干涉，無需在被測邊坡上布設(shè)固定監(jiān)測設(shè)備（棱鏡、標(biāo)靶等），即使監(jiān)測邊坡發(fā)生失穩(wěn)，也不會造成監(jiān)測設(shè)備的損失。

（5）MSR雷達(dá)集成度大氣校準(zhǔn)模塊，受雨、塵、霧、雪、氣壓、高寒等氣候條件影響較小，氣候適應(yīng)性強(qiáng)，最大程度排除大氣影響，有效保證各種氣候條件下使用的穩(wěn)定性。

（6）MSR雷達(dá)系統(tǒng)可對失穩(wěn)邊坡進(jìn)行全過程的連續(xù)監(jiān)測，可劃分圈定多個重點關(guān)注區(qū)域，根據(jù)位移量、位移速度和位移加速度對目標(biāo)區(qū)域劃分不同等級的閾值進(jìn)行自動預(yù)警，能以聲音、短信、郵件等多種方式發(fā)出報警。

4 應(yīng)用情況

4.1 應(yīng)用基礎(chǔ)

MSR邊坡雷達(dá)系統(tǒng)能夠以較快的速度獲取雷達(dá)系統(tǒng)與目標(biāo)體間的絕對距離與相對位移，經(jīng)處理軟件結(jié)算生成監(jiān)測區(qū)域的整體位移分布信息，即累計位移圖，2次以上掃描周期可計算繪制變形曲線，即形變速率。眾所周知，累計位移、形變速率、形變加速度是滑坡預(yù)測和邊坡變形監(jiān)測中重要的3項判斷標(biāo)準(zhǔn)，累積位移曲線為判斷滑坡進(jìn)入臨滑階段最直接、有效的依據(jù)，若滑坡進(jìn)入臨滑階段，位移曲線的特點是隨著時間的增加，每次掃描得到的位移量持續(xù)增大；相較于累積位移曲線，速度曲線可更明確地表示潛在危險區(qū)域的運(yùn)動狀態(tài)，據(jù)此可確定邊坡變形處于減速、等速或加速狀態(tài)，是劃分邊坡失穩(wěn)臨滑階段的重要依據(jù)。MSR邊坡雷達(dá)具有多級報警功能，可由用戶自定義設(shè)置，根據(jù)不同的監(jiān)測對象，利用累計位移、形變速率、形變加速度的單一指標(biāo)或綜合指標(biāo)觸發(fā)報警，以聲音、短信、郵件等多種方式發(fā)出報警。

4.2 應(yīng)用案例

2020年8月12日，北京市普降暴雨，為應(yīng)對強(qiáng)降雨天氣，掌握地質(zhì)災(zāi)害隱患點變形信息，保障北京冬奧會和冬殘奧會延慶賽區(qū)場館建設(shè)及相關(guān)配套設(shè)施施工安全，本研究利用MSR邊坡雷達(dá)對北京冬奧會延慶賽區(qū)3處邊坡開展了應(yīng)急監(jiān)測，詳情如下。

4.2.1 邊坡1

該隱患點為自然形成的巖質(zhì)邊坡，位于競速結(jié)束區(qū)下方，坡體底部正在進(jìn)行雪道基礎(chǔ)施工，MSR邊坡雷達(dá)架設(shè)在邊坡對面半山腰，掃描面積共計457 540.9 m2，根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)置2處重點監(jiān)測區(qū)域、3處重點監(jiān)測點，并建立邊坡三維立體模型。通過累計位移圖可清晰地觀察到掃描區(qū)域呈斑雜狀的色譜變化，2處重點監(jiān)測區(qū)域沒有明顯區(qū)域性位移，斑雜的色譜為植被對雷達(dá)波影響所致，不能完全代表巖土體本身的形變特征。3處重點監(jiān)測點處基巖裸露，位移曲線顯示P#1最大累計形變位移12 mm，P#2最大累計形變位移13.5 mm，山脊處裸露巖體P#3無位移形變，2處發(fā)生位移區(qū)域形變時間為17日22時30分—23時30分，形變速率由小變大再變小后歸于零，主要為坡面松散碎石土體受強(qiáng)降雨影響，在高陡的坡體上發(fā)生微小形變。

4.2.2 邊坡2

該巖質(zhì)邊坡位于競速結(jié)束區(qū)，監(jiān)測時段內(nèi)云霧較大，MSR邊坡雷達(dá)受雨、塵、霧、雪天氣影響小，可有效保證各種氣候條件下使用的穩(wěn)定性，彌補(bǔ)了常規(guī)目視形變監(jiān)測方法不足。本次工作對監(jiān)測邊坡建立三維模型的同時，繪制了監(jiān)測區(qū)域的地形圖件，根據(jù)累計位移和形變速率曲線成果，對監(jiān)測時段內(nèi)邊坡整體和選定5個監(jiān)測點進(jìn)行穩(wěn)定性評價。結(jié)果顯示：該邊坡監(jiān)測時段內(nèi)整體穩(wěn)定；P#15崩塌隱患點和主賽道P#4點未監(jiān)測到位移數(shù)據(jù)，狀態(tài)穩(wěn)定；賽道P#3、P#6這2處發(fā)生無規(guī)律位移，其中P#3最大形變位移3 mm，P#6最大形變位移3.5 mm，其產(chǎn)生變形原因為施工作業(yè)擾動；P#0形變速率具有振蕩反復(fù)性，累計位移最終趨于0 mm，其產(chǎn)生變形原因為植被晃動干擾。

4.2.3 邊坡3

該點處巖體陡峻，節(jié)理發(fā)育，雷達(dá)監(jiān)測時段內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)。累計位移圖小部分區(qū)域呈斑雜狀的色譜變化，與坡體表層植被分布基本吻合，為植被對雷達(dá)波影響導(dǎo)致點云紛雜，不代表巖土體本身的形變特征。5處裸露基巖未測得位移變化數(shù)據(jù)，基巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié) 論

本研究簡要介紹了MSR地基邊坡雷達(dá)測量技術(shù)原理、系統(tǒng)組成及技術(shù)參數(shù)，分析總結(jié)了MSR地基邊坡雷達(dá)在邊坡形變測量上的優(yōu)勢，結(jié)合北京冬奧會延慶賽區(qū)3處邊坡應(yīng)急監(jiān)測應(yīng)用成果，主要結(jié)果如下。

（1）MSR邊坡雷達(dá)具有非接觸、范圍廣、速度快、受天氣影響小的優(yōu)勢，可以“掃面式”進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，成果可以進(jìn)行三維建模和地形圖繪制，形象直觀；其亞毫米級的形變監(jiān)測能力，可為安全生產(chǎn)提供強(qiáng)大的技術(shù)保障，已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，并成為邊坡變形新技術(shù)手段之一。

（2）北京冬奧會延慶賽區(qū)3處邊坡應(yīng)急監(jiān)測結(jié)果顯示，MSR邊坡雷達(dá)能夠較好地對地質(zhì)災(zāi)害隱患邊坡進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測，通過累計位移圖和形變速率曲線，可有效評價目標(biāo)區(qū)域或目標(biāo)體的穩(wěn)定性。但3處隱患邊坡累計位移圖均可清晰地觀察到掃描區(qū)域呈斑雜狀的色譜變化，綜合累計位移曲線周期性變化和形變速率曲線不規(guī)律性，確定是由于植被引起的擾動和失相干現(xiàn)象，不能夠準(zhǔn)確的代表巖土體的微小變化趨勢。

（3）MSR邊坡雷可以實現(xiàn)邊坡的實時監(jiān)測、自動預(yù)警，但其僅僅是監(jiān)測邊坡表面的位移變化，屬于事后監(jiān)測預(yù)警。崩塌或滑坡往往是邊坡體長期受到多個因素累積作用影響，并在某一時段在特殊誘因下發(fā)生，只有通過對邊坡穩(wěn)定性內(nèi)部機(jī)理的評價研究，再結(jié)合邊坡雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)對邊坡表面位移的實時動態(tài)監(jiān)測預(yù)警，才可以有效預(yù)防邊坡發(fā)生滑坡和坍塌。

綜上所述，MSR邊坡雷在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，研究成果可為當(dāng)?shù)卣凸芾聿块T制定防災(zāi)減災(zāi)措施提供技術(shù)依據(jù)。