“空地潛一體化”技術(shù)在巡堤查險中的應(yīng)用

王 俊

(江蘇省水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210017)

堤防是防洪減災(zāi)的主要水利工程措施，我國已建堤防超30萬km，大量堤段堤基條件和堤身質(zhì)量較差，存在不同程度的安全隱患，較易發(fā)生崩岸、坍岸、滲漏、管涌等險情[1]。因此，定期進(jìn)行河道堤防巡視查險，有效監(jiān)測堤防安全穩(wěn)定，從而及時排查隱患十分必要。然而，利用常規(guī)的堤防巡視技術(shù)(如GPS監(jiān)測法、大地精密測量法、三維激光掃描技術(shù)等)，受人力、物力、財力等因素的限制，在巡視頻次、巡視指標(biāo)、巡視范圍上，往往無法滿足對沿岸堤防進(jìn)行整體、有效、綜合量化監(jiān)測的要求，不能及時、準(zhǔn)確地了解和掌握堤防的運行狀況。因此，在現(xiàn)有技術(shù)背景下，亟需探索準(zhǔn)確、高效、低成本的堤防巡視查險方案，從而實現(xiàn)河道堤防的動態(tài)監(jiān)測、準(zhǔn)確分析、科學(xué)預(yù)判，提前發(fā)現(xiàn)存在的險情，并將其消滅于隱患階段。本文針對國內(nèi)外多類先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行總結(jié)概述，在分析研究現(xiàn)狀和存在問題的基礎(chǔ)上提出用于堤防安全巡視查險的空地潛一體化監(jiān)測系統(tǒng)，為我國河道沿線堤防的現(xiàn)代化及科學(xué)化管理提供參考依據(jù)。

1 堤防巡視監(jiān)測新技術(shù)研究

近年來，越來越多的先進(jìn)測繪技術(shù)應(yīng)用于我國的水利工程建設(shè)中，為我國水利信息化發(fā)展提供了較為科學(xué)和直觀的依據(jù)。其中，最具代表性的新型監(jiān)測技術(shù)如星載合成孔徑雷達(dá)干涉測量、無人機(jī)傾斜攝影、多波束測深、高精度GNSS測量等，在水利工程的施工、變形監(jiān)測、運行管理等工作中得到初步應(yīng)用。

1.1 合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)(InSAR)

大堤在施工和使用過程中，在內(nèi)力及外力的影響下產(chǎn)生空間上的位移，一旦變形超過其所能承受的范圍，就會有坍塌的危險[2]。快速準(zhǔn)確地獲取變形數(shù)據(jù)是保障堤防安全所需解決的關(guān)鍵問題之一?，F(xiàn)有巡視監(jiān)測方法主要有全站儀[3]、光纖應(yīng)變[4]、近景攝影測量[5]、GPS[6]、三維激光掃描[7]等，上述巡視方法面臨工作量大、安裝使用不便、易受環(huán)境影響等不足。合成孔徑雷達(dá)干涉測量利用微波合成孔徑雷達(dá)圖像(SAR)數(shù)據(jù)對地表重復(fù)觀測形成的微波(1mm～1m)相位差計算地表形變，精度可以達(dá)到毫米級。同時，其具有抗干擾和非接觸等優(yōu)點，已在邊坡、大壩等變形監(jiān)測領(lǐng)域得到應(yīng)用。國際上，意大利、德國、日本、西班牙、法國等國已經(jīng)實現(xiàn)了國土全覆蓋的InSAR動態(tài)監(jiān)測[8]，歐盟正在開展全區(qū)域的監(jiān)測。國內(nèi)多所知名高校及相關(guān)研究院所也開展了利用InSAR對水庫、大壩、堤防等水利工程進(jìn)行變形監(jiān)測的研究，取得了一定的成效[9-11]。隨著衛(wèi)星硬件的不斷發(fā)展，重返周期會逐漸減小，空間分辨率也會越來越高，這為堤防大范圍巡視查險提供更可靠的數(shù)據(jù)源。

1.2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)(UVA)

傾斜攝影測量技術(shù)作為一項測繪遙感領(lǐng)域發(fā)展起來的高新技術(shù)，是通過建立多個傳感器并利用垂直和傾斜的多個角度對地面情況進(jìn)行拍攝，獲得的三維數(shù)據(jù)可以真實地反映地物的本來面貌，客觀再現(xiàn)了地物的外觀、結(jié)構(gòu)以及高度等屬性，其不僅可用于制作實景三維模型，且可以輸出DSM、DOM、DLG等數(shù)據(jù)成果[12]。同時，傾斜攝影測量技術(shù)具有高精度、大范圍等特點，可以在復(fù)雜場景下實現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)測繪處理。這種技術(shù)在水土保持監(jiān)測、河道監(jiān)測與監(jiān)管、防洪抗旱減災(zāi)、水利工程建設(shè)與管理等方面已得到廣泛的應(yīng)用。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用具有其獨特的優(yōu)勢[13]，在堤防巡視查險及建設(shè)管理過程中，利用無人機(jī)實現(xiàn)低空遙感測繪及檢測，可以得到快速高效的精準(zhǔn)信息，依靠其較強的機(jī)動性，高清的圖像與GPS系統(tǒng)有效結(jié)合，能夠提供更為科學(xué)的分析依據(jù)，實現(xiàn)水利堤防工程區(qū)域的快速調(diào)查，提高堤防安全巡視的可靠性。

1.3 高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)

早在20世紀(jì)90年代，我國在長江三峽等大型水利水電工程中就應(yīng)用GPS進(jìn)行變形監(jiān)測，后續(xù)在各類水庫、大壩、堤防等變形監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用，目前我國大多數(shù)研究都是基于GPS技術(shù)進(jìn)行實際應(yīng)用。自1958年美國研制GPS以來，GNSS受到了世界廣泛關(guān)注[14]，由于其全球覆蓋的特性，成為各國研究的重點。近年來，隨著我國北斗導(dǎo)航定位技術(shù)的投入使用及完善，極大彌補了GPS在載止高度角較大情況下無法固定的情況[15]。GNSS觀測手段具有精度高、選點靈活方便、監(jiān)測站之間無需通視、自動化程度高、具備全天候作業(yè)條件等優(yōu)點[16]。北斗/GPS/GLONASS/GALILEO等相結(jié)合的多模組合監(jiān)測技術(shù)將大大提升測量的精度，從而為局部岸段的巡視查險提供更加可靠的數(shù)據(jù)源。

1.4 多波束全覆蓋掃測技術(shù)(MBSS)

堤防工程是我國大江大河防洪體系的重要組成部分，部分堤防由于河段地質(zhì)條件差、河流動力較強，在季節(jié)性洪水過程中易出現(xiàn)堤腳淘刷、堤身失穩(wěn)等安全問題。因此，為了維護(hù)堤防工程的安全穩(wěn)定，需對水下地形的變化進(jìn)行不定期巡視監(jiān)測。水下地形的獲取主要利用單波束、多波束等水深測量設(shè)備獲取水體覆蓋的水底地形數(shù)據(jù)，并借助水深圖、等深圖等形式對其表達(dá)。多波束水下地形測量系統(tǒng)是由聲學(xué)儀器、GPS、姿態(tài)及航艏數(shù)字傳感器、計算機(jī)及配套軟件組成的高技術(shù)測深設(shè)備。與傳統(tǒng)單波束相比，多波束測深系統(tǒng)具有高分辨率、高精度和全覆蓋的特點，同時具有精確、高效、快捷和直觀等優(yōu)勢。多波束獲取的測深數(shù)據(jù)是對水下地形的高分辨率采樣，通常稱為“水下地形點云”，其獲取的數(shù)據(jù)不僅實現(xiàn)了水下地形的精細(xì)表達(dá)，且包含多類信息，可提高其評價的準(zhǔn)確性[17]。因此，在水利工程建設(shè)、水下地形測量、河勢變化監(jiān)測、水流場模擬等方面已得到了廣泛的應(yīng)用[18-19]。

2 空地潛一體化堤防安全巡視體系

為了對整體堤岸的穩(wěn)定性進(jìn)行定期巡視查險，利用星載InSAR、無人機(jī)傾斜攝影等現(xiàn)代化測量手段，不僅可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定期更新，保證巡視成果的現(xiàn)勢性，且其精度可達(dá)毫米級，為沿岸堤防的隱患排查提供了更為先進(jìn)的方法。同時，顧及堤防的穩(wěn)定性受多種因素的影響，通過單一巡視手段獲取數(shù)據(jù)無法有效地評估，故在大范圍巡視的基礎(chǔ)上輔以陸域、水下等多種局部定量測量技術(shù)，以便全方位、多角度地進(jìn)行堤防巡視查險，從而形成空、地、潛一體化堤防安全巡視體系。

(1)空域主要利用星載合成孔徑雷達(dá)技術(shù)獲取河道堤岸的多景干涉圖，并進(jìn)行多景干涉圖的合成及精度控制，進(jìn)行流域、區(qū)域空間尺度的遠(yuǎn)程巡視；利用低空傾斜攝影測量技術(shù)，開展對區(qū)域及局部尺度的堤岸相關(guān)監(jiān)測指標(biāo)的觀測，同時配合地基手段完成精細(xì)尺度的監(jiān)測目標(biāo)動態(tài)跟蹤，并進(jìn)行應(yīng)對突發(fā)事件的數(shù)據(jù)采集。

(2)陸域地表移動監(jiān)測作為空基遙感監(jiān)測的配合和補充手段，實現(xiàn)流域、區(qū)域、局部不同尺度的精準(zhǔn)監(jiān)測，主要用于對重點堤岸變化量的精確定量分析，典型的技術(shù)手段如北斗定位、地面LiDAR掃描、土體的深層位移及分層沉降、探地雷達(dá)等。

(3)水下地形十分復(fù)雜且無法直觀查看，水域的監(jiān)測數(shù)據(jù)主要利用多波束測深系統(tǒng)獲取水下地形的全覆蓋數(shù)據(jù)，并利用無人測量船、側(cè)掃聲吶獲取淺水區(qū)域的地形數(shù)據(jù)，可用于河勢及堤岸的侵蝕變化監(jiān)測。

上述空、地、潛不同層次的觀測數(shù)據(jù)互相補充配合，并進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的校驗和融合，形成了立體多維的綜合堤防安全巡視體系，為堤岸演變分析提供數(shù)據(jù)支撐，并為隱患排查提供高精度的觀測數(shù)據(jù)服務(wù)?？?、地、潛一體化堤防巡視體系如圖1所示。

圖1 空、地、潛一體化堤防安全巡視體系

3 基于空地潛一體化的多尺度巡堤方案

我國流域眾多，整體岸線較長，利用傳統(tǒng)的監(jiān)測方案進(jìn)行堤防巡視查險，不僅需要耗費大量的人力、物力、財力，且作業(yè)周期較長，效率低下。多尺度巡堤方案是在基于空、地、潛不同時空分辨率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上遵循“宏觀-局部-細(xì)部”的遞進(jìn)式監(jiān)測過程。首先，借助星載InSAR可進(jìn)行堤防的大范圍巡視，排查可能存在的安全隱患的區(qū)域，然后借助GNSS、超低空無人機(jī)、高精度水準(zhǔn)等的局部數(shù)據(jù)用于特定陸域的巡視及變化分析，同時借助超高分辨率水下多波束測深數(shù)據(jù)用于局部岸段水下巡視探測，最后針對重點岸段采用高清視頻進(jìn)行實時監(jiān)測。利用多尺度的巡堤方案，不僅可以降低堤防巡視的成本，有效地全局把握堤岸整體穩(wěn)定狀態(tài)，且能夠快速排查出存在隱患的區(qū)域并及時進(jìn)行處理。

3.1 堤防大范圍巡視及隱患排查

為了實現(xiàn)大范圍長線程堤岸的快速巡視查險，利用星載合成孔徑雷達(dá)干涉測量獲取整體岸線的InSAR全覆蓋數(shù)據(jù)，通過InSAR時序分析監(jiān)測岸線的整體穩(wěn)定性變化。在一般情況下，InSAR干涉圖的空間覆蓋為100 km2×100 km2，利用圖幅之間的空間覆蓋關(guān)系，通過多圖幅的整體處理和精度控制，將時間覆蓋相同的測量結(jié)果進(jìn)行綜合處理，實現(xiàn)岸線的整體快速獲取及形變場穩(wěn)定性分析，排查可能存在安全隱患的區(qū)域。

3.2 險工段及隱患段局部定量分析

在大范圍堤岸隱患排查的基礎(chǔ)上，借助超低空無人機(jī)及水下測深的局部數(shù)據(jù)進(jìn)行險工段及隱患區(qū)域的局部巡視及變化分析，探查風(fēng)險區(qū)域的影響因子。同時，利用高精度水準(zhǔn)、GPS組網(wǎng)觀測、土體變形監(jiān)測等更精確的測量方式確定其成因及可能的發(fā)展趨勢。此外，針對隱患堤段的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可采用探地雷達(dá)進(jìn)行無傷探測。特別是在汛期人工巡堤查險時，探地雷達(dá)探測仍然是判識堤防是否存在洞穴或裂縫的較高效的方法之一。

3.3 重點岸段的高清視頻監(jiān)測

在隱患排查及高頻次多尺度巡堤監(jiān)測的基礎(chǔ)上，還需針對重點岸段進(jìn)行不間斷的實時監(jiān)控。近年來隨著國內(nèi)視頻技術(shù)的迅速崛起[20]，基于高清視頻的技術(shù)已初步在防汛、河務(wù)、水政、水文多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。高清視頻監(jiān)測方法，主要是通過對實時傳輸?shù)囊曨l進(jìn)行預(yù)處理，實現(xiàn)對堤身裂縫及位移檢測，根據(jù)檢測出的裂縫及位移數(shù)據(jù)選擇是否報警。如果利用高清攝像頭對堤防建筑進(jìn)行裂縫及位移識別，并結(jié)合大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)定閾值進(jìn)行提前預(yù)警，將提高堤防搶險的反應(yīng)速度，有利于及時有效地部署搶險工作，從而大大減少損失。

基于空地潛一體化的多尺度巡堤方案如圖2所示。

圖2 基于空地潛一體化的多尺度巡堤方案

4 結(jié) 語

本文從我國堤防巡視查險現(xiàn)狀及實際管理需求出發(fā)，構(gòu)建了集成多類新型巡堤技術(shù)的空、地、潛堤防安全巡視體系，并在此基礎(chǔ)上提出多尺度巡堤方案。采用該巡堤方案不僅可以大幅降低人力、物力、財力的消耗，提高堤防巡視效率，而且能夠宏觀地掌握堤岸的現(xiàn)勢情況，進(jìn)而從局部或細(xì)部視角對特定區(qū)域進(jìn)行定量化監(jiān)測分析，以便及時準(zhǔn)確地探查崩岸險情，做到提前決策，及時應(yīng)對，可以大幅減少此類災(zāi)情對人民群眾生命財產(chǎn)安全的危害。所得成果提高了長岸線的現(xiàn)代化及科學(xué)化管理水平，也為防洪防汛工作提供了更加科學(xué)、合理的決策依據(jù)。