水工環(huán)地質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害治理中的應(yīng)用

劉國(guó)謀 LIU Guo-mou；徐玲俊 XU Ling-jun

（河南省地質(zhì)局生態(tài)環(huán)境地質(zhì)服務(wù)中心，鄭州 450000）

0 引言

隨著人類對(duì)環(huán)境破壞的加劇，自然災(zāi)害也變得越來(lái)越頻繁。在自然災(zāi)害中，地質(zhì)災(zāi)害的威脅最大，重大地質(zhì)災(zāi)害可導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，地質(zhì)災(zāi)害防治工作受到高度重視。因此，為了避免地質(zhì)災(zāi)害，有必要對(duì)水工環(huán)地質(zhì)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害治理工程中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 水工環(huán)地質(zhì)監(jiān)測(cè)在地質(zhì)災(zāi)害治理中的應(yīng)用作用

水工環(huán)地質(zhì)監(jiān)測(cè)的廣泛應(yīng)用有力地推動(dòng)了地質(zhì)災(zāi)害管理創(chuàng)新的發(fā)展，但由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用以及各種先進(jìn)精密設(shè)備儀器在水工環(huán)地質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，一直難以取得進(jìn)展。在我國(guó)水工環(huán)地質(zhì)監(jiān)測(cè)中，固定的長(zhǎng)期開發(fā)周期不夠，很多技術(shù)裝備有待完善，開發(fā)體系不夠成熟，在地質(zhì)災(zāi)害管理應(yīng)用過程中會(huì)出現(xiàn)各種問題。因此需要對(duì)存在的問題及時(shí)采取優(yōu)化措施，確保調(diào)查結(jié)果真實(shí)有效，對(duì)技術(shù)人員要求更加嚴(yán)格，提高技術(shù)人員的技術(shù)資質(zhì)和專業(yè)技能水平，鼓勵(lì)技術(shù)人員深入地質(zhì)領(lǐng)域，深入基層開展工作，定期開展研究實(shí)驗(yàn)的實(shí)際調(diào)查，運(yùn)用有效方法得出真實(shí)結(jié)論，并根據(jù)調(diào)查結(jié)果采取積極有效的措施，及時(shí)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害，減少隱患，為人民群眾的生產(chǎn)生活安全提供堅(jiān)實(shí)的保障。

2 水工環(huán)地質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害治理中的應(yīng)用

2.1 水工環(huán)地災(zāi)治理中的遙感信息監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

2.1.1 遙感信息技術(shù)應(yīng)用原理與方法

遙測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)研究，具有獲取基本構(gòu)造、地質(zhì)標(biāo)志、水文標(biāo)志等特點(diǎn)。從采集到的圖像特征可以理解地下水的分布規(guī)律，通過間接植被分析證明地下沉降；可通過遙感技術(shù)入滲檢測(cè)古河道分布特征。還可以借助紅外熱成像來(lái)檢測(cè)地表水的確切位置等，實(shí)現(xiàn)水污染監(jiān)測(cè)。

隨著高新技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，遙感信息技術(shù)已經(jīng)從單源向多源、從靜態(tài)向動(dòng)態(tài)發(fā)展。該技術(shù)對(duì)來(lái)自多個(gè)來(lái)源的信息進(jìn)行復(fù)雜分析，其中“復(fù)合”對(duì)象包括照片、地圖、遙測(cè)信息和非遙測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)物體的特征，選擇最佳延時(shí)照片，并采用合理的分類算法對(duì)其進(jìn)行分類。在災(zāi)害管理中，遙感信息技術(shù)主要用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)。首先，研究從中等遙感圖像獲得的調(diào)查數(shù)據(jù)，識(shí)別危險(xiǎn)區(qū)域，然后通過研究從更高的傳感器圖像獲得的調(diào)查數(shù)據(jù)，在距離上標(biāo)記危險(xiǎn)地質(zhì)體。上述原則的應(yīng)用取決于準(zhǔn)確性和多樣性。其準(zhǔn)確性決定了其實(shí)施的對(duì)象和目標(biāo)?！暗途取边m用于區(qū)域監(jiān)測(cè)，以幫助控制災(zāi)害機(jī)制的變化?！案呔取笔侵笇?duì)威脅組織的詳細(xì)監(jiān)控，以便確定其活動(dòng)的優(yōu)先級(jí)或目標(biāo)。此外，遙感技術(shù)的應(yīng)用指南見表1。

表1 遙感技術(shù)應(yīng)用方向

2.1.2 遙感信息技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)

廣濟(jì)掃描遙控傳感器不僅優(yōu)化了紅外和可見光采集技術(shù)，還擴(kuò)大了服務(wù)帶寬，增強(qiáng)了遙感信息技術(shù)應(yīng)用的便捷性。目前，用于災(zāi)害管理監(jiān)測(cè)的傳感器和遠(yuǎn)程傳感器已經(jīng)具備探測(cè)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的電磁波的能力，對(duì)紅外和可見光的探測(cè)已經(jīng)達(dá)到納米級(jí)水平。遙感信息源價(jià)格昂貴，必須實(shí)時(shí)或定期提供，以獲得實(shí)地災(zāi)害預(yù)警和預(yù)報(bào)。由于資金有限，不能廣泛使用，只能用于重點(diǎn)項(xiàng)目?，F(xiàn)有的高分辨率圖像沒有得到有效利用，離實(shí)際需求還很遠(yuǎn)。遙感信息技術(shù)在災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的作用尚未得到充分挖掘，主要用于宏觀調(diào)查。因此，加強(qiáng)這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)是十分必要的。

2.2 北斗定位監(jiān)測(cè)技術(shù)在沉降地質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.2.1 北斗地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)方法

北斗定位系統(tǒng)以衛(wèi)星定位站參考技術(shù)為基礎(chǔ)，使用雙差分模型優(yōu)化RTK技術(shù)和數(shù)據(jù)同步監(jiān)測(cè)站。以參考點(diǎn)為基礎(chǔ)，綜合判斷地質(zhì)傾角監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形情況。在北斗定位中，地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)的實(shí)施依賴于定位的準(zhǔn)確性，因此被稱為北斗高精度測(cè)量技術(shù)。為解決電磁波的電離層延遲問題，可以采用雙頻接收機(jī)同時(shí)處理兩個(gè)不同頻率的載波信號(hào)。在觀測(cè)數(shù)據(jù)中的誤差保持不變的情況下，可以通過觀測(cè)信息對(duì)其進(jìn)行校正，并可以創(chuàng)建相應(yīng)的模型。此外，距輸出和載波相位為北斗定位解決方案提供支持。

2.2.2 北斗沉沒地質(zhì)監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

首先，地下水活動(dòng)規(guī)律對(duì)于監(jiān)測(cè)地質(zhì)沉降非常重要。必須監(jiān)測(cè)不同氣候環(huán)境中地下水位和水量的變化，以充分了解其對(duì)地質(zhì)沉降的影響。

其次，基準(zhǔn)站的選擇是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性的保證。參考站必須配備北斗接收器才能接收觀測(cè)數(shù)據(jù)。要知道施工區(qū)域的坐標(biāo)，選擇穩(wěn)定區(qū)域。為保證基準(zhǔn)站建設(shè)區(qū)域內(nèi)有足夠的信號(hào)覆蓋，視野要寬，區(qū)域內(nèi)不能有障礙物。為了避免來(lái)自參考站的干擾，必須遠(yuǎn)離高壓電力線和大型變電站。應(yīng)盡可能避免使用這種高功率無(wú)線設(shè)備。參考站不需要有人值守，必須配備備用電源，通信必須流暢穩(wěn)定。

最后，做好監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)工作。根據(jù)變形特點(diǎn)，合理設(shè)置檢測(cè)中心。為了達(dá)到觀測(cè)的目的，真實(shí)地反映變形，在測(cè)點(diǎn)配置一個(gè)衛(wèi)星接收器。監(jiān)測(cè)站必須選擇地質(zhì)變化和重大變化的位置。觀景臺(tái)必須充分發(fā)揮作用，以避免阻擋或反射多條路徑，并且必須在1.5m至1.7m的距離內(nèi)操作。

2.2.3 通信網(wǎng)絡(luò)的選擇

初步建設(shè)完成后，還需要建立一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，在站點(diǎn)之間建立有效的通信。適用于北斗地質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法有很多，如無(wú)線藍(lán)牙、無(wú)線WIFI、ZigBee、受限光纖等。由于中心距小，植被面積大，必須采用無(wú)線傳輸通信?；谙到y(tǒng)采集到的大量數(shù)據(jù)，并且地點(diǎn)之間有合適的距離，CPE+無(wú)線基站+網(wǎng)橋是實(shí)踐中最理想的通信方式。

2.3 GNSS技術(shù)在滑坡應(yīng)急變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.3.1 GNSS技術(shù)測(cè)試內(nèi)容

①設(shè)置檢測(cè)基站。探測(cè)參考站應(yīng)綜合考慮目標(biāo)位置山體的走向和形態(tài)，結(jié)合巖土結(jié)構(gòu)和滑坡區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行合理定位。②設(shè)置動(dòng)態(tài)檢測(cè)點(diǎn)。這個(gè)過程是監(jiān)測(cè)GNSS技術(shù)的主要部分。通過部署自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，即可完成在目標(biāo)區(qū)域的地質(zhì)數(shù)據(jù)的掃描，并根據(jù)掃描的數(shù)據(jù)結(jié)果，指定相應(yīng)的報(bào)告，包括對(duì)這些位置的監(jiān)控。在這種過程環(huán)境下，需要高度重視通信系統(tǒng)的建設(shè)，嚴(yán)格控制通信質(zhì)量，防止后期因數(shù)據(jù)采集不足而造成監(jiān)控質(zhì)量的損失。③設(shè)置信號(hào)接收器監(jiān)視器。該過程的重點(diǎn)是使用GNSS技術(shù)監(jiān)測(cè)滑坡的緊急變形。接收器位置的選擇，尤其是金屬礦物的位置，必須與控制站的位置相結(jié)合，防止后續(xù)信號(hào)接收受到諧波干擾。④數(shù)據(jù)處理的監(jiān)控。這部分主要涉及計(jì)算機(jī)軟件數(shù)據(jù)處理和后續(xù)人工分析評(píng)估。需要說明的是，同濟(jì)大學(xué)GPSADJ軟件系列和TGPPS主要用于二維和三維網(wǎng)格的橫向區(qū)分。如圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析邏輯構(gòu)圖

2.3.2 GNSS技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

①高準(zhǔn)確率。GNSS平面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度達(dá)到5mm水平。如果可以同時(shí)使用5顆以上的衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測(cè)，精度可以達(dá)到1cm。這種高精度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，尤其是大范圍的區(qū)域監(jiān)測(cè)，也非常適合一些大型項(xiàng)目。②監(jiān)測(cè)方法多樣。GNSS監(jiān)測(cè)技術(shù)可分為動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和快速三種模式。動(dòng)態(tài)檢測(cè)精度為5mm，實(shí)際誤差小于2cm。靜態(tài)監(jiān)控需要3到5個(gè)接收器來(lái)創(chuàng)建檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)并在指定區(qū)域進(jìn)行操作。這種靜態(tài)跟蹤主要用于平面工程類項(xiàng)目的變形監(jiān)測(cè)。而快速監(jiān)測(cè)則適用于短期內(nèi)發(fā)生的邊坡變形或公路工程變形等。③天氣和地質(zhì)作業(yè)。它的主要特點(diǎn)是不受氣候和地形的限制，適用于任何有信號(hào)的區(qū)域。

2.3.3 GNSS技術(shù)應(yīng)用注意事項(xiàng)

設(shè)備的質(zhì)量決定了GNSS監(jiān)測(cè)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害中的有效性，因此，必須選擇合理的GNSS技術(shù)檢測(cè)設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中，更好的接收器，如NSS、gv-X9、北斗GNSS、單頻GNSSOceanSuperstar。設(shè)備的選擇應(yīng)考慮到可靠穩(wěn)定的信號(hào)接收、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理，以及選擇具有更高價(jià)值和可取性的設(shè)備。

3 應(yīng)用案例

3.1 應(yīng)用背景

通常情況下，常見的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)形式，是一種動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方式，借助群測(cè)群防的方式，獲取區(qū)域分為內(nèi)非重點(diǎn)區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害情況，以常見的監(jiān)測(cè)方式判斷重點(diǎn)地區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害情況。群測(cè)群防的方式運(yùn)用中，會(huì)消耗大量的人力、物力資源，并且監(jiān)測(cè)的方式單一，監(jiān)測(cè)效果不佳，難以發(fā)揮地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)判效果。伴隨科學(xué)技術(shù)的方式，現(xiàn)代化的測(cè)繪儀器的研發(fā)，促使地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)判方式的革新與發(fā)展，如TCA2003測(cè)量機(jī)器人，這種設(shè)備可以在地質(zhì)滑坡等災(zāi)害預(yù)判中發(fā)揮良好的監(jiān)測(cè)作用，是監(jiān)測(cè)領(lǐng)域新興的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段之一，但這種技術(shù)也存在一定的弊端，能夠與這類設(shè)備匹配上的隨機(jī)軟件較少，因此，改設(shè)備目前并未被國(guó)內(nèi)大面積推廣和運(yùn)用。這也進(jìn)一步導(dǎo)致目前常見的地質(zhì)災(zāi)害檢測(cè)方式，依然沿用傳統(tǒng)的手工收集操作并結(jié)合全站儀自動(dòng)設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)照準(zhǔn)，并通過人工記錄和計(jì)算數(shù)據(jù)的方式來(lái)推測(cè)某一地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害情況。完成外業(yè)監(jiān)測(cè)后，內(nèi)業(yè)整體數(shù)據(jù)的程度更為復(fù)雜，因此，需要消耗大量的時(shí)間，并且所獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也存在人工誤差，導(dǎo)致所判定的結(jié)果常常出現(xiàn)問題。持此之外，地質(zhì)災(zāi)害即將要發(fā)生之前，由于氣象信息和地質(zhì)條件都存在不穩(wěn)定性因素，傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方式，無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)獲取地質(zhì)災(zāi)害信息的目的，給民眾的人生安全帶來(lái)極大的威脅。所以，如何研發(fā)一套具備精準(zhǔn)預(yù)判地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，提升地質(zhì)災(zāi)害的自動(dòng)化預(yù)判水平成為亟待解決的難題（如圖2）。

圖2 測(cè)量機(jī)器人地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程無(wú)線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

3.2 工程概況

白蓮河抽水蓄能電站總裝機(jī)容量為1200MW，是規(guī)模較大的工程項(xiàng)目之一。在上庫(kù)進(jìn)水口處有一個(gè)高邊坡，在不同高程的馬道上布置了14個(gè)表面變形觀測(cè)墩，設(shè)計(jì)要求是以上庫(kù)控制網(wǎng)點(diǎn)TB03、TB05作邊坡監(jiān)測(cè)的工作基點(diǎn)，按照二等控制網(wǎng)的要求進(jìn)行觀測(cè)。在TB03架設(shè)儀器，TB05作為后視方向，選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)TS11、TS12、TS13、TS14作為觀測(cè)對(duì)象，分別采用機(jī)載監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)人工作業(yè)方法，對(duì)白蓮河上庫(kù)高邊坡按照方向測(cè)回?cái)?shù)6次、距離測(cè)量16次進(jìn)行觀測(cè)，兩種監(jiān)測(cè)方法每個(gè)點(diǎn)平均觀測(cè)時(shí)間如表2所示。

表2 傳統(tǒng)方法與機(jī)載方法的觀測(cè)時(shí)間對(duì)比表

若在每個(gè)目標(biāo)區(qū)域的定點(diǎn)位置上，均進(jìn)行盤左盤右的觀測(cè)，并設(shè)立五個(gè)定點(diǎn)位置，通過六次巡回的測(cè)量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，若通過傳統(tǒng)的觀測(cè)方式，則總共需要至少32小時(shí)的觀測(cè)時(shí)間，并且要保持觀測(cè)過程的連續(xù)性，避免收到其他不良因素的干擾。若在觀測(cè)的過程匯總，觀測(cè)人員所觀測(cè)的數(shù)據(jù)布囊達(dá)到規(guī)范的限值要求，則需要多增設(shè)兩個(gè)巡回的測(cè)量。其次，在整體觀測(cè)數(shù)據(jù)的過程匯總，需要將各個(gè)部分的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行修正，或者是通過借助其他計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合和計(jì)算，這些工作仍需要花費(fèi)多個(gè)小時(shí)的時(shí)間才能完成。而本研究中通過借助機(jī)載觀測(cè)的非往事，觀測(cè)一個(gè)周期大概需要二十五小時(shí)，同時(shí)觀測(cè)的過程中，完成借助機(jī)器設(shè)備，不需要人工進(jìn)行輔助，完全進(jìn)行自動(dòng)化的數(shù)據(jù)收集，并且若出現(xiàn)超過限度的觀測(cè)數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行自動(dòng)重測(cè)。在整理完數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)還能完成數(shù)據(jù)的修正和整合排序，避免人工觀測(cè)的誤差同時(shí)也能很好地節(jié)約觀測(cè)時(shí)間。

3.3 工程總結(jié)

本研究中分析的測(cè)量機(jī)器人地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)設(shè)備相比，很好地解決了難以找到與之相匹配的處理軟件的弊端，其具備的特點(diǎn)如下：

①本系統(tǒng)具備多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可更為高效、更為全面地監(jiān)測(cè)某一特定區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)變化情況，對(duì)地殼的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)和記錄，減少人工監(jiān)測(cè)和計(jì)算誤差錯(cuò)誤情況的發(fā)生；

②本系統(tǒng)所采用的移動(dòng)周期監(jiān)測(cè)方式，與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段相比，效率更高，成果更為顯著，在觀測(cè)、數(shù)據(jù)記錄、限差檢查、數(shù)據(jù)預(yù)處理、成果輸出、平差計(jì)算、成果分析等方面凸顯出極大的技術(shù)形式，可減少人工的作業(yè)強(qiáng)度，同時(shí)也能提升監(jiān)測(cè)的總體質(zhì)量；

③本系統(tǒng)通過CDMA無(wú)線傳輸功能模塊，以及氣象傳感器的輔助，完成遠(yuǎn)程地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和管控，同時(shí)也能能達(dá)到自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，可顯著提升地質(zhì)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和精準(zhǔn)度。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水工環(huán)地質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)多種多樣，具有不同的優(yōu)勢(shì)、內(nèi)容和范圍。在災(zāi)害管理的應(yīng)用中，要根據(jù)實(shí)際情況做出合理的選擇，充分利用跟蹤技術(shù)。監(jiān)管者要監(jiān)督運(yùn)行，合理選擇監(jiān)測(cè)設(shè)備，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和質(zhì)量。