基于InSAR技術的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用

楊 飛

(廣東明源勘測設計有限公司, 廣東 河源 517000)

0 引言

隨著生態(tài)環(huán)境的惡化[1],地質(zhì)災害發(fā)生的頻率越來越高,地質(zhì)災害常常指巖土發(fā)生一定程度的移動導致的災害性事件[2],如泥石流、滑坡等,一旦發(fā)生,不僅會對人們的財產(chǎn)造成威脅[3],還會對人們的生命安全帶來威脅。調(diào)查顯示,我國屬于地質(zhì)災害頻發(fā)的國家[4],多發(fā)性地質(zhì)災害也制約了社會的進步。目前我國解決地質(zhì)災害的主要方法就是進行地質(zhì)災害監(jiān)測[5],但傳統(tǒng)的地質(zhì)災害監(jiān)測方法經(jīng)常由于監(jiān)測人員的技術性差等問題呈現(xiàn)較低的監(jiān)測效率[6],因此需要設計新的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)。

研究表明[7],地質(zhì)災害的類型較多,帶來的后果也不一致,在地質(zhì)災害過后可能還會出現(xiàn)某些伴隨性災害。近幾年[8],我國發(fā)生的地質(zhì)災害事件達到了上千種,造成了大規(guī)模的人員傷亡,因此進行實時地質(zhì)災害監(jiān)測迫在眉睫。干涉式合成孔徑雷達(interferometry synthetic aperture radar,InSAR)是一種應用于測繪和遙感的雷達技術[9],該技術可以利用合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)對災害監(jiān)測區(qū)域進行重復監(jiān)測,并合成實時監(jiān)測數(shù)據(jù),其具有精度高、范圍廣、無接觸性的優(yōu)點[10]。除此之外,在進行地質(zhì)災害監(jiān)測時,該技術也不受自然環(huán)境影響,不易產(chǎn)生監(jiān)測誤差,因此該技術目前被廣泛地應用在火山、冰川等復雜環(huán)境中的監(jiān)測。為了提高地質(zhì)災害監(jiān)測的穩(wěn)定性和實時性,本文基于InSAR技術設計了地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng),為后續(xù)的地質(zhì)災害監(jiān)測提供參考。

1 硬件設計

1.1 降雨監(jiān)測傳感器

降雨是誘發(fā)大部分地質(zhì)災害的主要誘因,因此,及時監(jiān)測檢測區(qū)的降雨情況對地質(zhì)災害預警來說十分重要[11],因此本文設計的系統(tǒng)利用翻斗式雨量計設計了降雨監(jiān)測傳感器。降雨在線監(jiān)測傳感器型號為TH-Y6,測量范圍0～44 mm/min,測量精度≤±4,分辨率0.01 mm。實物如圖1所示。

圖1 TH-Y6降雨在線監(jiān)測傳感器

降雨監(jiān)測傳感器主要是由翻斗式雨量計結合傳感裝置組成,包含承雨口、出水倉、調(diào)節(jié)裝置等共同組成,在監(jiān)測時,雨水首先會通過承雨口進入,流入內(nèi)部的計量漏斗中,一旦雨量超過了設定值,計量漏斗就會改變形態(tài),使其與傳感器的接口閉合,從而輸送降雨信號。經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)在該降雨監(jiān)測傳感器使用時可能會出現(xiàn)由于風向等其他因素帶來的誤差,需要使用遠程終端單元(remote terminal units,RTU)匹配電路,消除誤差,實現(xiàn)準確的降雨監(jiān)測。

1.2 水位監(jiān)測傳感器

水位監(jiān)測傳感器對地質(zhì)災害中最常見的泥石流災害有重要的作用[12],其可以之間進行水量和泥量狀態(tài)檢測,避免發(fā)生大規(guī)模泥石流災害對人們的生產(chǎn)生活安全造成影響,因此本文利用了電磁波雷達技術設計了水位監(jiān)測傳感器,避免由于光學信號改變給地質(zhì)災害監(jiān)測帶來的誤差。在該傳感器中,添加電磁波檢測觸點,能使其準確的與泥石流和水位現(xiàn)狀進行匹配,除此之外,設計的水位傳感器中還添加了含有RS485協(xié)議的監(jiān)測芯片,應用該協(xié)議可以降低信號采集時間,實現(xiàn)高效監(jiān)測和信號轉(zhuǎn)換,降低監(jiān)測中的誤差和干擾[13]。該水位監(jiān)測傳感器電流信號4～20 mA,頻率范圍26 GHz,分辨率1.6 uA實物如圖2所示。

圖2 水位監(jiān)測傳感器

1.3 土壤壓力傳感器

地質(zhì)災害發(fā)生時往往會改變土壤的壓力,因此，本文設計了土壤壓力傳感器來增加地質(zhì)災害監(jiān)測的準確性。該土壤壓力傳感器的額定載荷6.5 kg,絕緣電阻≥5000 MΩ/ 100 VDCΩ,安全過載150%F.S.%FS,其中FS為滿量程(full-scale)。實物如圖3所示。

圖3 土壤壓力傳感器

土壤之間的附著力與容重對土地壓力數(shù)值有著決定性的影響作用,因此可以依據(jù)此定律通過監(jiān)測土壤的附著力和容重[14],在土壤壓力傳感器中添加土壓力監(jiān)測模塊和土壤水分監(jiān)測模塊來實現(xiàn)土壤壓力實時監(jiān)測預警,為了降低監(jiān)測可能產(chǎn)生的誤差,在土壤壓力傳感器中還添加了應變式的電阻及應變片,應用這兩種物質(zhì)可以隨時記錄應變力的變化,實現(xiàn)以應變力效應來完成土壤壓力的轉(zhuǎn)換[15],此時的應變電阻變化數(shù)值計算如式(1)所示。

(1)

式中,P代表電阻率;L代表應變片金屬絲長度;F代表斷面。在監(jiān)測過程中,應變片應該與傳感器中的受力膜實時相連,由其感應電阻變化,輸出土壤壓力轉(zhuǎn)換信號,實現(xiàn)高精度的土壤壓力監(jiān)測。

1.4 地面震動傳感器

地質(zhì)災害往往會伴隨著地面震動,地面震動的狀態(tài)對地質(zhì)災害的種類和嚴重程度判斷有參考價值,因此本文設計了地面震動傳感器,首先在地面震動傳感器中添加地面自動化監(jiān)測模塊,該模塊可以將地面震動的次數(shù)和震動的頻率轉(zhuǎn)換成聲波信號,經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn),地質(zhì)災害發(fā)生前往往會出現(xiàn)地表摩擦現(xiàn)象,傳統(tǒng)的監(jiān)測設備往往無法準確地進行捕捉,因此本文設計的系統(tǒng)的地面震動傳感器中添加了地聲檢波芯片,能捕捉微小的地面摩擦信號,將其轉(zhuǎn)換成聲波信號傳輸?shù)綑z測中心。為了避免地聲信號在傳播過程中出現(xiàn)的衰減情況在地面震動傳感器中還添加了對壓力較敏感的電容元件,這種電容元件具有專一性,即其除了對聲波敏感外不受任何外界因素的影響,因此具有較高的穩(wěn)定性,能隨時保證傳感器的監(jiān)測狀態(tài),該傳感器的監(jiān)測原理圖如圖4所示。

圖4 傳感器監(jiān)測原理圖

由圖4可知,在該傳感器進行檢測的過程中,隨時會調(diào)試監(jiān)測模式,最主要的監(jiān)測模式是變極距模式,首先,金屬膜片會根據(jù)聲音震動狀態(tài)捕捉振動信號,其次進行能量轉(zhuǎn)換,輸出轉(zhuǎn)換后的電信號,調(diào)整膜片與極板的距離,實現(xiàn)準確監(jiān)測,監(jiān)測的數(shù)據(jù)因其特殊的轉(zhuǎn)化機制往往存在一定的函數(shù)關系,可以列出具體的函數(shù)表達式來準確分析地面震動的具體狀態(tài)。

2 軟件設計

2.1 分析地質(zhì)災害監(jiān)測需求

設計地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)的第一步就是進行災害需求分析,首先利用傳輸控制協(xié)議(transmi-ssion control protocol,TCP)技術采集上述設計的各項傳感器中輸出的數(shù)據(jù),其次根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)判斷技術可行性。分析地質(zhì)災害的形成條件可知,目前地質(zhì)災害的影響因素非常廣泛,包括地形地貌、降雨狀態(tài)、土壤含水率等,根據(jù)上述因素,可以分析地質(zhì)災害的監(jiān)測需求。

首先需要確定地質(zhì)災害系統(tǒng)的功能,地質(zhì)災害實時監(jiān)測最關鍵的部分就是數(shù)據(jù)的傳輸,即務必要保證數(shù)據(jù)采集和解析的實時性,第二就是確定地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)的性能,在每個監(jiān)測點地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)的性能都需要進行一定的調(diào)整,因此應該增加系統(tǒng)的可重用性,降低系統(tǒng)調(diào)試的難度,除此之外,地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)的工作環(huán)境可能較惡劣,為了保證監(jiān)測的有效性,需要增加監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性,避免其出現(xiàn)運行誤差,最后就是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集實時性,數(shù)據(jù)采集的實時性越高,系統(tǒng)對災害的反饋速度就越快,因此綜合上述需求設計了高性能的監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 基于InSAR技術設計監(jiān)測架構

InSAR技術主要利用雷達干涉和 SAR模塊,對災害監(jiān)測區(qū)域進行重復監(jiān)測,并合成實時監(jiān)測數(shù)據(jù),其具有精度高、范圍廣、無接觸性的優(yōu)點,因此可以根據(jù)該技術設計系統(tǒng)的邏輯架構,系統(tǒng)的邏輯架構包括過戶界面層,業(yè)務邏輯處理層和數(shù)據(jù)連接層,為了保證各個邏輯層次能獨立工作,且在一定程度上能夠迅速地改動業(yè)務邏輯層以及添加或者刪除以及編輯一些監(jiān)測點的新的設備類型設計了三層的系統(tǒng)架構圖,如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)架構圖

由圖5可知,在系統(tǒng)的表示層用戶操作者可以和系統(tǒng)完成輸入輸出交互等作用,因此在設計時,保證邏輯分離可以使后續(xù)的改動變得相對容易。在設計的系統(tǒng)中業(yè)務邏輯層占據(jù)重要的位置,可以保證整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和使用。另一方面,監(jiān)測人員可以在界面中進行相應的輸入操作,此時業(yè)務邏輯層需要接收輸入數(shù)據(jù),經(jīng)過處理后按照協(xié)議將結果返回。數(shù)據(jù)庫訪問層主要用來連接數(shù)據(jù)庫,對數(shù)據(jù)表的進行增刪。

2.3 設計數(shù)據(jù)庫

在數(shù)據(jù)庫設計的初期,必須使設計的數(shù)據(jù)庫滿足上述分析的系統(tǒng)需求。因此本文設計的數(shù)據(jù)庫最關鍵的就是滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)儲存需求,保證其可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時儲存和調(diào)用。一般而言,數(shù)據(jù)庫邏輯結構的設計是指將特定的模型結構轉(zhuǎn)化為被使用的數(shù)據(jù)庫所識別和認可的固定模式。數(shù)據(jù)庫架構如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)庫架構

在本文設計的數(shù)據(jù)庫中,需要建立識別關系模型,為后續(xù)的數(shù)據(jù)管理、儲存、查詢等操作提供依據(jù),構建時查詢到的具體數(shù)據(jù)類型,整合變成一個集合性數(shù)據(jù)組成表,實現(xiàn)各個類型數(shù)據(jù)的查詢。

3 平臺測試

為了檢測設計的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測性能,搭建了系統(tǒng)測試平臺,將其與傳統(tǒng)的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)進行對比,進行了如下測試。

3.1 測試準備

為了保證系統(tǒng)測試的準確性,根據(jù)上述的需求分析可知,地質(zhì)災害監(jiān)測的通信網(wǎng)絡狀態(tài)是進行地質(zhì)災害監(jiān)測的基礎,因此本文分別計算了測試平臺在距離為10 m、10～100 m、1～2 m、100 m、0.2～40 m、10～75 m的通信指標,計算公式如式(2)所示。

(2)

式中,V代表通信指標;B代表現(xiàn)有的通信組網(wǎng)指標;E代表通信組網(wǎng)標準指標。已知在通信指標為1的情況下測試平臺的通信監(jiān)測結果為合格,因此,為了避免通信網(wǎng)絡的隨機性,進行了15次隨機檢測,測試的通信指標狀態(tài)如表2所示。

表2 通信指標狀態(tài) 單位：dB·W

由表1可知,在連續(xù)15次的通信指標檢測中,各個距離的通信網(wǎng)絡指標均高于1,證明此時的測試平臺的通信網(wǎng)絡情況符合后續(xù)的測試需求,此時可以根據(jù)上述的通信網(wǎng)檢測狀態(tài)設置測試平臺的參數(shù),如表3所示。

表3 測試平臺參數(shù)

根據(jù)表3的測試平臺參數(shù),可以對整個測試平臺進行綜合配置,配置好后即可進行后續(xù)的系統(tǒng)測試。

3.3 測試結果與討論

在上述的測試平臺中,隨機進行災害模擬仿真,分別記錄在不同災害情況下本文設計的災害監(jiān)測系統(tǒng)和傳統(tǒng)的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測耗時,測試結果如表4所示。

表4 測試結果 單位：s

由表4可知,在上述搭建的模擬災害監(jiān)測平臺中,本文設計的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測耗時遠低于傳統(tǒng)的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng),證明設計的監(jiān)測系統(tǒng)具有省時性,有一定的應用價值。

為了驗證設計的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)的檢測效果,對兩種方法的監(jiān)測準確性進行測試。隨機設計8種地質(zhì)災害情況,設置對應的地質(zhì)災害數(shù)據(jù),分別采用本文設計的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析與監(jiān)測,通過計算發(fā)生地質(zhì)災害的概率來判斷監(jiān)測方法的準確性。發(fā)生地質(zhì)災害的概率越高,說明監(jiān)測結果與地質(zhì)災害情況越相近,證明該方法監(jiān)測的準確性越高。具體結果如表5所示。

表5 不同方法計算地質(zhì)災害發(fā)生概率 單位：%

通過表5可以看出,本文設計的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng),通過地質(zhì)災害數(shù)據(jù)分析出的地質(zhì)災害發(fā)生概率基本保持在95%以上,而傳統(tǒng)的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)分析出的地質(zhì)災害發(fā)生概率在82%～89%之間。在兩種系統(tǒng)對比之下,本文監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)地質(zhì)災害數(shù)據(jù)得出結果,與地質(zhì)災害情況相近,證明該方法監(jiān)測的準確性較高。

4 結束語

隨著環(huán)境的破壞,我國地質(zhì)災害發(fā)生的頻率越來越高,為了對地質(zhì)災害提前預警,避免地質(zhì)災害造成大規(guī)模人員傷亡需要設計地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng),本文基于InSAR技術,應用了雷達干涉設計了地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng),進行系統(tǒng)測試。結果表明,設計的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測耗時較短,證明設計的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測性能較好,具有有效性,有一定的應用價值,可以作為后續(xù)地質(zhì)災害監(jiān)測的參考。但是本文在研究過程中,忽略了人類活動對地質(zhì)災害造成的影響,因此在接下來的研究中,將不斷完善設計的監(jiān)測系統(tǒng),以期為地質(zhì)災害監(jiān)測與預防提供更加科學的技術支持。