智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)在堤防巡查中的應(yīng)用

宋 峰，江如春，傅 政

（1.江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223005；2.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200）

河流、湖泊、水庫(kù)等的堤防穩(wěn)定不僅關(guān)系到水資源的調(diào)度，也關(guān)系到水利工程的安全運(yùn)行。堤防滲水現(xiàn)象常出現(xiàn)在背水坡，是巡堤查險(xiǎn)的重點(diǎn)對(duì)象。在梅雨季節(jié)，江河湖庫(kù)等受強(qiáng)降雨影響，水位急速上升，堤防受長(zhǎng)時(shí)間高水位浸泡，不僅需要進(jìn)行巡堤查險(xiǎn)以保障堤防的安全，還需加大巡堤查險(xiǎn)力度和頻次，以防發(fā)生滲水、塌方、失穩(wěn)等險(xiǎn)情。

1 智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的必要性

（1）人工巡查耗費(fèi)大量人力物力。人工巡查效率較低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力且只能小范圍內(nèi)排查，一些隱秘或者人員不易涉足的區(qū)域容易被忽略，巡查能力有限，巡查結(jié)果易受巡查人員的影響，且人工巡查出險(xiǎn)情往往是在險(xiǎn)情發(fā)生后，存在一定的滯后性。

（2）傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段監(jiān)測(cè)范圍小。傳統(tǒng)的巡查和測(cè)量手段，如水準(zhǔn)儀、全站儀等，只能巡查和監(jiān)測(cè)小范圍內(nèi)部分點(diǎn)的變形信息，除存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力易受測(cè)量人員影響的問(wèn)題外，還存在不能全覆蓋監(jiān)測(cè)的缺陷。

（3）多監(jiān)測(cè)技術(shù)綜合應(yīng)用能力不強(qiáng)。目前的測(cè)量新技術(shù)越來(lái)越多，但一些新技術(shù)在堤防巡查和監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用仍然存在一些問(wèn)題與挑戰(zhàn)，如何將多種測(cè)量手段獲取的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合，以充分利用各類(lèi)監(jiān)測(cè)成果，是目前迫切需要解決的問(wèn)題。

（4）缺少可靠的堤防背水坡滲水現(xiàn)象檢測(cè)與識(shí)別技術(shù)。目前的測(cè)量技術(shù)多側(cè)重于堤防變形監(jiān)測(cè)與變化檢測(cè)，對(duì)堤防滲水現(xiàn)象的超前預(yù)警與快速識(shí)別卻少有研究。

無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星、雷達(dá)等監(jiān)測(cè)手段具有非接觸式綠色測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)［1］，不會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)造成二次影響與傷害，能最大限度減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)測(cè)量手段具有效率高、精度高等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)90年代，在長(zhǎng)江三峽等大型水利水電工程中應(yīng)用全球定位系統(tǒng)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，后續(xù)在各類(lèi)水庫(kù)、大壩、堤防等變形監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用［2］。合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（Synthetic Aperture Radar，SAR）具有全天時(shí)、全天候、連續(xù)空間覆蓋、高度自動(dòng)化、高精度和低成本等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)表層土壤和植被具有一定的穿透能力，能夠反演土壤水含量，使堤防滲水預(yù)警成為可能。SAR技術(shù)能夠從面域獲取大面積地表沉降信息［3］，其理論監(jiān)測(cè)精度可達(dá)亞厘米級(jí)，已在水庫(kù)、大壩、堤防等水利工程的變形監(jiān)測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用。無(wú)人機(jī)技術(shù)、高光譜成像儀、GNSS測(cè)量手段、SAR技術(shù)均無(wú)法獲取水下的高程及河勢(shì)變化數(shù)據(jù)，而多波束全覆蓋測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水下地形的全覆蓋掃測(cè)［4］，其在水利工程建設(shè)、水下地形測(cè)量、河勢(shì)變化監(jiān)測(cè)、水流場(chǎng)模擬等方面已得到了廣泛的應(yīng)用。但以上方法均無(wú)法對(duì)堤防內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)。探地雷達(dá)方法具有無(wú)損性、連續(xù)性、整體性、經(jīng)濟(jì)性和快速性［5］，以及高分辨能力、較大探測(cè)深度和對(duì)場(chǎng)地環(huán)境有較大適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，是探測(cè)堤防內(nèi)部結(jié)構(gòu)隱患的最有效的方法之一。

2 智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的優(yōu)勢(shì)性

隨著衛(wèi)星傳感器技術(shù)、航空航天技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用中顯示出巨大的潛力［6］。目前，衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)、探地雷達(dá)、多波束探測(cè)等手段相結(jié)合，構(gòu)建覆蓋全國(guó)的智能監(jiān)測(cè)預(yù)警一體化水利感知網(wǎng)，成為堤防動(dòng)態(tài)巡查、監(jiān)測(cè)和保護(hù)應(yīng)用的行業(yè)共識(shí)。

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)、高光譜成像儀、GNSS、SAR技術(shù)、探地雷達(dá)和多波束探測(cè)技術(shù)均在水利行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪業(yè)近年逐漸發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它克服了傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)僅使用單一角度獲取影像的缺點(diǎn)，通過(guò)分析多視角影像可制作更直觀、更真實(shí)的三維數(shù)字產(chǎn)品，在水土保持監(jiān)測(cè)、河道巡查與監(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。該技術(shù)獲得的三維數(shù)據(jù)可以真實(shí)地反映地物的本來(lái)面貌，客觀再現(xiàn)地物的外觀、結(jié)構(gòu)以及高度等屬性，可為堤防隱患排查提供更加詳細(xì)的信息。高光譜成像儀能夠獲取超高分辨率的高光譜影像，在地物識(shí)別方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如果堤防背水坡發(fā)生滲水現(xiàn)象，則可利用滲水區(qū)域獨(dú)特的后向散射特征來(lái)提取滲水的位置與范圍。如果在無(wú)人機(jī)上同時(shí)安裝高清相機(jī)和成像光譜儀，則可獲取研究區(qū)域的高清影像和高光譜影像，因此能夠用于堤防滲水現(xiàn)象的檢測(cè)與識(shí)別及其穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

探地雷達(dá)系統(tǒng)利用天線(xiàn)向被檢測(cè)物發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號(hào)在介質(zhì)內(nèi)部傳播時(shí)遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時(shí)，會(huì)反射并返回。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大時(shí)，反射的電磁波能量也越大。反射回的電磁波被與發(fā)射天線(xiàn)同步移動(dòng)的接收天線(xiàn)接收后，由雷達(dá)主機(jī)精確記錄下反射回的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征，再通過(guò)信號(hào)技術(shù)處理，形成全斷面的掃描圖，再通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的判讀，判斷出目標(biāo)物的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況［7］。探地雷達(dá)圖通常以脈沖反射波的形式記錄，根據(jù)回波信號(hào)的時(shí)延、形狀及頻譜特性等參數(shù)，可解譯出目標(biāo)的深度、介質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。探地雷達(dá)能夠檢測(cè)堤身內(nèi)是否有裂縫、空洞等問(wèn)題，能夠?qū)Φ谭朗Х€(wěn)的原因進(jìn)行分析。

多波束測(cè)深技術(shù)突破了傳統(tǒng)單波束測(cè)深技術(shù)的局限，具有測(cè)量快速、精確、范圍廣等優(yōu)勢(shì)，將測(cè)深技術(shù)從傳統(tǒng)的點(diǎn)狀、線(xiàn)狀延伸到面狀，并進(jìn)一步發(fā)展到三維立體圖，因此水域地形測(cè)量技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)更高的水準(zhǔn)，因此其在水下地形的三維形態(tài)監(jiān)測(cè)中具有明顯優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)能為堤防巡查與監(jiān)測(cè)提供水下地形資料，是對(duì)多種測(cè)量數(shù)據(jù)的最好補(bǔ)充。

無(wú)人機(jī)技術(shù)、高光譜成像技術(shù)、GNSS測(cè)量手段、SAR技術(shù)、探地雷達(dá)和多波束探測(cè)技術(shù)在空間和時(shí)間上各具特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，結(jié)合各種監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)來(lái)彌補(bǔ)各種方法的缺陷，合理規(guī)劃各種方法的使用范圍和頻次來(lái)獲取堤防的多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合，不但能夠保證監(jiān)測(cè)精度、滿(mǎn)足行業(yè)需求，而且能夠極大地節(jié)省人力、物力、財(cái)力，多種新型監(jiān)測(cè)技術(shù)及其合理使用均具有較大的推廣價(jià)值。

3 智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方案分析

依據(jù)“宏觀（定性）-局部（定量）-細(xì)部（查因）”的隱患排查及變化分析原則，根據(jù)SAR影像的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行堤防的全局動(dòng)態(tài)探測(cè)，排查可能存在滲水等安全隱患的危險(xiǎn)區(qū)域。使用無(wú)人機(jī)獲取的危險(xiǎn)區(qū)域的三維影像和高光譜影像進(jìn)行精細(xì)安全隱患排查，使用GNSS監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)區(qū)域中部分點(diǎn)的三維形變進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域的定量變形分析，使用探地雷達(dá)探測(cè)堤防內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定堤防內(nèi)部是否存在安全隱患。根據(jù)多波束探測(cè)測(cè)量結(jié)果確定安全隱患與水下相關(guān)的成因，最終可根據(jù)全部測(cè)量結(jié)果確定危險(xiǎn)區(qū)域的危險(xiǎn)指數(shù)，分析其形成機(jī)理及可能的發(fā)展趨勢(shì)。

利用多維度的監(jiān)測(cè)方案，不僅可以降低尋堤查險(xiǎn)的成本，還能快速排查出存在安全隱患的區(qū)域并及時(shí)進(jìn)行處理，同時(shí)有效地全局把握堤防整體穩(wěn)定狀態(tài)。總體技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 總體技術(shù)路線(xiàn)

利用智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)開(kāi)展巡堤查險(xiǎn)的主要優(yōu)勢(shì)如下：

（1）可使用SAR和高光譜成像儀來(lái)檢測(cè)堤防背水坡滲水現(xiàn)象。使用SAR影像后向散射信息反演堤防土壤水含量，使用無(wú)人機(jī)載高光譜成像儀獲取危險(xiǎn)區(qū)多光譜影像進(jìn)而識(shí)別滲水現(xiàn)象。SAR影像能夠獲取大面積堤防土壤水含量信息，能夠?qū)Φ谭赖臐B水隱患進(jìn)行全局預(yù)先排查，如果土壤含水量有異?，F(xiàn)象，說(shuō)明堤防內(nèi)部可能已產(chǎn)生裂縫、空洞等，需對(duì)該地區(qū)重點(diǎn)關(guān)注，可利用探地雷達(dá)等方法檢測(cè)堤防內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化。對(duì)于排查出的危險(xiǎn)區(qū)，再使用無(wú)人機(jī)載高光譜成像儀獲取的多光譜影像識(shí)別出滲水現(xiàn)象，從而達(dá)到堤防滲水現(xiàn)象的預(yù)警與識(shí)別。

（2）可根據(jù)多種巡查和監(jiān)測(cè)方法的使用范圍及頻次進(jìn)行合理規(guī)劃。利用常規(guī)的監(jiān)測(cè)方案對(duì)堤防隱患進(jìn)行全面排查及穩(wěn)定性全覆蓋監(jiān)測(cè)，需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力與時(shí)間。先使用SAR獲取大范圍地表土壤水含量和形變信息，預(yù)先識(shí)別出可能滲水的危險(xiǎn)區(qū)域，再使用無(wú)人機(jī)、光譜成像儀、GNSS、探地雷達(dá)和多波束對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行三維監(jiān)測(cè)、高光譜監(jiān)測(cè)、堤身內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)和水下地形測(cè)量。對(duì)于需加密巡查和監(jiān)測(cè)頻次的汛期，不僅可以降低尋堤查險(xiǎn)的成本，能夠快速排查出存在隱患的區(qū)域并及時(shí)進(jìn)行處理，而且還可以有效全面地把握堤防的整體穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

利用智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)堤防滲水失穩(wěn)現(xiàn)象及其穩(wěn)定性的整體定期排查，快速定位滲水或者失穩(wěn)區(qū)域，比傳統(tǒng)巡查和監(jiān)測(cè)方式節(jié)省了大量的人力、物力、財(cái)力，為堤防的巡查排險(xiǎn)、防洪減災(zāi)、開(kāi)發(fā)利用、整治保護(hù)等工作提供了可靠的技術(shù)支撐。