非接觸式滑坡地表裂縫監測系統的研發與應用

劉一民

1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都 610031；2.四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065

非接觸式滑坡地表裂縫監測系統的研發與應用

劉一民1，2

1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都 610031；2.四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065

本論文提出一種基于激光測距原理的非接觸式滑坡表面裂縫監測方案，該智能化監測方案利用GPRS方式進行數據的遠程傳輸，解決了現有的電磁式、接觸式地表裂縫計存在容易被損壞、易受干擾及測量誤差大的技術問題，同時也解決了GPS或是全站儀存在成本較高、計算和安裝復雜、實時性較差等技術問題，實現了在低成本條件下的滑坡表面裂縫實時監測，并在四川省巴中市典型滑坡點上進行野外應用示范，取得了良好的監測預警效果，為地質災害防災減災提供技術支持。

滑坡表面裂縫；非接觸式；激光測距；GPRS；實時監測

0　引言

我國是一個地質災害多發的國家，其災害分布廣、突發頻率高、影響大，嚴重威脅著人民生命和財產的安全，由于山體滑坡和泥石流等地質災害的特殊性和突發性，往往給自然環境、人民生命財產和工程建設造成巨大損失。滑坡表面裂縫是滑坡地貌的組成部分之一，且滑坡裂縫是地面裂縫的一種。斜坡上的巖土體在重力作用下具有下滑的趨勢，它的形成原因是當由于自然或人為因素導致抗滑力減小、下滑力大于抗滑力時，斜坡就會失穩，在滑動體與不動體之間形成地面裂縫。由于滑體內部運動方向和快慢的差異，在滑坡內部也會形成各種裂縫。滑坡地表裂縫廣泛見于各類滑坡中，是滑坡強變動帶的直觀反映。

因此對裂縫進行觀測是 地質災害防治預警的常用方法，所以在滑坡監測中被廣泛使用，目前的裂縫監測大都采用電磁式、接觸式地表伸縮計，這種手段主要采用在地面裂縫的兩邊栽樁拉鋼絲的方法來實現的，但是它存在一些不足之處，第一是鋼絲拉在地面以上僅0.5 m左右，人和牲畜容易被絆到，監測設備極易損壞；第二是鋼絲繩拉長以后由于自身張力和自重會導致相當的測量誤差；第三是容易被掉落的樹枝和其它農作物干擾引起數據誤報等，目前的電磁式、接觸式地表裂縫計存在著易損壞、易受干擾及測量誤差大等不足之處，從而影響到監測的連續性和監測效果。利用非接觸式的測量方法來監測滑坡表面裂縫的研究方興未艾，如像利用GPS、全站儀等技術存在成本高、計算復雜、安裝工藝復雜、實時性不足等不足，不利于監測預警和大規模推廣應用。

本論文提出一種基于激光測距原理的非接觸式滑坡表面裂縫監測系統，并且利用GPRS方式進行數據的遠程傳輸，解決了現有的電磁式、接觸式地表裂縫計存在容易被損壞、易受干擾及測量誤差大的技術問題，同時也解決了GPS或是全站儀存在成本較高、計算和安裝復雜、實時性較差等技術問題，實現了在低成本條件下的滑坡表面裂縫實時檢測。

1　非接觸式滑坡表面裂縫監測系統的設計

非接觸式滑坡表面裂縫監測系統主要分為滑坡現場數據采集端與室內數據接收中心（含GPRS接收模塊）組成。非接觸式滑坡表面裂縫監測系統的設計方案如圖1所示。從圖1可知它的工作流程如下：首先室內監控中心通過GPRS模塊發送數據采集命令至滑坡現場，野外多通道采集器收到采集命令后經解析啟動激光測距傳感器，激光測距傳感器發射出的激光束經裂縫另一端的靶標反射后，獲取裂縫數據后再通過采集器發射至室內監控中心的IP端口，數據經校驗后入庫并存入服務器，便于進行數據的分析處理。

圖1　非接觸式滑坡表面裂縫監測系統的設計方案圖Fig.1 Design of the landslide surface fi ssure monitoring system based on non-contact mode

其中，滑坡現場數據采集端包括：激光測距傳感器（滑坡現場）、野外多通道采集器（含GPRS發射模塊）與監測靶標。激光測距傳感器與野外多通道采集器固定于滑坡地表裂縫穩定端，監測靶標則安裝在滑坡強變動帶一側。滑坡現場數據采集端工作布置示意圖如圖2所示。

圖2　滑坡現場采集端工作布置示意圖Fig.2 The schematic diagram of collection in landslide

2　系統測量原理與關鍵技術研究

2.1系統測量原理

非接觸式滑坡表面裂縫監測儀的工作原理為：利用激光測距傳感器的高精度，通過測量光脈沖發出到返回的時間，解算成實際的滑坡裂縫的數值。具體如下：先由激光二極管對準目標發射激光脈沖，經目標反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統接收后成像到雪崩光電二極管上，雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號，記錄并處理從光脈沖發出到返回被接收所經歷的時間，即可測定目標距離。激光測距傳感器的硬件調試與軟件誤差處理如圖3所示。

其中，在利用激光測距傳感器進行滑坡表面裂縫監測的時候，一般標靶與傳感器之間的距離較近，激光傳播速度很快，需要極為精確地測出發射和反射的時間差，才能換算出實際距離。計算公式如式1所示：

式1中：D：測站點A、B兩點間距離； c：光在大氣中傳播的速度；t：光往返A、B一次所需的時間。

2.2關鍵技術研究

本監測系統的關鍵技術主要體現在監測靶標反射板的設計工藝與地質災害自動化監測技術。

（1）監測靶標反射板的設計工藝。其中由于滑坡地表裂縫的特點，處于滑坡強變動側的監測靶標由于地表的傾斜而偏轉，從而導致所測裂縫寬度的數據發送誤差。因此本論文將其作為關鍵問題而進行解決，設計一種豎直保持機械裝置而保證監測靶標反射板與穩定端地表的垂直，進而保證了所測數據的準確性與穩定性。具體設計如下：

對于激光測距傳感器探頭和靶標反射面的安裝工藝流程的設計，本論文采用在反射面板底部使用調心球軸承+配重的機械結構，利用機械裝置中靶標自身的重力實現反射板保持豎直，從而保證反射信號到接收器的光路暢通不受影響，通過這個裝置，可以使得激光反射板面在靶標基座發生傾斜的情況下，利用自平衡保持與激光發射器所發射的激光相互垂直以完成精確測量，其次，激光傳感器價值不菲，探頭應該安裝得盡可能高，以避免被破壞和被盜的問題，反射面標靶和傳感器的安裝距離應分別做實驗確定其最大安裝距離和最小安裝距離，靶標的設計示意圖如圖4所示。

（2）地質災害自動化監測技術：滑坡表面裂縫自動化監測方案采用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統進行總體設計。μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統具有前后臺系統、多線程、多任務工作、低功耗模式、可重入函數（多個任務調用）以及多任務優先級反轉的等特性。根據滑坡監測的需求與特點，本文將總體任務分解為4個子任務，通過μC/OS-Ⅱ系統對它們的分配與調用，可以高效低耗的完成滑坡裂縫自動化監測。各子任務功能如表1所示。

圖4　監測靶標反射板的設計Fig.4 The design of monitoring target

監控中心平臺軟件采用C++語言編寫，本軟件前臺界面使用C#語言在Microsoft .NET Framework 3.5版本運行環境下開發，數據后臺使用Microsof SQL Server 2008R提供數據庫運行支持。該軟件可以實現設置監測點、數據庫查詢、數據導出、曲線繪制、圖形縮放等功能，平臺軟件的功能結構圖如圖5，軟件界面如圖6所示。

表1　子任務的名稱功能表Table 1　The subtasks function table

圖5　監控中心軟件功能結構圖Fig.5　Functional structure of the monitoring center software

圖6　監控中心界面圖Fig.6　The interface of monitoring center software

3　滑坡監測應用示范

牛馬場滑坡位于四川省巴中市鳳儀鄉龍江村1組，位置是東經106°36＇33.3＂，北緯31° 52＇25.4＂，屬于典型的緩傾順層巖質滑坡，斜坡結構是順向坡，其滑體性質屬于基巖滑坡。滑坡方量達到1 200萬立方米，屬于特大型滑坡。該滑坡后緣存在大量的拉線槽即地表裂縫，有些寬度甚至達到8 m以上，嚴重威脅著滑坡下方村莊居民的安全，甚至導致滑坡下方石龍河水電站的運行。牛馬場滑坡的后緣基巖傾倒照片及拉線槽的照片如圖7所示。

從圖7可以看出，針對牛馬場滑坡這類后緣有明顯的拉線槽特性的滑坡，本文所述的滑坡地表裂縫自動化監測系統特別適合進行后緣拉線槽寬度變化的監測，為滑坡監測和穩定性分析提供有效可靠的數據。本系統于2015年年初安裝于牛馬場滑坡的2個后緣拉線槽，其安裝分布圖如圖7所示。安裝工藝按照3.2節所述，將激光測距儀及采集傳輸系統安裝于基巖穩定一側，將監測靶標安裝在強變動帶另一側，裂縫數據經過GPRS方式實時傳輸回室內監控中心，滑坡現場供電系統采用太陽能充電、鋰電池供電，保證系統長期穩定的工作。

系統從2015年2月上旬開始運行，目前已進行近半年的監測，所測數據均進入監控中心數據庫，其中1號點部分典型數據整理如表2所示（其中在雨季增加了檢測頻率），變化值柱狀圖如圖8所示。

5　總結

（1）本系統采用非接觸式的激光測距儀進行滑坡表面裂縫的監測，經室內計量檢定（本系統已獲得四川省測試計量局的計量認證）與長時間的野外應用示范，保證了所測數據的穩定可靠與監測系統的穩定性，為地質災害防災減災提供真實數據。

（2）通過對關鍵技術的研究，解決了監測靶標反射板的設計工藝與地質災害自動化監測的需求，實現了反射板在底座彎曲傾斜下的自垂直功能，保證數據的真實可靠，同時利用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統與GPRS通訊協議實現了滑坡裂縫自動化監測，基本達到了未來監測技術智能化的需求。

（3）本系統特別適用于緩傾順層巖質滑坡的監測，通過與其他監測儀器（如深部位移監測、GPS監測）進行數據對比，可以更加真實的反應滑坡的實時狀態，為滑坡預警提供技術支持。

圖7　牛馬場滑坡后緣拉陷槽Fig.7 The surface cracks of Niumachang landslide

表2　1號監測點典型數據Table 2　Typical data of No.1 Monitoring

圖8　裂縫變化值柱狀圖Fig.8 The histogram of crack change value

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The research and application of landslide surface fi ssure monitoring system based on Non-contact Mode

LIU Yi-min1， 2
1.The Institute of Exploration Technology， CAGS， Chengdu 611734， Sichuan， China； 2.School of Manufacturing Science and Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， Sichuan， China

T he paper proposes a non-contact landslide surface fi ssure monitoring design based on laser ranging principle.T his i ntelligent monitoring design uses GPRS to transmit data an d this design will solve these technical problems such as vulnerable， disturbed and measurement errors， which exist in electromagnetic and contact-type landslide fi ssure monitors，meanwhile it also solve problems such as high cost， installation complexity and low real-time in GPS or total station.Th is method realizes real-time landslide monitoring with low cost， and i t has been carried out fi eld test on landslide in Bazhong City， Sichuan Province.With the great effect in landslide monitoring， this system will provide technical support in geological disaster prevention and reduction.

Landslide surface fi ssure； non-contact； laser ranging； GPRS； real-time monitoring

P642.22

B

1001—2427（2015）04 - 137 -5

2015-06-05;

2015-12-13

國土資源部地質礦產評價專項項目，巴中地質災害調查與監測，項目編號1212011220169

劉一民（1984—），男，四川成都人，中國地質科學院探礦工藝研究所工程師；四川大學制造科學與工程學院在讀博士.