數字式遠程地表裂縫三維測量儀研制

王洪輝，劉 崎，庹先國，聶東林，李 鄢，孟令宇

（1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），四川 成都 610059；2.四川理工學院，四川 自貢 643000）

0 引 言

目前，滑坡監測作為地質災害風險減緩的重要措施之一，正越來越受到人們的重視[1-3]。根據監測指標來分，滑坡監測包括地質宏觀形跡監測、地面位移監測、深部位移監測、誘發因素監測、水壓力監測和滑坡地球物理、地球化學場監測等[4]。從監測方法來看，通常有地面宏觀形跡的簡易觀測、地面儀器監測、空間遙測和遙感監測[5-7]。以地面相對位移監測為例，它是測量地表裂縫兩側點與點之間的相對位移變化量的一種監測方法，由最初的人工標記或鋼尺簡易測量，到現在的自動化遙測[8-9]，在裂縫滑坡監測預警上發揮了重要作用。

滑坡裂縫的發育包含了縱向下挫、橫向張裂、側向滑動3個分量，對于臨滑預警或高速滑坡來講，測量裂縫的綜合位移變化是可以的[9]。但如果要對滑坡裂縫的發育情況進行長期監測，特別是蠕動型和慢速滑坡，需要分析其到底朝哪個方向滑移？該方向的滑移量是多少？采用直接測量裂縫兩端綜合位移的方法則無能為力，必須對測量方法和測量裝置進行改進。基于此，本文提出一種數字式遠程地表裂縫的三維測量方法，可以有效解決滑坡裂縫三分量測量，為長期監測、定性定量分析提供依據。

1 系統設計

本系統設計主要由兩個子系統組成，即完成野外數據測量與傳輸的測量節點子系統[10]；接收數據并傳輸到PC機用于災害分析的室內主機子系統。系統原理框圖如圖1所示。

測量節點主要由單片機控制單元、數據采集單元、電源管理單元、GSM無線數傳單元組成（北斗通信方式亦可[11]），安裝于測量現場。室內主機由GSM無線數傳單元、CMOS/RS232電平轉換單元、PC機組成，安裝于監測中心。

測量節點各單元功能：1）單片機控制單元作為測量節點的核心，用于數據測量的控制計算、GSM無線通信以及系統的開、停機的控制；2）數據采集單元將傳感器的輸出信號經過信號調理電路的濾波、變幅及阻抗匹配；3）電源管理單元用于DC-DC高效率變換及各單元電源的開關控制，測量節點采用太陽能（30 W）+蓄電池（70 Ah）供電[12]；4）GSM 無線數傳單元由M72-D集成GSM模塊、SIM卡及吸盤天線組成，以GSM網絡進行數據傳輸。

室內主機各單元功能：1）GSM無線數傳單元負責對各測量節點傳輸的數據進行接收，再采用CMOS/RS232電平轉換單元將數據上傳PC機；2）PC機系統軟件實現裂縫數據分析的顯示與數據庫管理[13]。

2 系統實現

2.1 單片機控制單元

系統單片機選用目前業內最小尺寸汽車級MCUC8051F530，采用4mm×4mmQFN封裝和TSSOP-20封裝，大大節省了PCB的占用面積，便于儀器的小型化及野外安裝。此外，C8051F530的停機模式下，其工作電流僅為0.1 μA，能夠滿足野外低功耗、長時間穩定工作的要求。

2.2 數據采集單元

采用KTC系列電阻型拉桿式位移傳感器直接測量裂縫兩側點對點綜合位移，傳感器輸出的直流電壓信號隨拉伸距離的改變而變化，但傳感器輸出的電壓范圍與C8051F530內部ADC的電壓測量范圍不匹配，因此需要一級信號調理電路進行濾波及變幅。C8051F530內部集成有24位ADC，可直接對信號調理電路輸出的信號進行測量采集。角度傳感器采用SCA100T，其測量范圍±90°，分辨率達 0.002°，11 位SPI數字輸出，該傳感器具有長期穩定性好、溫漂小、抗干擾能力強等優點。由于C8051F530只有一個SPI接口，因此需采用多路選通電路（結構圖和電路圖如圖2與圖3所示）分別對兩個角度傳感器進行通信，完成數據采集。

圖1 系統原理框圖

圖2 數據采集單元結構圖

圖3 多路選通電路圖

2.3 GSM無線數傳單元

測量節點以單片機C8051F530為核心，通過UART與GSM/GPRS無線數傳單元M72-D進行數據傳輸，再通過SIM卡與GSM建立連接，按GSM/GPRS方式發送數據到室內主機。C8051F530與M72-D的電路連接示意圖如圖4所示。

圖4 M72-D與C8051F350連接電路

M72-D是一款自主研發的支持GSM900/DCS1800雙頻段的無線通信模塊，支持標準的AT指令，直接通過UART與主控單片機進行數據通信。

3 三維測量方法

本系統提出的三維測量方法及其裝置由一個電阻型拉桿式位移傳感器、角度傳感器1、角度傳感器2、固定樁A及測量樁A0組成，如圖5所示。

測量裝置狀態如固定樁A-測量樁A0所示，電阻型拉桿式位移傳感器的拉伸長度是L0，測量樁A0與固定樁A的水平夾角即下挫角度為α0，側移角度為β0，單片機上電初始化后由式（1）～式（3）計算出當前X軸、Y軸、Z軸的初始值分別為

經過系統測量周期t時刻后，測量樁的位置發生了移動，裝置變成固定樁A-測量樁A0′的狀態，此時電阻型拉桿式位移傳感器的拉伸長度為Lt，測量樁A0′與固定樁A的水平夾角即下挫角度變為αt，側移角度為βt，計算當前X、Y、Z軸的當前值：

進一步，可得到滑坡造成的三維測量的變化值為

圖5 系統三維測量方法示意圖

以上所述得到的 ΔXt、ΔYt、ΔZt即是一次測量周期測得的地表裂縫三維測量變化值。

4 監測數據及分析

本系統（數字式遠程地表裂縫三維測量儀）的技術參數及技術指標如表1所示。

表1 儀器技術指標

測量節點如圖6所示，室內主機如圖7所示。系統三維位移測量實驗如下：

1）將拉桿式位移傳感器的初始長度L0固定為10cm，將圖5所示的下挫角度α和側移角度β分別固定為20°和50°，分別以步進3cm和3°遞增改變拉桿式位移傳感器的長度L和下挫角度α，測量10組數據（X1、Y1、Z1分別代表X、Y、Z軸分量），圖 8（a）所示。

圖6 測量節點實物圖

圖7 室內主機實物圖

圖8 三維位移測量實驗數據圖

圖9 滑坡裂縫位移監測數據（2016年7月）

2）再將拉桿式位移傳感器的初始長度L0固定為10cm，下挫角度α和側移角度β分別固定為20°和30°，分別以步進3cm和3°遞增改變拉桿式位移傳感器的長度L和側移角度β，測量10組數據（X2、Y2、Z2分別代表X、Y、Z軸分量），圖 8（b）所示。

本系統已應用于四川省綿陽市安縣某滑坡監測現場，圖9為2016年7月一次連續降雨導致滑坡的監測點三維位移測量數據，其中，1#曲線反映的是傳統儀器監測數據（綜合位移）。

從圖9可知：

1）該滑坡于2016年7月10開始明顯滑移，7月16日趨于穩定，持續時間6d，綜合位移曲線顯示累積位移量35.3mm，平均滑移速率5.88mm/d；最大當日累積位移9.7mm。

2）傳統儀器只能監測裂縫的綜合位移（1#曲線），而本測量儀還能監測X、Y、Z3 向位移（2#、4#、3# 曲線），3 向累積位移量分別為 6.93，11.49，6.68mm。

3）通過X向位移、Y向位移和Z向位移可以看出，滑體主要沿垂直裂縫方向（Y向）滑動，并伴隨向下（Z向）移動，而水平（X向）移動不明顯。

上述表明本文提出的三維測量方法能有效地反映出滑坡滑移的走向。

5 結束語

本文提出了一種數字式遠程地表裂縫的三維測量方法，并設計了測量裝置以及對應的電子電路，彌補了傳統的野外地表裂縫監測基于直接測量裂縫兩邊綜合位移而導致不能準確得出滑坡走向及其分量的缺點，一定程度上提高了監測預警儀器的分析能力。實際應用數據表明，三分量位移值對于準確定位滑坡裂縫走向是有效的，為長期監測、定性定量分析裂縫提供了依據。

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