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

汪 波，石明程

（青海省有色第一地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810000）

我國特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，造成了地災(zāi)明顯的“東西分區(qū)”和“南北分帶”的特征，也導(dǎo)致了我國較高的地災(zāi)發(fā)生頻率。監(jiān)測(cè)預(yù)警可以對(duì)地災(zāi)發(fā)生做出超前預(yù)測(cè)，并提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料，是做好地災(zāi)防治的首要工作。在我國科技快速發(fā)展的大環(huán)境下，災(zāi)害檢測(cè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)已遍布各地，我國的地質(zhì)災(zāi)害的防治趨于穩(wěn)定。針對(duì)不同的地災(zāi)，采用的監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法并不相同，當(dāng)然監(jiān)測(cè)效果也會(huì)有所差距。但針對(duì)類似巖體崩塌、山體滑坡、地質(zhì)沉降等的地災(zāi)，還需應(yīng)用更為有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，才能實(shí)現(xiàn)最為有效的治理。

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

1.1 遙感信息技術(shù)應(yīng)用原理與方法

遙感技術(shù)在水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中應(yīng)用廣泛，在對(duì)基礎(chǔ)的構(gòu)造、地貌、水文等的信息獲取方面，具有效率高且信息完整的特點(diǎn)。通過獲取的影像特征可掌握地下水分布規(guī)律；通過對(duì)植被的間接分析探明地下潛水；遙感技術(shù)的穿透性可以呈現(xiàn)探明古河道分布特征；借助熱紅外圖像幫助查探地表水體等的確切位置，此外還能實(shí)現(xiàn)對(duì)水污染情況的監(jiān)測(cè)。

隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，遙感信息技術(shù)發(fā)生了“由單一到多源”、“由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)”的發(fā)展。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多源信息之間的復(fù)合分析,其中“復(fù)合”對(duì)象指的是遙感圖像、地圖、遙感信息、非遙感數(shù)據(jù)。它根據(jù)地物特征選取最佳的時(shí)相圖像，并通過合理分類算法加以分類。地災(zāi)治理中，主要利用遙感信息技術(shù)起到對(duì)災(zāi)害地質(zhì)體的監(jiān)測(cè)作用，需要首先對(duì)獲取到的中等遙感影像中勘測(cè)數(shù)據(jù)加以研究，將危險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別出來，再通過對(duì)獲取的高等影像中勘測(cè)數(shù)據(jù)的研究，標(biāo)出危險(xiǎn)地質(zhì)體。以上原理需要依賴精準(zhǔn)度與多元化的實(shí)現(xiàn)。精準(zhǔn)度的高低決定了其應(yīng)用對(duì)象和目標(biāo)的不同。“低精度”適用于區(qū)域性的監(jiān)測(cè)，幫助監(jiān)測(cè)災(zāi)害體制的變化。“高精度”則適用于重點(diǎn)或指定對(duì)象，開展對(duì)災(zāi)害地質(zhì)體的詳細(xì)監(jiān)測(cè)，以探明其活動(dòng)性。

1.2 遙感信息技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與不足

廣濟(jì)掃描遙感儀不僅對(duì)紅外光和可見光獲取技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，還擴(kuò)展了服務(wù)波段，使遙感信息技術(shù)的應(yīng)用增強(qiáng)了便利性。目前被用于地災(zāi)治理監(jiān)測(cè)中的傳感器和遙感器已具備對(duì)更長波段電磁波的檢測(cè)能力，在紅外光和可見光檢測(cè)中已經(jīng)達(dá)到納米等級(jí)。

遙感信息源價(jià)格昂貴，地災(zāi)的預(yù)警預(yù)報(bào)需要做到實(shí)時(shí)或定期的獲取，因資金受限無法廣泛普及，僅僅被用于重點(diǎn)工程。而已有的高分辨率圖像也未被有效應(yīng)用，遠(yuǎn)離實(shí)際需求。遙感信息技術(shù)在地災(zāi)監(jiān)測(cè)方面所發(fā)揮的作用并未被深入挖掘，主要被用于宏觀調(diào)查中，還需加大對(duì)該技術(shù)的研發(fā)力度。

2 地質(zhì)沉降治理中的北斗定位監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 北斗地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)方法

北斗定位系統(tǒng)基于衛(wèi)星定位站參考技術(shù)，采用雙差解算模式，優(yōu)化RTK 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站及監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)的同步處理。以基準(zhǔn)點(diǎn)為依據(jù)，對(duì)發(fā)生的地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的形變綜合判定。北斗定位地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)，需要依賴定位的精準(zhǔn)度，因此稱為高精度北斗定位技術(shù)。針對(duì)電離層對(duì)電磁波存在的延遲問題，可通過雙頻接收機(jī)解決，同時(shí)對(duì)兩種頻率存在較大差別的載波信號(hào)進(jìn)行處理。雖然在觀測(cè)數(shù)據(jù)上仍然存在誤差，但通過對(duì)觀測(cè)信息的利用，建立相關(guān)模型，存在的誤差便會(huì)被糾正消失。此外，偽距輸出、載波相位等均為北斗定位提供了定位解算的支持。

2.2 北斗地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

首先，地下水的活動(dòng)規(guī)律對(duì)地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，對(duì)不同氣候環(huán)境下的地下水位及水量的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，充分掌握其活動(dòng)對(duì)地質(zhì)沉降產(chǎn)生的影響。

其次，基準(zhǔn)站的選取是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性的保障。基準(zhǔn)站需要配備北斗接收機(jī)用以接收觀測(cè)數(shù)據(jù)。建設(shè)區(qū)域應(yīng)為已知坐標(biāo)，選擇地段穩(wěn)固區(qū)域。為了確保基準(zhǔn)站建設(shè)區(qū)域獲取足夠的信號(hào)覆蓋范圍，應(yīng)確保該區(qū)域內(nèi)視野開闊、無遮擋，為避免基準(zhǔn)站受到干擾，還需與高壓線、大型變電站保持足夠遠(yuǎn)的距離，類似大功率的無線設(shè)施須盡可能避開。基準(zhǔn)站無需人值守，須配備備用電源，通信須確保流暢、穩(wěn)定。

最后，做好監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)工作。根據(jù)形變特征，合理設(shè)立檢測(cè)中心點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)觀測(cè)目的，真實(shí)反映形變情況，還需為檢測(cè)點(diǎn)配備北斗衛(wèi)星接收機(jī)。檢測(cè)站點(diǎn)應(yīng)選擇地質(zhì)錯(cuò)層、位移明顯的位置，觀察墩須控制合理的高度，以防被遮擋或多路徑反射，須控制在1.5m ～1.7m 之間。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)選擇

完成初步建設(shè)后，還應(yīng)為站點(diǎn)之間的有效通信鏈路，建立通信網(wǎng)絡(luò)。適用于北斗地質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通行方式有很多，比如無線藍(lán)牙、無線WIFI、ZigBee、有限光纖等。對(duì)于中心點(diǎn)間距小，且植被茂盛的區(qū)域，須采用無線傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健；谙到y(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)量較大，而站點(diǎn)與站點(diǎn)之間存在著適當(dāng)?shù)拈g距，往往是根據(jù)實(shí)際情況選擇通信方式的不同組合更為適用，也更能發(fā)揮通信自身的優(yōu)勢(shì)。“CPE+無線基站+網(wǎng)橋”是現(xiàn)階段實(shí)踐中最理想的通信模式。

3 滑坡應(yīng)急變形監(jiān)測(cè)中的GNSS技術(shù)

3.1 GNSS 技術(shù)檢測(cè)內(nèi)容

圖1 為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析邏輯構(gòu)圖

①設(shè)置檢測(cè)基準(zhǔn)站。檢測(cè)基準(zhǔn)站須綜合考慮目標(biāo)位置的山體走勢(shì)和形狀，結(jié)合巖土層結(jié)構(gòu)以及滑坡區(qū)域?qū)嶋H情況，進(jìn)行合理設(shè)置，②設(shè)置動(dòng)態(tài)檢測(cè)點(diǎn)。該項(xiàng)工序是GNSS 技術(shù)監(jiān)測(cè)作業(yè)的主要部分，通過建立自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的掃描和信息數(shù)據(jù)的獲取，并包含對(duì)指定位置點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。該項(xiàng)工序設(shè)置中需要密切注意通信系統(tǒng)的構(gòu)建，嚴(yán)把通訊質(zhì)量關(guān)，以防后期因數(shù)據(jù)收集的缺失導(dǎo)致監(jiān)測(cè)質(zhì)量下降。③設(shè)置監(jiān)測(cè)信號(hào)接收站。該項(xiàng)工序是GNSS 技術(shù)滑坡應(yīng)急變形監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，接收站位置的選擇，尤其是金屬礦產(chǎn)類，需要綜合考慮基準(zhǔn)站的設(shè)置狀況，以防為后期的信號(hào)接收造成諧波干擾。④監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理。該部分主要包含對(duì)計(jì)算機(jī)軟件數(shù)據(jù)的處理和后期人工分析和評(píng)估。需要注意的是，二維及三維網(wǎng)間的平差處理，主要采用GPSADJ 系列軟件以及同濟(jì)大學(xué)的 TGPPS 靜態(tài)定位后處理軟件。如圖1 所示。

3.2 GNSS 技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

①高精度。GNSS 技術(shù)平面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度達(dá)到了5mm 級(jí)別。若能同時(shí)調(diào)用多余5 顆衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測(cè)作業(yè)，其精度級(jí)別可實(shí)現(xiàn)1cm。這種高精度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，尤其對(duì)區(qū)域性的大范圍監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，對(duì)于一些大型項(xiàng)目來說也同樣極為適用。②監(jiān)測(cè)模式多樣性。GNSS 技術(shù)監(jiān)測(cè)分為三種模式，分別為動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、快速三種。動(dòng)態(tài)檢測(cè)精度在5mm 級(jí)別，實(shí)操中的誤差小于2cm。靜態(tài)監(jiān)測(cè)需要通過3 臺(tái)～5 臺(tái)接收機(jī)構(gòu)建出檢測(cè)網(wǎng)，對(duì)指定區(qū)域?qū)嵤┳鳂I(yè)。這種靜態(tài)監(jiān)測(cè)主要適用于平面工程類項(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全天候類型及地質(zhì)類型作業(yè)。主要突出特點(diǎn)為不受氣候、地形的限制，適用于被信號(hào)覆蓋的各個(gè)區(qū)域。

3.3 GNSS 技術(shù)應(yīng)用注意事項(xiàng)

設(shè)備質(zhì)量的優(yōu)劣決定著GNSS 技術(shù)監(jiān)測(cè)效果是否良好，須合理選擇GNSS 技術(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備。實(shí)踐中運(yùn)用較好的接收機(jī)諸如：海達(dá)單頻GNSS、華測(cè)GPS-X9 和北斗GNSS。設(shè)備的選擇須以運(yùn)行可靠、信號(hào)接收穩(wěn)定、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確為標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮選用性價(jià)比高、適用度強(qiáng)的設(shè)備。

4 結(jié)語

綜上所述，水工環(huán)地質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)種類多，每種監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)不同，監(jiān)測(cè)內(nèi)容不同，適用范圍也不同。在對(duì)地災(zāi)治理的應(yīng)用中，需要結(jié)合實(shí)際情況合理選用，使監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。監(jiān)測(cè)人員需規(guī)范操作，合理選擇監(jiān)測(cè)設(shè)備，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和監(jiān)測(cè)質(zhì)量。