基于測繪技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害防治自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳裕榮

（福建省同升測繪有限公司，福建 福州 350000）

地質(zhì)災(zāi)害是在自然或者人為等作用下而發(fā)生的巖土體移動(dòng)事件，常見的地質(zhì)災(zāi)害主要有山體滑坡、崩塌、泥石流、地面下沉等，一旦地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生將會(huì)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，且也威脅著人類安全。近年來地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，全球每年因地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失已經(jīng)達(dá)到1360億元，人員傷亡人數(shù)達(dá)8610人，并且失蹤人員數(shù)量達(dá)到3650人，因此可以看出地質(zhì)災(zāi)害不管是在生命安全上還是人類財(cái)產(chǎn)上都造成了極大的影響[1]。而監(jiān)測系統(tǒng)作為地質(zhì)災(zāi)害防治的核心，其能夠?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害防治提供數(shù)據(jù)依據(jù)，但是由于傳統(tǒng)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中具有監(jiān)測效率低、精準(zhǔn)度低等缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)報(bào)、誤報(bào)等問題，傳統(tǒng)系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足地質(zhì)災(zāi)害防治監(jiān)測需求，為此提出基于測繪技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害防治自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]。測繪技術(shù)屬于一種主動(dòng)式測量繪畫技術(shù)，該技術(shù)集成了多光譜相機(jī)、無線傳感器、GPS、相機(jī)參數(shù)標(biāo)定等現(xiàn)代化測量掃描技術(shù)，能對大面積范圍進(jìn)行測繪掃描，在數(shù)據(jù)采集過程中外界因素對其影響較小，并且測量成本低，測量過程簡單，易操作，目前測繪技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到各個(gè)測量領(lǐng)域中，比如礦山地質(zhì)特征測量、隧道地質(zhì)測量、橋梁工程地質(zhì)測量等。此次將測繪技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害防治監(jiān)測系統(tǒng)中，開發(fā)出一套地質(zhì)災(zāi)害防治自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，具有較高的實(shí)際意義。

1 基于測繪技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害防治自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

此次在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上，在硬件方面除了一些服務(wù)器、顯示器、硬盤等基礎(chǔ)硬件設(shè)備以外，還設(shè)計(jì)了多光譜相機(jī)、滲壓計(jì)硬件設(shè)備，利用多光譜相機(jī)和滲壓計(jì)采集到監(jiān)測區(qū)域的地質(zhì)圖像信息及水工環(huán)地質(zhì)信息，以下將會(huì)對該兩個(gè)硬件設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)說明。

1.1 多光譜相機(jī)

多光譜相機(jī)主要負(fù)責(zé)地質(zhì)數(shù)據(jù)采集，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測需求，此次選擇型號(hào)為RedEye1.7的多光譜相機(jī)，該相機(jī)應(yīng)用半導(dǎo)體薄膜處理技術(shù)，在像素級(jí)應(yīng)用窄帶光譜濾波器，等效空間分辨率為2048 x 8 lines/4nm step，灰度分辨率達(dá)到10bit。利用容量為128GB的USB接口，通過Ethernet或串口與搭載裝置相連接，地質(zhì)掃描頻率設(shè)定在45KHz～65KHz之間，精準(zhǔn)快速的采集到區(qū)域地質(zhì)圖像信息。

1.2 滲壓計(jì)

滲壓計(jì)主要是用于測量監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的地下水水壓及水位。根據(jù)監(jiān)測區(qū)域面積的大小，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)埋設(shè)滲壓計(jì)，埋設(shè)深度在350m～550m，當(dāng)被測水荷載作用在滲壓計(jì)上，會(huì)導(dǎo)致滲壓計(jì)的感應(yīng)模板發(fā)生變形，感應(yīng)模板的變形會(huì)引起振弦變應(yīng)發(fā)生變化，振弦變應(yīng)信號(hào)會(huì)通過電纜傳輸?shù)綕B壓計(jì)的讀卡裝置，此時(shí)滲壓計(jì)的讀卡器會(huì)自動(dòng)讀取振弦變應(yīng)數(shù)據(jù)，由此可以測量出監(jiān)測區(qū)域地下水水壓值以及水量值[3]。此次根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測需求，選取型號(hào)為VWP-150型號(hào)的振弦式滲壓計(jì)。首先將滲壓計(jì)測量線與讀數(shù)儀連接，將各色夾子對應(yīng)連接上滲壓計(jì)的輸出電纜，黑色與紅色測頻率，白色與綠色測量水位，振弦式滲壓計(jì)內(nèi)附有智能識(shí)別芯片，其內(nèi)存含有滲壓計(jì)的編號(hào)、系數(shù)、壓力修正系數(shù)等信息，利用讀數(shù)儀將地質(zhì)信息自動(dòng)讀出，按照順序通訊給計(jì)算機(jī)，方便快速統(tǒng)計(jì)計(jì)算機(jī)查詢。通過多光譜相機(jī)和滲壓計(jì)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于測繪技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害防治自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

2 基于測繪技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害防治自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于測繪技術(shù)的地質(zhì)數(shù)據(jù)采集

地質(zhì)數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)的基本功能，此次利用測繪技術(shù)獲取地質(zhì)數(shù)據(jù)，用于后期數(shù)據(jù)比較分析，其采集過程如下：測繪技術(shù)對監(jiān)測區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)獲取主要是通過多光譜相機(jī)實(shí)現(xiàn)的，所以首先需要根據(jù)監(jiān)測區(qū)域地形特征，對相機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置及標(biāo)定，選取一個(gè)由大小、形狀相同的黑色和白色方格拼接而成的棋盤狀模板作為標(biāo)定模板，通過標(biāo)定模板中的方格尺寸大小，和相機(jī)所拍攝的圖像數(shù)據(jù)來標(biāo)定出約束數(shù)據(jù)采集裝置的內(nèi)部參數(shù)。假設(shè)標(biāo)定模板平面上的三維點(diǎn)記為J(X,Y,Z)，其所對應(yīng)的像平面坐標(biāo)系中二維點(diǎn)為v[x,y]，則數(shù)碼相機(jī)的參數(shù)標(biāo)定公式如下：

公式（1）中，o和δ為相機(jī)像平面坐標(biāo)系橫軸與縱軸的縮放系數(shù)；R為相機(jī)旋轉(zhuǎn)矩陣；W為像平面坐標(biāo)系橫軸與縱軸的不垂直因子；a與b為相機(jī)像主點(diǎn)在像平面中的坐標(biāo)。當(dāng)相機(jī)拍攝到地質(zhì)圖像數(shù)據(jù)后，運(yùn)用GPS裝置確定相機(jī)的地理位置，然后通過IMU慣性測量裝置檢測相機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)，獲得拍攝圖像的空間三維坐標(biāo)，最后運(yùn)用分類技術(shù)將與地質(zhì)無關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行移除，其中包括地表建筑物、覆蓋物、植被等坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以此完成測繪技術(shù)對地質(zhì)數(shù)據(jù)的獲取。

2.2 地質(zhì)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，即轉(zhuǎn)入室內(nèi)數(shù)據(jù)處理階段。首先利用FU7配套預(yù)處理軟件對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維坐標(biāo)文件生成，然后將圖像像素灰度值進(jìn)行處理，提高圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量，其空間域處理可由以下公式定義：

公式（2）中，f(x,y,z)表示原圖像；g(x,y,z)表示處理后的圖像；T是對原圖像像素的一種操作，其定義在三維空間領(lǐng)域。利用上述公式對原始圖像像素增強(qiáng)，改變原有圖像灰度值，提高礦山地質(zhì)圖像數(shù)據(jù)清晰度。將增強(qiáng)處理后的三維坐標(biāo)文件轉(zhuǎn)成數(shù)據(jù)文件F，并對其質(zhì)量分析，剔除不合格圖像數(shù)據(jù)。最后將所有圖像數(shù)據(jù)、水壓及水量等數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一化處理，按照類別不同將數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，統(tǒng)一存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，以此完成對地質(zhì)數(shù)據(jù)處理。

2.3 地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)識(shí)別

地質(zhì)災(zāi)害的表現(xiàn)特征是巖土體位移及水荷載的壓力值超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)了一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害防治監(jiān)測算法，該算法以地質(zhì)災(zāi)害的表現(xiàn)特征作為地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)識(shí)別的啟動(dòng)判斷，其計(jì)算公式如下所示：

公式（3）中，W1為地質(zhì)巖體原本與地面距離；W2為當(dāng)前地質(zhì)巖體與地面距離；K1為監(jiān)測區(qū)域原本地下水水壓；K2為當(dāng)前水荷載的壓力值；Δα為安全系數(shù)。當(dāng)測量的系數(shù)低于預(yù)先設(shè)定的安全系數(shù)值時(shí)，則表明該區(qū)域地質(zhì)處于安全狀態(tài)；當(dāng)測量的系數(shù)超出預(yù)先設(shè)定的安全系數(shù)值時(shí)，則說明監(jiān)測區(qū)域?qū)?huì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，此時(shí)系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示需要采取防治措施應(yīng)對即將發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，以此完成了基于測繪技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害防治自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以某地段作為實(shí)驗(yàn)對象，該區(qū)域路段全長48.365公里，平均海拔2680m，多高山峽谷，山坡沿線巖體破碎、松垮，巖體地質(zhì)及其脆弱，地質(zhì)條件較差，屬于地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)、易發(fā)區(qū)域。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用到的硬件設(shè)備有：IBM B2360主機(jī)、ND3661-L串口服務(wù)器、Windows XP操作系統(tǒng)、SQL werver2000數(shù)據(jù)庫、80G硬盤等。實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)間為50天，共設(shè)置了85個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，10個(gè)卡口點(diǎn)位，對區(qū)域進(jìn)行全面監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)對比兩種系統(tǒng)的誤報(bào)警率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

表1 兩種系統(tǒng)誤報(bào)警率對比（%）

從上表可以看出，此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)誤報(bào)警率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)系統(tǒng)，且不會(huì)因?yàn)楸O(jiān)測時(shí)間的增長而增長，證明了此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以滿足地質(zhì)災(zāi)害防治自動(dòng)監(jiān)測精度需求。

4 結(jié)語

此次研究借鑒了相關(guān)文獻(xiàn)資料，將測繪技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害防治監(jiān)測中，設(shè)計(jì)了一套完整的地質(zhì)災(zāi)害防治自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，有效提高了監(jiān)測效率和監(jiān)測精度，能夠?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害的防治提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)依據(jù)，同時(shí)也為地質(zhì)災(zāi)害防治自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究提供了理論依據(jù)，切實(shí)提高了地質(zhì)災(zāi)害防治監(jiān)測工作水平。

由于個(gè)人能力有限，雖然取得了一定的研究成果，但是此次研究還存在一些問題，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在功能方面還有待完善，今后還需要通過大量的科學(xué)知識(shí)和技術(shù)理論對地質(zhì)災(zāi)害防治監(jiān)測進(jìn)行進(jìn)一步研究。