基于非接觸式監(jiān)測技術的滑坡崩塌前兆檢測技術研究

賀寧波，楊寶全，侯爭軍，戴穎超，呂嫣冉，汪雨濃，李自強

（1.中國安能集團第三工程局有限公司，四川 成都 610036；2.四川大學，四川 成都 610065；3.成都星景智能科技有限公司，四川 成都 610031；4.蘇州理工雷科傳感技術有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 前 言

我國西南山區(qū)流域梯級水電站均處于高山峽谷地帶，地形地質條件極其復雜，地震或強降雨等極端環(huán)境經(jīng)常導致滑坡-堰塞湖、泥石流、雪崩、危巖崩塌等地質災害頻發(fā)，嚴重影響流域梯級水電站的正常建設和運營，甚至威脅到人民生命財產(chǎn)安全。特別是重大滑坡應急救援現(xiàn)場具有環(huán)境惡劣，次生災害風險大、頻率高、突發(fā)性強等特點，傳統(tǒng)監(jiān)測手段只能獲取監(jiān)測點附近位移信息，存在大量監(jiān)測盲區(qū)與視野盲區(qū)以及虛警多、復核難等技術難題，嚴重威脅現(xiàn)場應急救援安全，因此迫切需要開展滑坡應急救援現(xiàn)場非接觸式監(jiān)測技術研究［1-3］。

突發(fā)高邊坡地質災害的變形失穩(wěn)破壞過程具有突發(fā)性、不確定性、多維性、復雜性的特征，這些特征決定高邊坡地質災害應急監(jiān)測內容不能像常規(guī)變形監(jiān)測一樣進行安裝監(jiān)測，只能利用非接觸式監(jiān)測設備對邊坡災害體表面變形進行監(jiān)測，達到在應急現(xiàn)場實現(xiàn)快速部署、準確獲取、實時監(jiān)控的目的［4-5］。杜釗鋒［6］采用地基合成孔徑雷達開展地質災害應急監(jiān)測預警工作，代威［7］采用地基合成孔徑邊坡雷達與三維激光掃描的監(jiān)測技術，實現(xiàn)了對邊坡的三維整體變形實時監(jiān)測。劉冀昆［8］采用S-SARⅡ技術進行崩塌臨災應急監(jiān)測，滿足崩塌前兆監(jiān)測的需要。針對滑坡次生災害的突發(fā)性、不確定性和隱藏性，提出基于GB-InSAR與邊坡無人機視覺監(jiān)測算法的滑坡非接觸式應急監(jiān)測方法，通過采用地基合成孔徑雷達獲取滑坡區(qū)地表雷達視線方向的變形速度，實現(xiàn)對滑坡整體變形實時監(jiān)測，再采用無人機視覺識別算法技術進行局部崩塌監(jiān)測，基于監(jiān)測結果對邊坡的整體穩(wěn)定性和局部崩塌進行實時監(jiān)測。該系統(tǒng)延續(xù)了非接觸式應急監(jiān)測的優(yōu)勢，同時克服了三維建模計算時間冗長的缺點，具有受環(huán)境影響小、效率高和智能化的特點，解決了傳統(tǒng)存在監(jiān)測盲區(qū)、視野盲區(qū)和虛警復核的技術難題，適用于對滑坡的應急搶險監(jiān)測預警場景［9-10］。

1 滑坡應急監(jiān)測特點及要求

我國原生地質災害以滑坡、崩塌為主，約占災害總量的80%。從力學條件上看，牽引式滑坡更易誘發(fā)二次、多次滑坡和崩塌，而救援人員和工程機械在堆積體的搜救開挖擾動，會加劇二次滑動面的孕育發(fā)展。從滑坡地質災害救援實際情況來看，現(xiàn)場發(fā)生頻率最高的次生災害是滾石、局部崩塌和二次滑坡。因此，滑坡應急救援現(xiàn)場監(jiān)測預警的首要任務仍是對二次滑坡崩塌體的范圍、規(guī)模、穩(wěn)定性的觀測和預測。

滑坡應急監(jiān)測特點及要求如下：

（1）快速布置響應。重大滑坡地質災害險情發(fā)生后，邊坡應急監(jiān)測設備要及時布置到位并展開實時監(jiān)測，以便掌握滑坡險情及其發(fā)展情況，進而滿足滑坡監(jiān)測時效性、實時化及精度要求。

（2）全天24 h監(jiān)測。滑坡地質災害應急搶險，需要在最短時間內遏制險情發(fā)展，在允許情況下，24 h不間斷地開展應急搶險工作，因此應急監(jiān)測裝備系統(tǒng)也應具備24 h不間斷監(jiān)測能力。

（3）安全性好。在傳統(tǒng)應急監(jiān)測作業(yè)時，作業(yè)人員需要手持或安裝監(jiān)測設備在邊坡潛在破壞區(qū)域進行監(jiān)測，滑坡地質災害突發(fā)性和不確定性導致了監(jiān)測作業(yè)具有高危性，人工作業(yè)安全性不能保障，因此需要采用非接觸式監(jiān)測方法提高滑坡應急監(jiān)測的安全性。

（4）時間、空間分辨率高。滑坡應急監(jiān)測需要將不同時段的變形數(shù)據(jù)進行對比，以掌握災情的發(fā)展趨勢，這對分辨率提出了較高的要求；同時又要求能將滑坡破壞形態(tài)、破壞過程、裂縫等細節(jié)準確反映出來，從而為應急搶護提供依據(jù)，因此也需要良好的空間分辨率。

（5）布置便捷。針對高山峽谷的復雜地形，非接觸式監(jiān)測設備布置應具有快捷、小巧和靈活的布置特點。

2 基于GB-InSAR與無人機視覺的滑坡非接觸式監(jiān)測技術

基于非接觸式監(jiān)測技術的滑坡崩塌前兆監(jiān)測方法首先采用地基合成孔徑雷達獲取滑坡區(qū)地表雷達視線方向的變形速度，實現(xiàn)對滑坡整體變形實時監(jiān)測，確定潛在變形發(fā)展區(qū)域；再采用無人機視覺識別算法技術對潛在變形發(fā)展區(qū)域進行局部崩塌監(jiān)測，通過連續(xù)多期影像數(shù)據(jù)對比，獲得崩塌變化情況，以準確掌握高位災害體隱蔽災害點的環(huán)境情況，實時指導應急搶險施工。

2.1 系統(tǒng)構成

基于GB-InSAR與無人機視覺識別算法的滑坡非接觸式應急監(jiān)測方法主要由邊坡雷達監(jiān)測子系統(tǒng)和無人機微變應急監(jiān)測子系統(tǒng)構成（見圖1），現(xiàn)場工作流程如圖2所示。2.1.1 地基合成孔徑雷達監(jiān)測技術原理及構成

圖1 非接觸式應急監(jiān)測技術系統(tǒng)構成

圖2 非接觸式應急監(jiān)測技術系統(tǒng)構成

地基合成孔徑雷達（GB-InSAR）是一種基于微波傳感器和差分干涉雷達技術的高精度測量儀器，具有全天時、全天候、高分辨率、穿透性、連續(xù)觀測的能力［11］。GB-InSAR采用發(fā)射電磁脈沖和接收目標回波之間的時間差測定邊坡災害體表面的移動距離，通過前后兩幅雷達干涉圖的空間解纏，實現(xiàn)對邊坡潛在失穩(wěn)地質體的表面位移監(jiān)測。依據(jù)位移量、速度等參數(shù)進行預警級別判斷，發(fā)出預警，實現(xiàn)實時自動化位移監(jiān)測及預警［12-14］。

地基合成孔徑雷達監(jiān)測區(qū)域可達十幾平方公里，可對目標區(qū)域整體進行監(jiān)測，獲取目標區(qū)域整體形變歷史信息，預測邊坡潛在破壞區(qū)域的形變趨勢，與點形變監(jiān)測相比，其監(jiān)測結果更全面。

2.1.2 無人機邊坡視覺監(jiān)測技術原理及構成

無人機邊坡微變監(jiān)測技術采用背景差分技術與圖像識別技術，反復把當前圖像與前期采集的圖像進行對比，監(jiān)測細小裂縫和落石等崩塌前兆，在可能發(fā)生險情時，提醒開挖面周邊作業(yè)人員避難。相對以往的目測方式，無人機邊坡微變監(jiān)測技術具有更高精度，能夠大幅提高開挖面作業(yè)的安全性。該技術延續(xù)了非接觸式應急監(jiān)測的優(yōu)勢，同時舍棄三維建模的繁雜計算時長，僅通過無人機采集邊坡災害體的高分辨率正交影像進行判別，具有亞毫米級、亞分鐘級響應的特點，對邊坡高位災害體的應急監(jiān)測較為適用［15-17］。

該系統(tǒng)硬件由無人機、相機、毫米波雷達、DRTK、服務器、天線WIFI、網(wǎng)絡設備等終端組成，軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與傳輸、監(jiān)測軟件組成，該邊坡無人機非接觸式監(jiān)測系統(tǒng)整體架構如圖3所示。

圖3 無人機邊坡微變監(jiān)測系統(tǒng)組成

2.2 監(jiān)測技術指標

系統(tǒng)主要技術指標如下：

（1）表面變形監(jiān)測指標，主要包括崩塌前兆；

（2）重點監(jiān)測部位全覆蓋，包括結構面、軟弱夾層、滑坡塊體的前緣、后緣及兩側環(huán)境變化；

（3）精度，亞毫米級；

（4）響應速度，不大于1 min，可以根據(jù)現(xiàn)場情況實時調整。

2.3 系統(tǒng)技術特點

（1）監(jiān)測精度高。當雷達放置在滑坡體對面合適位置時，邊坡雷達可以監(jiān)測滑坡體毫米級別的表面變形，無人機微變監(jiān)測技術也可以達到亞毫米級分辨率。

（2）監(jiān)測實時性強。采用地基合成孔徑雷達掃描技術，可在較短時間（小于1 min）內完成解算，得到邊坡潛在破壞區(qū)域的位移數(shù)據(jù)，提醒現(xiàn)場作業(yè)人員和車輛進行避險。無人機微變監(jiān)測系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集、傳輸至處理，也可在短時間（小于1 min）完成崩塌和裂縫寬度數(shù)據(jù)的解算，最終通過點云數(shù)據(jù)與視覺監(jiān)測協(xié)同，為應急搶險提供及時監(jiān)測預警服務。

（3）適應能力強。無人機能從空中采集高位災害體影像數(shù)據(jù)進行應急監(jiān)測，尤其遇到高山峽谷、涌浪等極端環(huán)境。此方法可克服交通不便、人員無法到達等不利因素，且無人機能及時到達潛在破壞區(qū)域，實時傳遞影像數(shù)據(jù)，監(jiān)視滑坡體變形趨勢，為應急搶險指揮決策提供依據(jù)。

（4）不受極端環(huán)境限制。地基孔徑雷達不受夜間、大雨或云霧天氣的影響，從而可實現(xiàn)全天候監(jiān)視，有效彌補無人機監(jiān)測的不足。無人機的靈活性和可視化，使無人機微變監(jiān)測技術可以解決受地形、涌浪等極端環(huán)境的限制從而無法布置邊坡雷達的場景。

（5）便捷靈活。結合無人機機動靈活、攜帶方便和安全可靠的特點，可遠距離遙控飛往邊坡的高危區(qū)域，從空中視角監(jiān)測邊坡高位災害體表面變形趨勢，有效地彌補了邊坡雷達存在視野盲區(qū)和監(jiān)測盲區(qū)的局限和不足。

3 工程應用

3.1 寶興縣新華村滑坡概況

2022年6月1 日17：00，四川雅安市蘆山縣發(fā)生6.1級地震，蘆山縣、寶興縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災，多處山體出現(xiàn)滑坡等地質災害。寶興縣新華村因地震引發(fā)山體滑坡并形成堰塞湖，嚴重威脅下游沿河居民的生命財產(chǎn)安全。面對高山峽谷以及復雜震后應急救援現(xiàn)場環(huán)境，傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測設備已無法正常開展工作，現(xiàn)場救援工作的安全難以得到保障。

3.2 基于InSAR與無人機視覺識別算法的滑坡非接觸式應急監(jiān)測方法

為保障新華村滑坡體的應急搶險人員和機械設備的安全，采用“GB-InSAR+邊坡無人機視覺”協(xié)同的非接觸式監(jiān)測技術進行應急監(jiān)測預警。

該方法利用邊坡形變監(jiān)測雷達監(jiān)測滑坡危險面上表面的微小形變，計算出從監(jiān)測開始到當前的監(jiān)測面上的所有位置的累計形變，并進行提前預警。經(jīng)研判，項目繪制了重點監(jiān)測區(qū)域，分別進行預警，監(jiān)測期間共發(fā)出1次二級預警、10次三級預警和7次四級預警，邊坡雷達的典型監(jiān)測結果如圖4所示，表1展示了局部區(qū)域邊坡雷達預警結果。針對面4的局部區(qū)域，通過邊坡形變監(jiān)測雷達獲取該區(qū)域表面的形變結果與形變值-時間關系（見圖5），然后通過邊坡無人機視覺識別算法進行可視化崩塌前兆監(jiān)測，判斷異常情況為局部塊體脫落和表面樹木滑移引起。

表1 局部區(qū)域邊坡雷達預警結果

圖4 合成孔徑雷達崩塌監(jiān)測（整體）

圖5 邊坡雷達監(jiān)測曲線

4 結論與展望

（1）本文緊密結合滑坡應急搶險期間變形監(jiān)測需求，提出了一種基于In-SAR與無人機視覺識別算法的滑坡崩塌前兆非接觸式應急監(jiān)測體系。該非接觸式監(jiān)測方法克服了傳統(tǒng)監(jiān)測方法監(jiān)測盲區(qū)與視覺盲區(qū)大、虛警多、復核困難等缺點，從安全監(jiān)測的范圍、精度、便攜性和可視化程度等方面引領行業(yè)發(fā)展方向，并且可以基于該技術打造一批專業(yè)化的監(jiān)測流程和隊伍，為多部門協(xié)同作業(yè)提供技術支撐。

（2）經(jīng)現(xiàn)場測試驗證，該系統(tǒng)靈敏度可滿足要求，識別精度與響應速度分別達到亞毫米級和秒級，滿足滑坡崩塌前兆的整體和局部可視化監(jiān)測的需求，為滑坡應急監(jiān)測提供一種新方法。由于受數(shù)據(jù)庫樣本和試驗條件限制，需要對崩塌前兆識別的合理性、普適性進行優(yōu)化調整。

（3）軟件的運行效率決定著監(jiān)測系統(tǒng)的反應速度，也決定著對硬件的基本要求，所以無論是目標檢測還是識別算法，其改進都是后續(xù)研究的重點與難點，需要不斷優(yōu)化。