于 泓，彭軍還

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)， 北京 100083)

IBIS－M系統(tǒng)在露天礦邊坡監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

于 泓，彭軍還

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)， 北京 100083)

利用差分干涉測(cè)量(D－Insar)技術(shù)對(duì)地表進(jìn)行大范圍變形監(jiān)測(cè)是當(dāng)今微變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)突破。介紹了IBIS－M微變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成、工作原理，及其在露天礦邊坡監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)表明，IBIS－M是一種全新的露天礦邊坡監(jiān)測(cè)設(shè)備，可長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，覆蓋范圍廣、監(jiān)測(cè)精度高，在露天礦邊坡方面監(jiān)測(cè)方面有著非常成功的應(yīng)用。

IBIS－M;邊坡監(jiān)測(cè);應(yīng)用實(shí)例

IBIS－M(Image by Interferometric Survey–For Mines)是基于微波干涉技術(shù)的高級(jí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，是由意大利IDS公司和佛羅倫薩大學(xué)經(jīng)6 a合作研發(fā)的創(chuàng)新地基干涉雷達(dá)，主要應(yīng)用于地形變形監(jiān)測(cè)(包括滑坡、不穩(wěn)定邊坡及冰川等)和建筑物變形監(jiān)測(cè)(包括大壩、橋梁、高塔等等)。

1 IBIS－M系統(tǒng)組成及工作原理

如圖1所示，IBIS－M系統(tǒng)硬件組成包括以下幾個(gè)單元:

圖1 IBIS－M系統(tǒng)組成

(1)合成孔徑雷達(dá)單元;

(2)2 m線性軌道掃描單元;

(3)太陽(yáng)能電池板;

(4)監(jiān)測(cè)報(bào)警單元;

(5)工業(yè)級(jí)高精度以太網(wǎng)式相機(jī);

(6)能量供應(yīng)控制單元;

(7)智能發(fā)電機(jī);

(8)氣象監(jiān)測(cè)單元;

(9)WIFI無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元。

合成孔徑雷達(dá)單元即傳感器單元，包含頻率為16.6～16.9 GHz步進(jìn)頻率連續(xù)波，信號(hào)發(fā)射器和接收器(20 dB增益)、視準(zhǔn)器及喇叭形天線，頻率掃描和傳感器位置間的同步控制器以及線性掃描裝置接口。線性軌道掃描單元包含步進(jìn)控制編碼器及步進(jìn)伺服馬達(dá)等，使雷達(dá)單元在2 m的線性軌道上按照不同的采樣間隔有規(guī)律地移動(dòng)。能量供電控制單元包含2個(gè)12 V電源、220～240 V交流輸入、光電太陽(yáng)能12 V直流輸入、線性掃描器及附件的直流輸入接口、電源綜合智能控制模塊等，此單元也是數(shù)據(jù)記錄和處理的操作平臺(tái)，還裝備有軍工級(jí)松下CF19筆記本電腦。

IBIS－M系統(tǒng)軟件組成為IBIS Controller采集軟件及IBIS Guardian數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析軟件。

IBIS－M系統(tǒng)參數(shù)見表1，其中IP65表示環(huán)境相對(duì)濕度90%無(wú)水滴，防護(hù)級(jí)別為IP65。

表1 IBIS－M系統(tǒng)參數(shù)

IBIS－M的空間分辨率包括距離向分辨率ΔR和角度向分辨率ΔΦ。角分辨率Δφ以及角度向分辨率公式如下:

式中:λ為波長(zhǎng)，17.647 mm;L為線性滑軌長(zhǎng)度(合成雷達(dá)孔徑)，2 m;角分辨率4.5 mrad為定值，因此角度向分辨率ΔΦ與監(jiān)測(cè)距離D有關(guān)。

距離向分辨率ΔR公式如下:

式中，c為光速，距離向分辨率可以通過(guò)脈沖持續(xù)時(shí)間τ或脈沖帶寬B來(lái)表示，可以得到距離向分辨率0.5 m為定值，因此距離向分辨率ΔR與監(jiān)測(cè)距離D無(wú)關(guān)。

IBIS－M系統(tǒng)集合了步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)(SFCW)、合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(SAR)、相位干涉測(cè)量技術(shù)以及永久散射體技術(shù)。

頻率步進(jìn)信號(hào)是一種較常用的高距離分辨率雷達(dá)信號(hào)，常用于雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)之中。在實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)中，距離分辨率可由短脈沖波形獲得，也可通過(guò)壓縮長(zhǎng)脈沖實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)頻率波形(SFW)是一種常見的脈沖壓縮波形［1］。運(yùn)用步進(jìn)頻率連續(xù)波(SFCW)技術(shù)原理，如圖2所示，雷達(dá)以不同的頻率f在Tsweep時(shí)間內(nèi)發(fā)射n組連續(xù)的步進(jìn)頻率的電磁波，保證電磁波的長(zhǎng)距離傳輸，繼而為雷達(dá)提供了很高的距離向分辨率，即0.5 m，這意味著在雷達(dá)的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，沿徑向每0.5 m被分割成一個(gè)單元。

圖2 步進(jìn)頻率連續(xù)波示意

合成孔徑雷達(dá)(SAR)［2～5］是微波傳感器中發(fā)展最為迅速、最有成效的一種對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。IBISM系統(tǒng)備有2 m線性軌道掃描單元，相當(dāng)于雷達(dá)的孔徑達(dá)到2 m，使IBIS－M主機(jī)在滑軌上滑動(dòng)采集數(shù)據(jù)時(shí)能夠分辨雷達(dá)徑向等距離間隔為0.5 m的點(diǎn)，為設(shè)備提供了很高的角度向分辨率。

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)是以合成孔徑雷達(dá)復(fù)影像數(shù)據(jù)對(duì)提取的干涉相位信息為信息源獲取地表三維信息和變化信息的一項(xiàng)技術(shù)［6］。IBISM系統(tǒng)運(yùn)用了干涉測(cè)量技術(shù)，將在不同時(shí)間得到的同一地區(qū)的SAR圖像進(jìn)行干涉，比較目標(biāo)物在不同時(shí)刻的反射波相位信息的差異，從而演算得到微小的位移變化量。

永久散射體技術(shù)，是指系統(tǒng)通過(guò)對(duì)被測(cè)區(qū)域進(jìn)行一定時(shí)間的監(jiān)測(cè)，自動(dòng)選取符合永久散射體條件的若干像素點(diǎn)，構(gòu)建該被測(cè)區(qū)域的環(huán)境校準(zhǔn)曲面，準(zhǔn)確的去除各種外在環(huán)境因素對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。

2 IBIS－M在露天礦邊坡監(jiān)測(cè)應(yīng)用實(shí)例

2.1 IBIS－M系統(tǒng)在澳大利亞某露天鐵礦邊坡監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

表2為IBIS－M系統(tǒng)監(jiān)測(cè)澳大利亞某露天鐵礦邊坡所設(shè)置的參數(shù)。

表2 澳大利亞某露天鐵礦邊坡監(jiān)測(cè)的參數(shù)設(shè)置

監(jiān)測(cè)時(shí)間為2010年3月6日9點(diǎn)23分至2010年3月29日23點(diǎn)59分，共約23 d。監(jiān)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)情況相對(duì)應(yīng)，將預(yù)警閾值位移區(qū)間設(shè)置為(－20，20)mm，現(xiàn)場(chǎng)照片見圖3(a)，鐵礦邊坡整體位移如圖3(b)。由圖可見A區(qū)域位移量較大，達(dá)到最高設(shè)定閾值20 mm，B區(qū)域位移量較小，比較穩(wěn)定。

圖3 澳大利亞某露天鐵礦邊坡現(xiàn)場(chǎng)照片

在A、B區(qū)域中各選擇一些位移變化比較大的點(diǎn)作為本區(qū)域的觀測(cè)點(diǎn)，圖4(a)為A區(qū)域所選像素單元在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的形變曲線，即平均位移量，最大位移甚至到達(dá)170 mm;圖4(b)為B區(qū)域所選像素單元在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的平均位移量，位移最大處僅為2 mm。

圖4(a) A區(qū)域平均位移量

圖4(b)B區(qū)域平均位移量

將位移區(qū)間閾值重新設(shè)置為(－50，50)mm時(shí)，A區(qū)域在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)還有許多點(diǎn)的位移超過(guò)最大位移閾值，危險(xiǎn)系數(shù)較高;而B區(qū)域位移量幾乎全部在安全區(qū)間。通過(guò)本次監(jiān)測(cè)，可為此露天鐵礦邊坡穩(wěn)定性提供有效的判斷依據(jù)。

2.2 IBIS－M系統(tǒng)在朔州安太堡露天煤礦邊坡監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

山西平朔安太堡露天煤礦是中國(guó)最大的露天煤礦。該煤礦曾采用過(guò)常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法，但這些方法多為人工測(cè)量，都因兩次采樣間隔時(shí)間長(zhǎng)、布點(diǎn)少、精度低等，難以保證數(shù)據(jù)的連貫性和準(zhǔn)確性，不能為邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供足夠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。使用IBIS－M監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)從2010年9月12日15點(diǎn)33分開始，到2010年9月14日7點(diǎn)32分結(jié)束，對(duì)安太堡露天煤礦進(jìn)行了為期40 h的監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)效果很好地表現(xiàn)了該煤礦的滑坡位移情況。表3為IBIS－M系統(tǒng)監(jiān)測(cè)朔州安太堡露天煤礦邊坡所設(shè)置的參數(shù)。

表3 安太堡露天煤礦邊坡監(jiān)測(cè)的參數(shù)設(shè)置

從監(jiān)測(cè)區(qū)域整體雷達(dá)位移圖上看，監(jiān)測(cè)6 h，整個(gè)邊坡較為穩(wěn)定，基本沒有發(fā)生位移;監(jiān)測(cè)16 h，整個(gè)邊坡較為穩(wěn)定，在邊坡左上方區(qū)域開始有位移跡象;監(jiān)測(cè)23 h、監(jiān)測(cè)28 h、監(jiān)測(cè)33 h，直至監(jiān)測(cè)40 h，位移越來(lái)越明顯。圖5為最終雷達(dá)位移圖與現(xiàn)場(chǎng)照片對(duì)比。

圖5 最終雷達(dá)位移圖與現(xiàn)場(chǎng)照片對(duì)比

從圖5可以看出，雷達(dá)圖可以與現(xiàn)場(chǎng)的位置完全對(duì)應(yīng)，且能夠真實(shí)的反映出發(fā)生滑坡的區(qū)域。

IBIS－M系統(tǒng)除了可以準(zhǔn)確地反映出滑坡位置的位移趨勢(shì)和位移量，還可以得到位移速度圖，通過(guò)調(diào)整閾值和顏色條，可以將速度變化量顯示出來(lái)。

滑坡區(qū)域的整體平均位移曲線圖反映出該滑坡區(qū)域在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，整體位移量在5 mm左右?；聟^(qū)域的整體平均位移速度曲線反映出該滑坡區(qū)域在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，平均位移速度在0.13 mm/h。

工作人員根據(jù)所監(jiān)測(cè)邊坡的實(shí)際情況，在IBIS系統(tǒng)中設(shè)置對(duì)應(yīng)閾值，軟件自動(dòng)處理，運(yùn)用預(yù)警功能，將滑坡區(qū)域預(yù)警設(shè)置由淺至深分為4個(gè)級(jí)別:位移速度小于 0.1 mm/h;位移速度為 0.1～0.15 mm/h;位移速度為0.15～0.2 mm/h;位移速度大于0.2 mm/h。邊坡如果發(fā)生位移且達(dá)到設(shè)置的值后，該系統(tǒng)便會(huì)以郵件、警示、手機(jī)短信的形式自動(dòng)向工作人員報(bào)警。

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，IBIS－M為安太堡露天煤礦邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了有效地判斷依據(jù)。在這段監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，整個(gè)邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，只是在左上部位置有位移情況，位移量大概在5 mm左右，位移速度約為0.13 mm/h。

3 小結(jié)

實(shí)驗(yàn)表明，IBIS－M系統(tǒng)是一種全新的非接觸式的露天礦邊坡監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以為露天礦邊坡提供有效、及時(shí)的安全性監(jiān)測(cè)，為礦山的安全生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的保障，這種從全局到局部的數(shù)據(jù)分析方式，提供了更為可靠的監(jiān)測(cè)結(jié)果，為后期預(yù)警工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。IBIS－M系統(tǒng)可長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，覆蓋范圍廣、監(jiān)測(cè)精度高，在露天礦邊坡監(jiān)測(cè)、預(yù)警方面有著非常成功的應(yīng)用。

［1］ 周沿海，張 勇.基于Matlab的步進(jìn)頻率波形與高分辨力距離像［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，(4):75－77.

［2］ 張拴宏，紀(jì)占勝.合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量InSAR在地面形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2004，15(1):112－117.

［3］ 劉國(guó)祥，劉文熙，黃丁發(fā).InSAR技術(shù)及其應(yīng)用中的若干問(wèn)題［J］.測(cè)繪通報(bào)，2001，(8):11－12.

［4］ 李平湘，楊 杰.雷達(dá)干涉測(cè)量原理與應(yīng)用［M］.北京:測(cè)繪出版社，2006.

［5］ 牛 瑞，楊曉濤，樓良盛，等.星載合成孔徑雷達(dá)的發(fā)展以及干涉測(cè)量應(yīng)用［J］.遙感信息，2006，(4):79－82.

［6］ 胡 波，朱建軍，張長(zhǎng)書.InSAR提取DEM的原理與實(shí)踐［J］.測(cè)繪工程，2008，17(5):57－59.

2011－05－30)

于 泓(1986－)，女，山東榮成人，碩士研究生，現(xiàn)研究方向?yàn)榈鼗缮胬走_(dá)，Email:kathy1225yu@126.com。