廖昕 孫崇祥

（西藏大學(xué) 西藏自治區(qū)拉薩市 850000）

國(guó)家高度重視西藏地區(qū)的發(fā)展，習(xí)近平總主席也曾多次對(duì)西藏以及川藏鐵路的建設(shè)做出指示，川藏鐵路的建設(shè)是新時(shí)代治藏方略的一項(xiàng)重大舉措，對(duì)國(guó)家統(tǒng)一、民族團(tuán)結(jié)、治藏穩(wěn)邊、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，都有著深遠(yuǎn)的影響。未來(lái)會(huì)持續(xù)開(kāi)通通往西藏地區(qū)的各條鐵路，以川藏鐵路為例，沿線地質(zhì)構(gòu)造繁復(fù)、山高谷深，地形被切割破碎，根據(jù)川藏鐵路沿線主要的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃資料，川藏鐵路沿線具代表性的地質(zhì)災(zāi)害類別包括崩塌、滑坡、泥石流3 類，總計(jì)達(dá)2130 處，此外還有少量土地塌陷、砂土液化和凍土等帶來(lái)的災(zāi)害。地質(zhì)災(zāi)害分布廣泛、隱蔽性強(qiáng)、不確定因素影響大，在很大程度上造成人們抵御災(zāi)害的難度。主動(dòng)預(yù)防、提前避險(xiǎn)已經(jīng)成為減少災(zāi)害影響的重要手段，而地質(zhì)災(zāi)害提前預(yù)警又是主動(dòng)預(yù)防當(dāng)中比較重要和有效的手段之一。

西藏地區(qū)受到印度板塊NNE 向的持續(xù)擠壓作用，近年來(lái)發(fā)生持續(xù)隆升和擠壓構(gòu)造變形，是現(xiàn)今地球表面地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造演化最復(fù)雜、構(gòu)造活動(dòng)最強(qiáng)烈的地區(qū)之一。高原具有地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜、工程地質(zhì)問(wèn)題多、地質(zhì)災(zāi)害極為頻繁的特點(diǎn)，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)，強(qiáng)化預(yù)警體系的建設(shè)，不僅是防災(zāi)減災(zāi)的需求，也是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的根本性保障。

歷經(jīng)三十多年的努力和探索，我國(guó)逐漸形成具有特色的災(zāi)害防治體系，每年能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)地質(zhì)災(zāi)害上千起，幫助上萬(wàn)人成功避險(xiǎn)，避免上億的直接損失。目前國(guó)內(nèi)外有較多學(xué)者進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的研究。王威[1]等人利用TIN 方法建立地質(zhì)體模型，能自動(dòng)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合北斗衛(wèi)星的傳輸和三維地質(zhì)模型，形成一套完整的三維滑坡災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，提高滑坡災(zāi)害預(yù)警的快速性和直觀性。

許強(qiáng)[2]等人通過(guò)構(gòu)建天-空-地一體化的“三查”體系進(jìn)行重大地質(zhì)災(zāi)害隱患地早期識(shí)別，利用光學(xué)遙感、合成孔徑雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)、無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)等，逐步實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的實(shí)用化和業(yè)務(wù)化運(yùn)行。同時(shí)，越來(lái)越多學(xué)者將計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中。此外，還有很多學(xué)者如黃健[3]、劉漢龍[4]、孫光林[5]、崔鵬[6]、歐陽(yáng)祖熙[7]對(duì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了探索。

隨著機(jī)器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，過(guò)去使用的貼片、刷漆、埋樁等方式逐漸被取代，發(fā)展為由大量的傳感器構(gòu)成的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。常用的監(jiān)測(cè)技術(shù)包括地表變形監(jiān)測(cè)、環(huán)境因素監(jiān)測(cè)、內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)、巡視監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)。各種方法和技術(shù)都有其局限性，相對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害的普通監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)具有更大優(yōu)勢(shì)，可自動(dòng)化采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不受時(shí)間、天氣影響；可對(duì)野外監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)和遙控，節(jié)約人員成本，為難以達(dá)到的地區(qū)提供便利；可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)信息處理，異常及時(shí)反饋；可結(jié)合預(yù)警算法，實(shí)現(xiàn)超過(guò)預(yù)警值時(shí)自動(dòng)報(bào)警。目前，在選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)、檢測(cè)方式、預(yù)警成效上還有待加強(qiáng)，智能化、實(shí)時(shí)化的災(zāi)害預(yù)警急需加快開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

1 地質(zhì)災(zāi)害主要影響因素及西藏地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警

1.1 地質(zhì)災(zāi)害主要影響因素分析

影響地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展主要取決于兩個(gè)方面的條件因素，分別為地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)條件和觸發(fā)條件，易發(fā)條件也指代地質(zhì)孕育過(guò)程中的物質(zhì)和地形條件。其中，物質(zhì)條件也可以側(cè)面反映某位置對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害提供先決條件的能力，是災(zāi)害發(fā)生之前的重要影響因子。例如：巖石體的失穩(wěn)破壞和跌落會(huì)導(dǎo)致崩塌，滑坡的發(fā)生首先需要不穩(wěn)定的斜坡。此外，地形條件會(huì)影響災(zāi)害體的運(yùn)動(dòng)距離、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度和覆蓋范圍等。適當(dāng)選擇相應(yīng)的影響因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)或者判斷，可以有效的進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警。

1.2 針對(duì)西藏地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警

高原存在災(zāi)害地區(qū)地形地貌復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害隱患變數(shù)多，防災(zāi)減災(zāi)基礎(chǔ)薄弱，等特點(diǎn)。災(zāi)害未發(fā)生時(shí)，具有潛在性，需要較長(zhǎng)時(shí)間累積和能量轉(zhuǎn)換，突破臨界值后，爆發(fā)災(zāi)害；而主要地質(zhì)災(zāi)害崩塌、滑坡、泥石流具有突發(fā)性和急劇性，靜止物質(zhì)突然發(fā)生高速位移，釋放大量能量，造成巨大破壞。災(zāi)害的發(fā)生留給監(jiān)測(cè)、預(yù)警、避險(xiǎn)的時(shí)間并不多。目前，監(jiān)測(cè)預(yù)警的核心是趨勢(shì)監(jiān)測(cè)和失穩(wěn)預(yù)警。

人類經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動(dòng)在一定程度上會(huì)影響地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，泥石流和滑坡的發(fā)生，會(huì)造成人員傷亡、道路阻斷，嚴(yán)重阻礙了西藏地區(qū)的發(fā)展。應(yīng)積極針對(duì)重點(diǎn)災(zāi)害區(qū)域開(kāi)展治理工作，采取有效防治措施，減小相應(yīng)的危害。目前，災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警無(wú)法覆蓋大面積地區(qū)，可以首先在主要干線、重點(diǎn)城鎮(zhèn)附近試點(diǎn)，進(jìn)行試驗(yàn)，積累經(jīng)驗(yàn)，逐步推廣監(jiān)測(cè)技術(shù)，擴(kuò)大災(zāi)害治理范圍。

2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)融入地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)

2.1 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)旨在通過(guò)圖像中提取有用的信息進(jìn)行分析，并對(duì)分析的結(jié)果做出判斷。近代以來(lái)計(jì)算機(jī)的處理能力、內(nèi)存以及存儲(chǔ)能力有較大提升，使機(jī)器視覺(jué)技術(shù)更廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)。在常規(guī)的檢查、識(shí)別工作中，通常依靠人工來(lái)完成，受人工主觀影響，精度得不到保證。此外一些不適于人工作業(yè)或者人工視覺(jué)難以滿足要求的場(chǎng)合，用人眼無(wú)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)、判斷，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

我國(guó)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始起步，期間很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。唐向陽(yáng)[8]等人研究了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的組成和應(yīng)用；鮑躍全[9]等人認(rèn)為人工智能技術(shù)可以深度融合到土木工程領(lǐng)域，深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等可以深度應(yīng)用于智能防災(zāi)。目前機(jī)器視覺(jué)技術(shù)處于加速發(fā)展時(shí)期，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在許多行業(yè)都有著廣泛應(yīng)用，可運(yùn)用于水果采摘工作、電力設(shè)備運(yùn)維檢修、橋梁撓度測(cè)試等領(lǐng)域。

2.2 基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是管理災(zāi)害信息與實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)災(zāi)害的有效措施，以機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的傳感器為載體，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一定區(qū)域的相關(guān)變量，結(jié)合相關(guān)計(jì)算機(jī)算法，在變量發(fā)生突變時(shí)快速準(zhǔn)確發(fā)出預(yù)警信息。在此理論上，搭建在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可以有效的進(jìn)行災(zāi)害監(jiān)測(cè)的可視化?；跈C(jī)器視覺(jué)技術(shù)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集接收、檢測(cè)數(shù)據(jù)共享交換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析等功能。以監(jiān)測(cè)平臺(tái)為載體，搭建軟件構(gòu)架，以監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為感知層，采集層連通網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，設(shè)置內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，應(yīng)用層對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和展示。基本監(jiān)測(cè)軟件架構(gòu)圖如圖1。

圖1：基本監(jiān)測(cè)軟件架構(gòu)圖

3 基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用及分析

3.1 天摩溝監(jiān)測(cè)點(diǎn)概況

結(jié)合軟件架構(gòu)，設(shè)置天摩溝監(jiān)測(cè)點(diǎn)，波密天摩溝監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于西藏自治區(qū)林芝市波密縣境內(nèi)，建設(shè)在天摩泥石流溝內(nèi)一處經(jīng)過(guò)泥石流沖刷的山坡上，在國(guó)道318 川藏公路里程K4044+600m 處。天摩溝位于易貢藏布和帕隆藏布之間，流域面積約28 km2。流域地殼活動(dòng)性強(qiáng)，海洋性冰川發(fā)育程度高。這片區(qū)域被大量植被覆蓋，常年下雨，對(duì)傳統(tǒng)的地面調(diào)查和遙感的解譯造成較大困難，測(cè)量精度較低。這片區(qū)域的泥石流極易發(fā)生、隱蔽性高，也容易突然發(fā)生，造成破壞。近15年共發(fā)生4 次大型和巨型泥石流，均不同程度堵塞主河帕隆藏布，影響國(guó)道318 交通或摧毀附近橋梁，泥石流產(chǎn)生的堰塞湖淹沒(méi)村道，潰決造成下游塌岸，給當(dāng)?shù)鼐用裆?cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成極大危害。

3.2 天摩溝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

天摩溝泥石流溝近物源區(qū)有一處不穩(wěn)定邊坡。故此處邊坡作為本項(xiàng)目的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，因附近有重要交通樞紐以及國(guó)道，需擴(kuò)大檢測(cè)范圍。天摩溝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共包含天摩溝滑坡、通麥大橋、迫龍溝特大橋共四處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，總體形成完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。分別安裝相應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括激光夜視儀視頻監(jiān)控點(diǎn)（4G 球機(jī)）、GNSS 位移監(jiān)測(cè)站、大氣溫度、大氣濕度、雨量監(jiān)測(cè)站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

天摩溝在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)區(qū)域?qū)嵭卸男r(shí)在線監(jiān)測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容涵蓋各個(gè)方面，包括表面位移、實(shí)時(shí)視頻、降雨量、土壤含水率、次聲波、溫度等。各監(jiān)測(cè)設(shè)備構(gòu)成一體化，是整個(gè)天摩溝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)，可以快捷準(zhǔn)確的進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。各自獨(dú)立的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)通過(guò)聯(lián)網(wǎng)的4G/SMS/北斗衛(wèi)星等通信手段，形成從站點(diǎn)、檢測(cè)中心、數(shù)據(jù)平臺(tái)的雙向傳輸。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式化之后再以TCP/IP 方式發(fā)送給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，由入庫(kù)軟件程序進(jìn)行解讀，數(shù)據(jù)解析之后寫(xiě)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。在未來(lái)，會(huì)針對(duì)不同的災(zāi)害進(jìn)行后臺(tái)程序的設(shè)定，不同災(zāi)害有不同的影響因子。最終形成的檢測(cè)平臺(tái)，甚至可以遠(yuǎn)程對(duì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)點(diǎn)的儀器進(jìn)行控制，下達(dá)終端指令。最終，可視化檢測(cè)平臺(tái)接收到各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)往獲得授權(quán)認(rèn)證的平臺(tái)，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)災(zāi)害點(diǎn)各個(gè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

以監(jiān)測(cè)點(diǎn)的機(jī)器視覺(jué)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為載體，將不宜到達(dá)的潛在災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程災(zāi)害可視化監(jiān)測(cè)，利用云計(jì)算技術(shù)可以對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次分析和挖掘。其主要流程有數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取、分類整合、數(shù)據(jù)糾正、實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)、生成報(bào)告等。按照監(jiān)測(cè)軟件的基本構(gòu)架，可進(jìn)行數(shù)據(jù)信息獲取、查詢、管理甚至控制。

4 結(jié)語(yǔ)

西南地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警面臨重大地挑戰(zhàn)。本文以機(jī)器視覺(jué)技術(shù)為手段，利用云計(jì)算技術(shù)搭建軟件構(gòu)架，以實(shí)現(xiàn)災(zāi)害可視化、信息實(shí)時(shí)查詢、信息處理分析、災(zāi)害預(yù)警等功能。但地質(zhì)災(zāi)害存在復(fù)雜性和特殊性，需要根據(jù)不同災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，將在未來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中進(jìn)行更廣泛的應(yīng)用。