孫澤信， 段舉舉， 張安銀

(江蘇省地質(zhì)工程勘察院，江蘇南京210012)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，資源開發(fā)的力度逐漸增大，給本就脆弱的地質(zhì)環(huán)境造成了巨大的影響，地質(zhì)災(zāi)害的頻度和規(guī)模日趨增加(黃健，2012；陳萬利，2014；許強(qiáng)等，2019；宋國梁，2021)。人為破壞和自然變遷是地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的主要原因，地質(zhì)災(zāi)害形態(tài)包括滑坡、泥石流、崩塌、地面塌陷、地面沉降和地裂縫等(茍敏，2009)，嚴(yán)重影響國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)，危害人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測作為地災(zāi)安全防控的重要手段越來越受到重視，監(jiān)測工作的實(shí)施不僅可以對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，而且可為地質(zhì)災(zāi)害工程安全治理措施提供可靠的決策依據(jù)，避免惡性地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生(亓星，2019)。

傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測采用人工監(jiān)測，受限于環(huán)境特點(diǎn)，工作效率低、投入大、監(jiān)測成本和安全風(fēng)險(xiǎn)高，監(jiān)測成果的可靠性、準(zhǔn)確性和信息反饋的及時(shí)性受外界條件影響很大，監(jiān)測工作缺乏較強(qiáng)的針對性，很難做到預(yù)警信息的及時(shí)反饋(張娟等，2020)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)的智能化、自動(dòng)化得到了較好的發(fā)展和應(yīng)用。GNSS技術(shù)、傾斜攝影測量技術(shù)、航空遙感技術(shù)、多平臺(tái)激光雷達(dá)技術(shù)、智能傳感技術(shù)等多種自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)手段在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用也愈加廣泛(謝慧芬，2011；何朝陽等，2014；呂寶雄等，2017；喬輝等，2018；王慧敏等，2020；蔡田露等，2021；徐文風(fēng)，2021)。

在現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合考慮監(jiān)測成本、監(jiān)測精度、實(shí)施效果、信息反饋時(shí)效性等因素，融合多種自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)手段，建立一種基于物聯(lián)網(wǎng)的地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，并通過實(shí)例驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)通過互聯(lián)網(wǎng)將各種信息傳感設(shè)備進(jìn)行連接，按照約定的協(xié)議或規(guī)則，實(shí)現(xiàn)信息交換、通信、共享等功能?；谖锫?lián)網(wǎng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)主要包含信息采集感知層、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層和成果使用應(yīng)用層(圖1)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 1 Monitoring system architecture for the Internet of Things

1.1.1 信息采集感知層 實(shí)現(xiàn)對外部動(dòng)態(tài)信息的智能化識別、獲取和處理，通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層將外部實(shí)體連接到成果使用應(yīng)用層。包括自動(dòng)化測量設(shè)備和傳感器，用于實(shí)現(xiàn)各類變形監(jiān)測信息的實(shí)時(shí)采集。

(1)自動(dòng)化測量設(shè)備包括GNSS接收機(jī)和智能全站儀。GNSS參考站接收機(jī)和流動(dòng)站接收機(jī)同步對衛(wèi)星進(jìn)行觀測，通過無線通信模塊將觀測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至控制中心；智能全站儀能夠自動(dòng)進(jìn)行測量目標(biāo)的識別和觀測，獲取角度和距離數(shù)據(jù)，通過GeoCOM接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶與全站儀之間的數(shù)據(jù)通信。

(2)傳感器有傾角儀、位移計(jì)、應(yīng)力計(jì)、水位計(jì)、滲壓計(jì)、雨量計(jì)、裂縫計(jì)、氣象傳感器等，可根據(jù)監(jiān)測項(xiàng)目的需求選擇相應(yīng)種類的傳感器，根據(jù)現(xiàn)場情況采用電源或太陽能進(jìn)行供電。

1.1.2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)感知層所采集的數(shù)據(jù)及外部指令的遠(yuǎn)程發(fā)送和接收，通過GPRS、4G/5G、互聯(lián)網(wǎng)等進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)從傳感器到控制中心的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

1.1.3 成果使用應(yīng)用層 包括軟硬件設(shè)施應(yīng)用和各種基于物聯(lián)網(wǎng)的成果應(yīng)用。軟硬件為成果使用提供數(shù)據(jù)傳輸、接收、處理、輸出等基礎(chǔ)設(shè)施及數(shù)據(jù)調(diào)用接口。地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用層為監(jiān)測管理云平臺(tái)系統(tǒng)，采用B/S架構(gòu)，可實(shí)時(shí)獲取各監(jiān)測傳感器采集的數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)的自動(dòng)化解析、處理、存儲(chǔ)、查詢、展示等功能。

1.2 系統(tǒng)組成

為實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的自動(dòng)化監(jiān)測功能，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)成果展示系統(tǒng)(圖2)。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)Fig. 2 Geological disaster monitoring system

(1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由自動(dòng)化測量設(shè)備和巖土類傳感器組成，通過遠(yuǎn)程命令控制數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行原始觀測數(shù)據(jù)的采集。

(2)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。將數(shù)據(jù)采集儀采集的各類傳感器數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

(3)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。主要用于對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測原始數(shù)據(jù)的分析與過程數(shù)據(jù)的處理，具有對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、存儲(chǔ)等各項(xiàng)功能，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)能及時(shí)預(yù)警或上報(bào)相關(guān)信息。

(4)成果展示系統(tǒng)。為監(jiān)測系統(tǒng)的成果輸出和展示平臺(tái)，可通過相關(guān)客戶端實(shí)時(shí)輸出、查看、查詢、瀏覽監(jiān)測結(jié)果和報(bào)警信息等情況。

2 自動(dòng)化監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

2.1 GNSS自動(dòng)化監(jiān)測

2.1.1 工作原理 GNSS自動(dòng)化監(jiān)測是基于衛(wèi)星載波相位觀測的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)，用于獲取監(jiān)測點(diǎn)在特定坐標(biāo)系中的實(shí)時(shí)三維信息。基本原理：在遠(yuǎn)離變形區(qū)域的穩(wěn)固位置選擇一個(gè)參考站，在變形體上布設(shè)若干個(gè)監(jiān)測站，在參考站和監(jiān)測站上分別安裝GNSS天線用于對衛(wèi)星信號的同步接收，對所采集信號進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，從而獲得監(jiān)測站的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)。

2.1.2 監(jiān)測方法 根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)，選擇合適位置作為參考站和監(jiān)測站，位置的選擇應(yīng)便于觀測，高度角≥15°的范圍內(nèi)無遮擋物，監(jiān)測點(diǎn)附近不應(yīng)有強(qiáng)烈反射和干擾衛(wèi)星信號的物體。通過無線傳輸將參考站和監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至系統(tǒng)服務(wù)器，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，從而獲得監(jiān)測站的豎向和水平位移變化情況。

2.2 智能全站儀自動(dòng)化監(jiān)測

2.2.1 工作原理 全站儀三維數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對全站儀的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，進(jìn)行各監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)信息的采集、傳輸、分析與粗差剔除、處理、存儲(chǔ)與備份，以此獲取變形體的三維坐標(biāo)信息，并與初始坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，以獲得水平及豎向位移的絕對變化量，可實(shí)現(xiàn)變形體表面水平位移和豎向位移的自動(dòng)化監(jiān)測。

2.2.2 監(jiān)測方法 采用測量機(jī)器人在變形體周邊合適位置制作強(qiáng)制對中觀測墩，在觀測墩上放置全站儀?；鶞?zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在變形體周邊相對穩(wěn)定區(qū)域，一般≥5個(gè)。監(jiān)測點(diǎn)按要求布設(shè)若干監(jiān)測小棱鏡，組成監(jiān)測網(wǎng)。

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，全站儀自動(dòng)化監(jiān)測采用單臺(tái)儀器或多臺(tái)儀器進(jìn)行組網(wǎng)監(jiān)測。首次監(jiān)測時(shí)采用人工監(jiān)測對各基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)測量，獲取各基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)的初始狀態(tài)數(shù)據(jù)。后續(xù)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測過程中，由全站儀三維數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)控制儀器，獲取測站到各基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)間的幾何要素。監(jiān)測完成后，自動(dòng)進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性判定分析，剔除不穩(wěn)定或精度較差的點(diǎn)位，最后進(jìn)行監(jiān)測網(wǎng)平差得到各監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。通過與初始狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，獲得各監(jiān)測點(diǎn)的位移變化信息。

2.3 滑動(dòng)式傾斜自動(dòng)化監(jiān)測

2.3.1 工作原理 通過滑動(dòng)式自動(dòng)傾角儀實(shí)現(xiàn)。在測斜管管口固定1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，在測斜管內(nèi)放置1個(gè)傾斜傳感器，通過程序自動(dòng)控制電機(jī)提升傳感器，按固定間距進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過無線通信模塊自動(dòng)獲取傾角傳感器所在位置的傾斜角變化量，進(jìn)而換算成各個(gè)深度位移的水平觀測值。

2.3.2 監(jiān)測方法 根據(jù)上述工作原理，需在每個(gè)測斜孔固定1臺(tái)自動(dòng)滑動(dòng)傾角儀，測出不同深度位置的傾斜角θi，計(jì)算出該深度位置的橫向偏差Δd：

Δd=Lsinθi

(1)

式(1)中，L為量測段長度。各深度處的水平位置d為：

d=∑Lsinθi

(2)

與初始值相減即得到各深度點(diǎn)位的深部水平位移。

2.4 多源傳感器自動(dòng)化監(jiān)測

2.4.1 工作原理 通過布設(shè)不同類型的傳感器實(shí)現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變、水位、雨量、裂縫等自動(dòng)化監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測項(xiàng)目的不同選擇對應(yīng)類型的傳感器，監(jiān)測傳感器包括裂縫計(jì)、液位計(jì)、滲壓計(jì)、應(yīng)變計(jì)、雨量計(jì)、土壤含水率計(jì)等。每次監(jiān)測時(shí)，自動(dòng)化采集儀通過采集監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)的變化，基于無線通信技術(shù)將獲取的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，然后根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算出對應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.4.2 監(jiān)測方法 根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害的類別選擇合適的傳感器，將所有的傳感器接入數(shù)據(jù)采集終端，集成為一個(gè)基于無線遠(yuǎn)程通信的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。設(shè)定采樣時(shí)間間隔，通過客戶端遠(yuǎn)程控制自動(dòng)采集傳感器信息，從而實(shí)時(shí)采集各監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。

3 監(jiān)測實(shí)施及數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測設(shè)計(jì)

以某邊坡監(jiān)測為例，坡面傾角為40°～50°，邊坡體長約60 m，寬約100 m，由于該邊坡緊鄰某文物建筑，為保護(hù)文物需在治理前進(jìn)行跟蹤監(jiān)測以確定治理方案。根據(jù)要求對邊坡外觀形變、深部位移、地下水位等地質(zhì)災(zāi)害影響因素進(jìn)行監(jiān)測，其中，外觀形變觀測包括邊坡表面豎向位移、水平位移，深部位移包括邊坡巖土體深層水平位移，其他影響因素主要為降水量。

考慮到監(jiān)測工作量大、頻率高、條件復(fù)雜、指標(biāo)多等因素，采用全自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測，布點(diǎn)及指標(biāo)見圖3。

圖3 監(jiān)測設(shè)計(jì)示意圖1-監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)；2-監(jiān)測工作基準(zhǔn)點(diǎn)；3-水平、豎向位移監(jiān)測點(diǎn)；4-深層位移監(jiān)測點(diǎn)；5-地下水位監(jiān)測點(diǎn)；6-降水量監(jiān)測點(diǎn)Fig. 3 Layout plan of the monitoring design

表面水平及豎向位移監(jiān)測采用GNSS接收機(jī)和全站儀，深部位移監(jiān)測采用滑動(dòng)式傾角儀，地下水位監(jiān)測采用水位傳感器，降雨量監(jiān)測采用雨量計(jì)，所有監(jiān)測均采用自動(dòng)化監(jiān)測并輔以人工定期檢核(表1)。

表1 監(jiān)測傳感器類型及數(shù)量Table 1 Type and number of monitoring sensors

自動(dòng)化采集頻率為：監(jiān)測第1個(gè)月3次/d，雨季期間4次/d，其余期間1次/d。人工校核頻率為15天1次，監(jiān)測周期為1年。

3.2 監(jiān)測工作實(shí)施

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括GNSS接收機(jī)、全站儀、傾角儀、雨量計(jì)，通過傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過5G網(wǎng)絡(luò)建立傳感器和服務(wù)器之間的通信鏈接，將傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行姆?wù)器。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除和平差處理，從而實(shí)時(shí)獲取各監(jiān)測點(diǎn)的變化情況。最后將監(jiān)測成果在監(jiān)測管理云平臺(tái)系統(tǒng)中進(jìn)行展示，并將相關(guān)監(jiān)測信息即時(shí)發(fā)送至相應(yīng)權(quán)限的管理人員，從而達(dá)到自動(dòng)監(jiān)測、自動(dòng)預(yù)警的目的。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

對監(jiān)測周期內(nèi)365天的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體如下。

3.3.1 降雨量數(shù)據(jù)分析 月降雨量統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖4)顯示，2個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)的年累計(jì)降雨量分別為965.6、953.9 mm，人工監(jiān)測點(diǎn)年累計(jì)降雨量為977.4 mm，自動(dòng)化監(jiān)測與人工監(jiān)測月降雨量數(shù)據(jù)吻合，年累計(jì)降雨量基本吻合，表明自動(dòng)化雨量采集裝置可靠。

圖4 月降雨量統(tǒng)計(jì)圖Fig. 4 Histogram of monthly rainfall

3.3.2 地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析 通過GNSS和全站儀對邊坡地表位移進(jìn)行監(jiān)測，以平行于滑坡底為X方向，垂直于滑坡底向下為Y方向。為節(jié)約監(jiān)測成本，僅對S1、S3監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行GNSS和全站儀同步監(jiān)測，其余監(jiān)測點(diǎn)均采用全站儀進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測。根據(jù)全站儀自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，各監(jiān)測點(diǎn)X、Y、H方向的累計(jì)變化量分別為-1.1～1.2、1.3～3.6、-3.1～-1.7 mm，表明該邊坡整體較為穩(wěn)定。

分析GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，X、Y、H方向最大誤差分別為±3.50、±2.01、±3.60 cm，最小誤差分別為±1.30、±0.40、±0.70 cm。圖5顯示，CNSS監(jiān)測精度為厘米級，更適合大區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測。

圖5 GNSS監(jiān)測與人工監(jiān)測差值(a) X方向；(b) Y方向；(c) H方向Fig. 5 Differences between GNSS monitoring and manunal monitoring(a) X direction; (b) Y direction; (c) H direction

對比S2、S5、S10監(jiān)測點(diǎn)的全站儀三維自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：X、Y、H方向最大誤差分別為±1.2、±1.4、±1.7 mm，最小誤差分別為±0.1、±0.1、±0.4 mm。圖6顯示，全站儀水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差多在±1.0 mm以內(nèi)，豎向位移偏差多在±1.5 mm以內(nèi)，表明該全站儀自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)水平位移監(jiān)測精度優(yōu)于±1.0 mm，豎向位移監(jiān)測精度優(yōu)于±1.5 mm，更適合小區(qū)域高精度表面位移監(jiān)測。

圖6 全站儀自動(dòng)化監(jiān)測與人工監(jiān)測差值(a) X方向；(b) Y方向；(c) H方向Fig. 6 Difference between automatic total station and manual monitoring(a) X direction; (b) Y direction; (c) H direction

3.3.3 深部位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析 深部位移的計(jì)算以孔底為起算基準(zhǔn)，以對應(yīng)位置的深部位移監(jiān)測點(diǎn)CX2、CX5為例，對自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)與同階段的人工監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖7)進(jìn)行比對分析發(fā)現(xiàn)，各深度位置的自動(dòng)化監(jiān)測階段的水平位移累計(jì)變化量與人工監(jiān)測階段的累計(jì)變化量相比，誤差最大為±2.5 mm，最小為0 mm，自動(dòng)化監(jiān)測位移曲線與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合良好，表明滑動(dòng)式傾角儀自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足地質(zhì)災(zāi)害深部位移監(jiān)測精度及時(shí)效性要求。

圖7 深部位移自動(dòng)化監(jiān)測與人工監(jiān)測階段累計(jì)變化量差值Fig. 7 Cumulative variation differences between automatic and manual monitoring of deep displacement of monitoring sites CX2(a) and CX5(b)

4 結(jié) 論

(1)通過對比GNSS自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)監(jiān)測精度為厘米級，適合于大范圍的地質(zhì)災(zāi)害表面位移監(jiān)測；全站儀自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)精度為毫米級，適用于小范圍地質(zhì)災(zāi)害的高精度表面位移監(jiān)測。二者均可以較好地提高監(jiān)測效率和信息反饋的時(shí)效性。

(2)滑動(dòng)式自動(dòng)傾角儀的應(yīng)用及其數(shù)據(jù)分析表明，該系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)深部位移的遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測，具有較高的精度和穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)測成本高的問題。

(3)比較雨量自動(dòng)化采集裝置的應(yīng)用與人工采集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，二者吻合良好，較好地驗(yàn)證了多源傳感器自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)的適用性和可靠性。

(4)該系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對地質(zhì)災(zāi)害由點(diǎn)到面、由表及里、多指標(biāo)、全方位的自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析和處理、存儲(chǔ)與備份、查詢、信息反饋及預(yù)警報(bào)送，形成了較為完備的地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用及推廣價(jià)值。