楊 飛

(廣東明源勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司, 廣東 河源 517000)

0 引言

隨著生態(tài)環(huán)境的惡化[1],地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率越來越高,地質(zhì)災(zāi)害常常指巖土發(fā)生一定程度的移動(dòng)導(dǎo)致的災(zāi)害性事件[2],如泥石流、滑坡等,一旦發(fā)生,不僅會(huì)對(duì)人們的財(cái)產(chǎn)造成威脅[3],還會(huì)對(duì)人們的生命安全帶來威脅。調(diào)查顯示,我國(guó)屬于地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家[4],多發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害也制約了社會(huì)的進(jìn)步。目前我國(guó)解決地質(zhì)災(zāi)害的主要方法就是進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)[5],但傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法經(jīng)常由于監(jiān)測(cè)人員的技術(shù)性差等問題呈現(xiàn)較低的監(jiān)測(cè)效率[6],因此需要設(shè)計(jì)新的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

研究表明[7],地質(zhì)災(zāi)害的類型較多,帶來的后果也不一致,在地質(zhì)災(zāi)害過后可能還會(huì)出現(xiàn)某些伴隨性災(zāi)害。近幾年[8],我國(guó)發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害事件達(dá)到了上千種,造成了大規(guī)模的人員傷亡,因此進(jìn)行實(shí)時(shí)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)迫在眉睫。干涉式合成孔徑雷達(dá)(interferometry synthetic aperture radar,InSAR)是一種應(yīng)用于測(cè)繪和遙感的雷達(dá)技術(shù)[9],該技術(shù)可以利用合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)對(duì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行重復(fù)監(jiān)測(cè),并合成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),其具有精度高、范圍廣、無接觸性的優(yōu)點(diǎn)[10]。除此之外,在進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)時(shí),該技術(shù)也不受自然環(huán)境影響,不易產(chǎn)生監(jiān)測(cè)誤差,因此該技術(shù)目前被廣泛地應(yīng)用在火山、冰川等復(fù)雜環(huán)境中的監(jiān)測(cè)。為了提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性,本文基于InSAR技術(shù)設(shè)計(jì)了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng),為后續(xù)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供參考。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 降雨監(jiān)測(cè)傳感器

降雨是誘發(fā)大部分地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因,因此,及時(shí)監(jiān)測(cè)檢測(cè)區(qū)的降雨情況對(duì)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警來說十分重要[11],因此本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用翻斗式雨量計(jì)設(shè)計(jì)了降雨監(jiān)測(cè)傳感器。降雨在線監(jiān)測(cè)傳感器型號(hào)為TH-Y6,測(cè)量范圍0～44 mm/min,測(cè)量精度≤±4,分辨率0.01 mm。實(shí)物如圖1所示。

圖1 TH-Y6降雨在線監(jiān)測(cè)傳感器

降雨監(jiān)測(cè)傳感器主要是由翻斗式雨量計(jì)結(jié)合傳感裝置組成,包含承雨口、出水倉、調(diào)節(jié)裝置等共同組成,在監(jiān)測(cè)時(shí),雨水首先會(huì)通過承雨口進(jìn)入,流入內(nèi)部的計(jì)量漏斗中,一旦雨量超過了設(shè)定值,計(jì)量漏斗就會(huì)改變形態(tài),使其與傳感器的接口閉合,從而輸送降雨信號(hào)。經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)在該降雨監(jiān)測(cè)傳感器使用時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)由于風(fēng)向等其他因素帶來的誤差,需要使用遠(yuǎn)程終端單元(remote terminal units,RTU)匹配電路,消除誤差,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的降雨監(jiān)測(cè)。

1.2 水位監(jiān)測(cè)傳感器

水位監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)地質(zhì)災(zāi)害中最常見的泥石流災(zāi)害有重要的作用[12],其可以之間進(jìn)行水量和泥量狀態(tài)檢測(cè),避免發(fā)生大規(guī)模泥石流災(zāi)害對(duì)人們的生產(chǎn)生活安全造成影響,因此本文利用了電磁波雷達(dá)技術(shù)設(shè)計(jì)了水位監(jiān)測(cè)傳感器,避免由于光學(xué)信號(hào)改變給地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)帶來的誤差。在該傳感器中,添加電磁波檢測(cè)觸點(diǎn),能使其準(zhǔn)確的與泥石流和水位現(xiàn)狀進(jìn)行匹配,除此之外,設(shè)計(jì)的水位傳感器中還添加了含有RS485協(xié)議的監(jiān)測(cè)芯片,應(yīng)用該協(xié)議可以降低信號(hào)采集時(shí)間,實(shí)現(xiàn)高效監(jiān)測(cè)和信號(hào)轉(zhuǎn)換,降低監(jiān)測(cè)中的誤差和干擾[13]。該水位監(jiān)測(cè)傳感器電流信號(hào)4～20 mA,頻率范圍26 GHz,分辨率1.6 uA實(shí)物如圖2所示。

圖2 水位監(jiān)測(cè)傳感器

1.3 土壤壓力傳感器

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)往往會(huì)改變土壤的壓力,因此，本文設(shè)計(jì)了土壤壓力傳感器來增加地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。該土壤壓力傳感器的額定載荷6.5 kg,絕緣電阻≥5000 MΩ/ 100 VDCΩ,安全過載150%F.S.%FS,其中FS為滿量程(full-scale)。實(shí)物如圖3所示。

圖3 土壤壓力傳感器

土壤之間的附著力與容重對(duì)土地壓力數(shù)值有著決定性的影響作用,因此可以依據(jù)此定律通過監(jiān)測(cè)土壤的附著力和容重[14],在土壤壓力傳感器中添加土壓力監(jiān)測(cè)模塊和土壤水分監(jiān)測(cè)模塊來實(shí)現(xiàn)土壤壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警,為了降低監(jiān)測(cè)可能產(chǎn)生的誤差,在土壤壓力傳感器中還添加了應(yīng)變式的電阻及應(yīng)變片,應(yīng)用這兩種物質(zhì)可以隨時(shí)記錄應(yīng)變力的變化,實(shí)現(xiàn)以應(yīng)變力效應(yīng)來完成土壤壓力的轉(zhuǎn)換[15],此時(shí)的應(yīng)變電阻變化數(shù)值計(jì)算如式(1)所示。

(1)

式中,P代表電阻率;L代表應(yīng)變片金屬絲長(zhǎng)度;F代表斷面。在監(jiān)測(cè)過程中,應(yīng)變片應(yīng)該與傳感器中的受力膜實(shí)時(shí)相連,由其感應(yīng)電阻變化,輸出土壤壓力轉(zhuǎn)換信號(hào),實(shí)現(xiàn)高精度的土壤壓力監(jiān)測(cè)。

1.4 地面震動(dòng)傳感器

地質(zhì)災(zāi)害往往會(huì)伴隨著地面震動(dòng),地面震動(dòng)的狀態(tài)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的種類和嚴(yán)重程度判斷有參考價(jià)值,因此本文設(shè)計(jì)了地面震動(dòng)傳感器,首先在地面震動(dòng)傳感器中添加地面自動(dòng)化監(jiān)測(cè)模塊,該模塊可以將地面震動(dòng)的次數(shù)和震動(dòng)的頻率轉(zhuǎn)換成聲波信號(hào),經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn),地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前往往會(huì)出現(xiàn)地表摩擦現(xiàn)象,傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備往往無法準(zhǔn)確地進(jìn)行捕捉,因此本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的地面震動(dòng)傳感器中添加了地聲檢波芯片,能捕捉微小的地面摩擦信號(hào),將其轉(zhuǎn)換成聲波信號(hào)傳輸?shù)綑z測(cè)中心。為了避免地聲信號(hào)在傳播過程中出現(xiàn)的衰減情況在地面震動(dòng)傳感器中還添加了對(duì)壓力較敏感的電容元件,這種電容元件具有專一性,即其除了對(duì)聲波敏感外不受任何外界因素的影響,因此具有較高的穩(wěn)定性,能隨時(shí)保證傳感器的監(jiān)測(cè)狀態(tài),該傳感器的監(jiān)測(cè)原理圖如圖4所示。

圖4 傳感器監(jiān)測(cè)原理圖

由圖4可知,在該傳感器進(jìn)行檢測(cè)的過程中,隨時(shí)會(huì)調(diào)試監(jiān)測(cè)模式,最主要的監(jiān)測(cè)模式是變極距模式,首先,金屬膜片會(huì)根據(jù)聲音震動(dòng)狀態(tài)捕捉振動(dòng)信號(hào),其次進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,輸出轉(zhuǎn)換后的電信號(hào),調(diào)整膜片與極板的距離,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)因其特殊的轉(zhuǎn)化機(jī)制往往存在一定的函數(shù)關(guān)系,可以列出具體的函數(shù)表達(dá)式來準(zhǔn)確分析地面震動(dòng)的具體狀態(tài)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 分析地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)需求

設(shè)計(jì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的第一步就是進(jìn)行災(zāi)害需求分析,首先利用傳輸控制協(xié)議(transmi-ssion control protocol,TCP)技術(shù)采集上述設(shè)計(jì)的各項(xiàng)傳感器中輸出的數(shù)據(jù),其次根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)判斷技術(shù)可行性。分析地質(zhì)災(zāi)害的形成條件可知,目前地質(zhì)災(zāi)害的影響因素非常廣泛,包括地形地貌、降雨?duì)顟B(tài)、土壤含水率等,根據(jù)上述因素,可以分析地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)需求。

首先需要確定地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)的功能,地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)最關(guān)鍵的部分就是數(shù)據(jù)的傳輸,即務(wù)必要保證數(shù)據(jù)采集和解析的實(shí)時(shí)性,第二就是確定地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能,在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能都需要進(jìn)行一定的調(diào)整,因此應(yīng)該增加系統(tǒng)的可重用性,降低系統(tǒng)調(diào)試的難度,除此之外,地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作環(huán)境可能較惡劣,為了保證監(jiān)測(cè)的有效性,需要增加監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性,避免其出現(xiàn)運(yùn)行誤差,最后就是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性,數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性越高,系統(tǒng)對(duì)災(zāi)害的反饋速度就越快,因此綜合上述需求設(shè)計(jì)了高性能的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2 基于InSAR技術(shù)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)架構(gòu)

InSAR技術(shù)主要利用雷達(dá)干涉和 SAR模塊,對(duì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行重復(fù)監(jiān)測(cè),并合成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),其具有精度高、范圍廣、無接觸性的優(yōu)點(diǎn),因此可以根據(jù)該技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的邏輯架構(gòu),系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)包括過戶界面層,業(yè)務(wù)邏輯處理層和數(shù)據(jù)連接層,為了保證各個(gè)邏輯層次能獨(dú)立工作,且在一定程度上能夠迅速地改動(dòng)業(yè)務(wù)邏輯層以及添加或者刪除以及編輯一些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的新的設(shè)備類型設(shè)計(jì)了三層的系統(tǒng)架構(gòu)圖,如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)圖

由圖5可知,在系統(tǒng)的表示層用戶操作者可以和系統(tǒng)完成輸入輸出交互等作用,因此在設(shè)計(jì)時(shí),保證邏輯分離可以使后續(xù)的改動(dòng)變得相對(duì)容易。在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中業(yè)務(wù)邏輯層占據(jù)重要的位置,可以保證整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和使用。另一方面,監(jiān)測(cè)人員可以在界面中進(jìn)行相應(yīng)的輸入操作,此時(shí)業(yè)務(wù)邏輯層需要接收輸入數(shù)據(jù),經(jīng)過處理后按照協(xié)議將結(jié)果返回。數(shù)據(jù)庫訪問層主要用來連接數(shù)據(jù)庫,對(duì)數(shù)據(jù)表的進(jìn)行增刪。

2.3 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫

在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的初期,必須使設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫滿足上述分析的系統(tǒng)需求。因此本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫最關(guān)鍵的就是滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存需求,保證其可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)儲(chǔ)存和調(diào)用。一般而言,數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是指將特定的模型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為被使用的數(shù)據(jù)庫所識(shí)別和認(rèn)可的固定模式。數(shù)據(jù)庫架構(gòu)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

在本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫中,需要建立識(shí)別關(guān)系模型,為后續(xù)的數(shù)據(jù)管理、儲(chǔ)存、查詢等操作提供依據(jù),構(gòu)建時(shí)查詢到的具體數(shù)據(jù)類型,整合變成一個(gè)集合性數(shù)據(jù)組成表,實(shí)現(xiàn)各個(gè)類型數(shù)據(jù)的查詢。

3 平臺(tái)測(cè)試

為了檢測(cè)設(shè)計(jì)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)性能,搭建了系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái),將其與傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)行了如下測(cè)試。

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備

為了保證系統(tǒng)測(cè)試的準(zhǔn)確性,根據(jù)上述的需求分析可知,地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ),因此本文分別計(jì)算了測(cè)試平臺(tái)在距離為10 m、10～100 m、1～2 m、100 m、0.2～40 m、10～75 m的通信指標(biāo),計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式中,V代表通信指標(biāo);B代表現(xiàn)有的通信組網(wǎng)指標(biāo);E代表通信組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。已知在通信指標(biāo)為1的情況下測(cè)試平臺(tái)的通信監(jiān)測(cè)結(jié)果為合格,因此,為了避免通信網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)性,進(jìn)行了15次隨機(jī)檢測(cè),測(cè)試的通信指標(biāo)狀態(tài)如表2所示。

表2 通信指標(biāo)狀態(tài) 單位：dB·W

由表1可知,在連續(xù)15次的通信指標(biāo)檢測(cè)中,各個(gè)距離的通信網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)均高于1,證明此時(shí)的測(cè)試平臺(tái)的通信網(wǎng)絡(luò)情況符合后續(xù)的測(cè)試需求,此時(shí)可以根據(jù)上述的通信網(wǎng)檢測(cè)狀態(tài)設(shè)置測(cè)試平臺(tái)的參數(shù),如表3所示。

表3 測(cè)試平臺(tái)參數(shù)

根據(jù)表3的測(cè)試平臺(tái)參數(shù),可以對(duì)整個(gè)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行綜合配置,配置好后即可進(jìn)行后續(xù)的系統(tǒng)測(cè)試。

3.3 測(cè)試結(jié)果與討論

在上述的測(cè)試平臺(tái)中,隨機(jī)進(jìn)行災(zāi)害模擬仿真,分別記錄在不同災(zāi)害情況下本文設(shè)計(jì)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)耗時(shí),測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 測(cè)試結(jié)果 單位：s

由表4可知,在上述搭建的模擬災(zāi)害監(jiān)測(cè)平臺(tái)中,本文設(shè)計(jì)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)耗時(shí)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng),證明設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有省時(shí)性,有一定的應(yīng)用價(jià)值。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)效果,對(duì)兩種方法的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試。隨機(jī)設(shè)計(jì)8種地質(zhì)災(zāi)害情況,設(shè)置對(duì)應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù),分別采用本文設(shè)計(jì)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與監(jiān)測(cè),通過計(jì)算發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率來判斷監(jiān)測(cè)方法的準(zhǔn)確性。發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率越高,說明監(jiān)測(cè)結(jié)果與地質(zhì)災(zāi)害情況越相近,證明該方法監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性越高。具體結(jié)果如表5所示。

表5 不同方法計(jì)算地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率 單位：%

通過表5可以看出,本文設(shè)計(jì)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)分析出的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率基本保持在95%以上,而傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析出的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率在82%～89%之間。在兩種系統(tǒng)對(duì)比之下,本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)得出結(jié)果,與地質(zhì)災(zāi)害情況相近,證明該方法監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性較高。

4 結(jié)束語

隨著環(huán)境的破壞,我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率越來越高,為了對(duì)地質(zhì)災(zāi)害提前預(yù)警,避免地質(zhì)災(zāi)害造成大規(guī)模人員傷亡需要設(shè)計(jì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng),本文基于InSAR技術(shù),應(yīng)用了雷達(dá)干涉設(shè)計(jì)了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng),進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)耗時(shí)較短,證明設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)性能較好,具有有效性,有一定的應(yīng)用價(jià)值,可以作為后續(xù)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的參考。但是本文在研究過程中,忽略了人類活動(dòng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害造成的影響,因此在接下來的研究中,將不斷完善設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以期為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)防提供更加科學(xué)的技術(shù)支持。