公路邊坡安全智能預警技術淺析

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【摘要】山區(qū)公路邊坡具有線長、點多、環(huán)境多變、地質(zhì)災害頻發(fā)且不易防治等特點，隨特殊氣候頻發(fā)加劇，公路邊坡地質(zhì)災害的監(jiān)測及預報預警成為了工程界研究的重點和熱點。本文基于無人機傾斜攝影技術及北斗高精度GNSS監(jiān)測、監(jiān)測云平臺搭建技術，提出了一套以無人機傾斜攝影結合北斗高精度變形監(jiān)測技術的方法，將監(jiān)測點邊坡水平面方向位移值與沉降方向位移值分開處理的方式，以變形位移曲線切線角作為山區(qū)邊坡預警指標。得到以變形位移曲線切線角為70°作為邊坡失穩(wěn)發(fā)生的臨界值，同時獲取了當邊坡狀態(tài)在初期、勻速、加速等變形時，邊坡位移曲線切線角的范圍，對山區(qū)公路邊坡實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控、雙重預防預警，提升了動態(tài)監(jiān)測水平和對重點邊坡的風險防范能力。

【關鍵詞】北斗系統(tǒng)；傾斜攝影；山區(qū)公路；邊坡；風險預警

0引言

我國地質(zhì)災害發(fā)生頻繁，災害面廣、類型多、規(guī)模大、危害深[1]，在山區(qū)，公路邊坡點多、線長、沿線環(huán)境多變，邊坡災害頻發(fā)且不易防治。因此，山區(qū)公路邊坡地質(zhì)災害的監(jiān)測及預報預警成為了工程界分析和研究的重點。目前常用的公路邊坡地質(zhì)災害監(jiān)測方法主要以全站儀、攝影測量、傳感器、InSAR和GNSS為主。GNSS在線監(jiān)測技術在全天候和自動化方面實現(xiàn)了更高層次的水準，突破了以往人工監(jiān)測短板的不足[2-3]。已經(jīng)投入運營的GNSS有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO以及我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）。BDS相對于GPS而言，在我國有著更好的衛(wèi)星信號覆蓋，對于復雜壞境下的變形監(jiān)測更有優(yōu)勢。受益于BDS的混合星座模式，高軌衛(wèi)星更多，因此在低緯度地區(qū)的扛遮擋能力更強。近年來越來越多學者開始將北斗應用于邊坡災害預警領域。過靜等[4]利用“北斗一號”衛(wèi)星系統(tǒng)在四川雅安地區(qū)進行滑坡自動化遠程監(jiān)測示范研究，并建成了滑坡綜合監(jiān)測系統(tǒng)。黃觀武等[5]將位移計、測量機器人、北斗實時監(jiān)測進行組合應用，研制開發(fā)了北斗實時滑坡監(jiān)測系統(tǒng)。張云龍等[6]針對北斗雙天線高精度變形監(jiān)測關鍵技術進行了研究，構建了超短基線和短基線北斗/GPS單差高精度定位模型。劉立等[7]將北斗和InSAR融合，建立了一套基于地表形變的地質(zhì)災害監(jiān)測技術。蔣超等[8]利用北斗通信和導航技術，開發(fā)了基于北斗的地質(zhì)災害實時監(jiān)測系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應用于北川白巖地區(qū)。楊凱等[9]對北斗系統(tǒng)的定位精度、時間可用性和空間可用性進行了研究，完成了滑坡監(jiān)測點實地監(jiān)測實驗，以及監(jiān)測點坐標時間序列噪聲特性分析同時，三維地質(zhì)建模重要性日益顯現(xiàn)，其中以無人機傾斜攝影技術為代表性，克服了精度不足、信息不全的問題。本研究基于北斗及無人機傾斜攝影結合的方法，提高了對于邊坡變形監(jiān)測的效率、對重點邊坡的防范，實現(xiàn)動態(tài)聯(lián)動自動化。

1邊坡隱患識別

本文利用無人機傾斜攝影技術對邊坡隱患進行識別并進行影響區(qū)劃分，進而對重點邊坡災害進行防控。無人機傾斜攝影技術以構建三維模型為目標，使用傳感器進行多角度航攝，覆蓋范圍內(nèi)的地物、地貌及位置信息等影像資料，進而構建邊坡三維模型。主要分為數(shù)據(jù)抓取、數(shù)據(jù)處理、影像匹配、組建模型等環(huán)節(jié)。其崩塌隱患識別處置體系具體包括：（1）野外數(shù)據(jù)采集，獲得影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、地面控制點，進而進行區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差解算，構建3DTIN，生成三維模型，以實現(xiàn)邊坡危巖段接觸式測量，該三維模型信息精度更高，更精細化，可靠性更強。（2）通過生成的三維模型對邊坡體關鍵地質(zhì)信息提取及結構面產(chǎn)狀統(tǒng)計分析，推出結構面基本物理參數(shù)、邊坡區(qū)優(yōu)質(zhì)結構面展布特征、基于赤平投影法并考慮結合面組合特征各類型危巖體失穩(wěn)模式，最終分析優(yōu)勢結構面空間展布特征及組合關系，判斷危險邊坡失穩(wěn)模式，實現(xiàn)非接觸式崩塌隱患早期識別。（3）通過對危險邊坡穩(wěn)定性進行評價，對危險邊坡失穩(wěn)運動進行軌跡數(shù)值模擬，推出不同邊坡失穩(wěn)后，危巖體崩落運動軌跡及影響區(qū)劃分結果，安全高效實現(xiàn)崩塌災害影響區(qū)劃分，為防災、減災及監(jiān)測預警提供可靠依據(jù)。

2邊坡風險預警

北斗云監(jiān)測系統(tǒng)利用北斗高精度GNSS監(jiān)測儀實施對邊坡位移變形量的持續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過傳輸模塊實時回傳至監(jiān)測云平臺，在監(jiān)測數(shù)據(jù)處理后生成監(jiān)測報告。邊坡風險預警系統(tǒng)主要包括邊坡數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析和結果輸出四部分，能夠?qū)崿F(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)分析再到監(jiān)測結果呈現(xiàn)的全程自動化[10]。

2.1北斗導航系統(tǒng)

北斗導航系統(tǒng)是全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)之一，其與俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo和美國GPS的不同之處在于，它不僅同時采用了IG-SO、GEO、MEO三種衛(wèi)星星座，而且是由中國自主研發(fā)而成。隨著對它的挖掘與運用，北斗導航系統(tǒng)廣泛應用于交通運輸領域、軍事領域等。北斗通信站主要由基礎資源層、北斗地基增強系統(tǒng)、北斗位置服務中心組成。其中，基礎資源層主要為使用者提供接入網(wǎng)絡的不同方式，同時將原始數(shù)據(jù)傳輸給北斗位置服務中心；北斗地基增強系統(tǒng)主要對基站采集數(shù)據(jù)進行有效處理并傳送至北斗位置服務中心；北斗位置服務中心主要對北斗地基增強系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⑦M行高精度解讀與分析處理，以實現(xiàn)使用者的需求。該通信站同時可以與其他領域特征進行融合與信息交互，實現(xiàn)其他領域?qū)ζ涞奶厥庖蟆?

2.2北斗監(jiān)測設備

北斗監(jiān)測設備主要包括了以下幾個部分：監(jiān)測儀、主機箱、GNSS定位天線、太陽能電池板。其中，GNSS定位天線，用以接收北斗定位信號。北斗監(jiān)測設備主要是利用無線設備將定位板塊得到的數(shù)據(jù)通過天線及數(shù)據(jù)板塊傳輸至監(jiān)測云平臺。雖然國內(nèi)外諸多學者都對北斗的監(jiān)測方案和監(jiān)測數(shù)據(jù)與災變相關性進行了研究，但是并沒有統(tǒng)一的標準和規(guī)范。基于此，本文提出通過模糊分析劃分山區(qū)公路邊坡地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)，以灰色系統(tǒng)分析模型為基礎，對北斗監(jiān)測系統(tǒng)進行優(yōu)化布置，減少冗余監(jiān)測點，建立北斗監(jiān)測方案。其監(jiān)測布點布設思路如圖1所示：

2.3監(jiān)測云平臺

北斗GNSS監(jiān)測儀將各監(jiān)測點的位移信息(曲線、數(shù)據(jù)等形式)輸送至數(shù)據(jù)匯總站，繼而利用無線網(wǎng)絡傳輸至監(jiān)測云平臺儲存及供管理人員實時查詢、參考。同時，根據(jù)預設的預警模型對GNSS數(shù)據(jù)進行處理與分析，對超過設定閾值的形變值發(fā)出警報，提醒相關人員進行排查與整改。

2.4北斗系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)應用

為收集邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)并判斷邊坡的狀態(tài)的穩(wěn)定性及變形趨勢，北斗衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)需要對采集到的邊坡三維數(shù)據(jù)進行有效的處理，然后進行邊坡變形的預測。當前對邊坡系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理的方法主要有卡爾曼濾波法、灰色系統(tǒng)分析法、回歸分析法等?；疑到y(tǒng)分析法具備計算方法簡單、所需監(jiān)測數(shù)據(jù)量較小、變形趨勢分析實用性高等特點。因此，本文采用灰色系統(tǒng)分析法處理并進行變形趨勢分析。數(shù)據(jù)處理時，將水平面方向位移值與沉降方向位移值分別進行數(shù)據(jù)處理。其中，邊坡水平方向的兩個位移用l與m方向的位移矢量表示，豎直位移用z方向的位移矢量表示。l、m、z表示方向如圖2所示。將邊坡在水平方向的位移矢量和用表示，豎直方向的位移用表示，則：同時，將水平方向位移和豎直方向位移分別累加，作為水平方向和豎直方向的累積位移量S，并建立起灰色預測模型。原始監(jiān)測數(shù)列表達式：對上式進行累加可得：即對的GM(1，1)模型建立一階微分方程為：其中，a是邊坡位移發(fā)展系數(shù)，主要用以預測邊坡位移發(fā)展態(tài)勢；是灰色作用量，主要用以反映數(shù)據(jù)變化關系。通過最小二乘回歸原理計算方程，可以計算得出模型中的參數(shù)向量為：再對上式進行累減，可獲得模型的還原數(shù)據(jù)：推導出：建立的灰色預測模型用以對原始數(shù)據(jù)進行計算分析來預測邊坡的變形趨勢。對邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，得到邊坡變形隨時間變化的累積位移曲線，并直觀地從曲線切線角的變化確定邊坡變形速率[11]。通過觀察，邊坡的變形速率可分為加速變形階段、勻速變形階段、減速變形、再加速變形階段直至失穩(wěn)。其中，加速變形階段是指累積位移曲線的切線角持續(xù)增大的階段；勻速變形階段是指累積位移曲線的切線角穩(wěn)定的階段；減速變形階段是指累積位移曲線的切線角持續(xù)減小的階段。一般來說，當切線角角度達到90°時，邊坡失穩(wěn)破壞，但在外部因素的作用下，將70°左右的切線角角度當作評判邊坡是否失穩(wěn)的臨界值。邊坡累積位移曲線的切線角如圖3所示。根據(jù)位移曲線推出的切線角求解方法為：式中：ΔSi為某單位時間段內(nèi)累計位移的變化量；ΔSi+1為下一個單位時間段累計位移的變化量。當αi＜45°時，邊坡為初期變形階段，此階段需要使用者加強對影響邊坡穩(wěn)定性因素的分析，同時加強對邊坡的巡邏與和監(jiān)測。當αi≈45°時，邊坡為勻速變形階段，此階段需要使用者進行預警監(jiān)測，通過現(xiàn)實情況與數(shù)據(jù)相結合的模式，得到數(shù)值模型以獲取其失穩(wěn)的預測時間。當αi＞45°時，邊坡為加速變形階段，此階段需要使用者進行失穩(wěn)預警，通過建立的數(shù)值模型將監(jiān)測數(shù)據(jù)的最后部分資料作為基點，預測邊坡后續(xù)趨勢及邊坡整體失穩(wěn)破壞的時間。

3結論

提出了一套以無人機傾斜攝影結合北斗高精度變形監(jiān)測技術的方法，通過以無人機傾斜攝影對邊坡隱患進行識別并進行影響區(qū)劃分，進而對重點邊坡重點防控，結合北斗系統(tǒng)對邊坡進行實時監(jiān)測預警，提高了對于邊坡變形監(jiān)測的效率、對重點邊坡的防范，實現(xiàn)了動態(tài)聯(lián)動自動化。提出通過模糊分析劃分山區(qū)公路邊坡地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)，以灰色系統(tǒng)分析模型為基礎，對北斗監(jiān)測系統(tǒng)進行優(yōu)化布置，減少了冗余監(jiān)測點，提高經(jīng)濟性，節(jié)約資源。提出將監(jiān)測點邊坡水平面方向位移值與沉降方向位移值分開處理的方式。將邊坡變形位移曲線切線角作為表征邊坡狀態(tài)的指標。以變形位移曲線切線角70°作為邊坡失穩(wěn)發(fā)生的臨界值。變形位移曲線切線角αi＜45°時，邊坡處于初期變形階段，此階段需要使用者進行對邊坡進行不間斷監(jiān)測；當αi≈45°時，此階段需要使用者進行預警監(jiān)測，通過現(xiàn)實情況與數(shù)據(jù)相結合的模式，得到數(shù)值模型以獲取其失穩(wěn)的預測時間；當αi＞45°時，邊坡處于加速變形階段，此階段需要使用者進行失穩(wěn)預警，通過建立的數(shù)值模型將監(jiān)測數(shù)據(jù)的最后部分資料作為基點，預測邊坡后續(xù)趨勢及邊坡整體失穩(wěn)破壞的時間。

作者:趙殿鵬 繆燕兵  袁舟 焦德軍 單位:浙江省交通工程管理中心 重慶交大交通安全科技研究院有限公司杭州分公司