基于InSAR技术的地质灾害监测系统设计与应用
杨 飞
(广东明源勘测设计有限公司, 广东 河源 517000)
随着生态环境的恶化[1],地质灾害发生的频率越来越高,地质灾害常常指岩土发生一定程度的移动导致的灾害性事件[2],如泥石流、滑坡等,一旦发生,不仅会对人们的财产造成威胁[3],还会对人们的生命安全带来威胁。调查显示,我国属于地质灾害频发的国家[4],多发性地质灾害也制约了社会的进步。目前我国解决地质灾害的主要方法就是进行地质灾害监测[5],但传统的地质灾害监测方法经常由于监测人员的技术性差等问题呈现较低的监测效率[6],因此需要设计新的地质灾害监测系统。
研究表明[7],地质灾害的类型较多,带来的后果也不一致,在地质灾害过后可能还会出现某些伴随性灾害。近几年[8],我国发生的地质灾害事件达到了上千种,造成了大规模的人员伤亡,因此进行实时地质灾害监测迫在眉睫。干涉式合成孔径雷达(interferometry synthetic aperture radar,InSAR)是一种应用于测绘和遥感的雷达技术[9],该技术可以利用合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)对灾害监测区域进行重复监测,并合成实时监测数据,其具有精度高、范围广、无接触性的优点[10]。除此之外,在进行地质灾害监测时,该技术也不受自然环境影响,不易产生监测误差,因此该技术目前被广泛地应用在火山、冰川等复杂环境中的监测。为了提高地质灾害监测的稳定性和实时性,本文基于InSAR技术设计了地质灾害监测系统,为后续的地质灾害监测提供参考。
1.1 降雨监测传感器
降雨是诱发大部分地质灾害的主要诱因,因此,及时监测检测区的降雨情况对地质灾害预警来说十分重要[11],因此本文设计的系统利用翻斗式雨量计设计了降雨监测传感器。降雨在线监测传感器型号为TH-Y6,测量范围0～44 mm/min,测量精度≤±4,分辨率0.01 mm。实物如图1所示。
图1 TH-Y6降雨在线监测传感器
降雨监测传感器主要是由翻斗式雨量计结合传感装置组成,包含承雨口、出水仓、调节装置等共同组成,在监测时,雨水首先会通过承雨口进入,流入内部的计量漏斗中,一旦雨量超过了设定值,计量漏斗就会改变形态,使其与传感器的接口闭合,从而输送降雨信号。经过调试发现在该降雨监测传感器使用时可能会出现由于风向等其他因素带来的误差,需要使用远程终端单元(remote terminal units,RTU)匹配电路,消除误差,实现准确的降雨监测。
1.2 水位监测传感器
水位监测传感器对地质灾害中最常见的泥石流灾害有重要的作用[12],其可以之间进行水量和泥量状态检测,避免发生大规模泥石流灾害对人们的生产生活安全造成影响,因此本文利用了电磁波雷达技术设计了水位监测传感器,避免由于光学信号改变给地质灾害监测带来的误差。在该传感器中,添加电磁波检测触点,能使其准确的与泥石流和水位现状进行匹配,除此之外,设计的水位传感器中还添加了含有RS485协议的监测芯片,应用该协议可以降低信号采集时间,实现高效监测和信号转换,降低监测中的误差和干扰[13]。该水位监测传感器电流信号4～20 mA,频率范围26 GHz,分辨率1.6 uA实物如图2所示。
图2 水位监测传感器
1.3 土壤压力传感器
地质灾害发生时往往会改变土壤的压力,因此，本文设计了土壤压力传感器来增加地质灾害监测的准确性。该土壤压力传感器的额定载荷6.5 kg,绝缘电阻≥5000 MΩ/ 100 VDCΩ,安全过载150%F.S.%FS,其中FS为满量程(full-scale)。实物如图3所示。
图3 土壤压力传感器
土壤之间的附着力与容重对土地压力数值有着决定性的影响作用,因此可以依据此定律通过监测土壤的附着力和容重[14],在土壤压力传感器中添加土压力监测模块和土壤水分监测模块来实现土壤压力实时监测预警,为了降低监测可能产生的误差,在土壤压力传感器中还添加了应变式的电阻及应变片,应用这两种物质可以随时记录应变力的变化,实现以应变力效应来完成土壤压力的转换[15],此时的应变电阻变化数值计算如式(1)所示。
(1)
式中,P代表电阻率;L代表应变片金属丝长度;F代表断面。在监测过程中,应变片应该与传感器中的受力膜实时相连,由其感应电阻变化,输出土壤压力转换信号,实现高精度的土壤压力监测。
1.4 地面震动传感器
地质灾害往往会伴随着地面震动,地面震动的状态对地质灾害的种类和严重程度判断有参考价值,因此本文设计了地面震动传感器,首先在地面震动传感器中添加地面自动化监测模块,该模块可以将地面震动的次数和震动的频率转换成声波信号,经过测试发现,地质灾害发生前往往会出现地表摩擦现象,传统的监测设备往往无法准确地进行捕捉,因此本文设计的系统的地面震动传感器中添加了地声检波芯片,能捕捉微小的地面摩擦信号,将其转换成声波信号传输到检测中心。为了避免地声信号在传播过程中出现的衰减情况在地面震动传感器中还添加了对压力较敏感的电容元件,这种电容元件具有专一性,即其除了对声波敏感外不受任何外界因素的影响,因此具有较高的稳定性,能随时保证传感器的监测状态,该传感器的监测原理图如图4所示。
图4 传感器监测原理图
由图4可知,在该传感器进行检测的过程中,随时会调试监测模式,最主要的监测模式是变极距模式,首先,金属膜片会根据声音震动状态捕捉振动信号,其次进行能量转换,输出转换后的电信号,调整膜片与极板的距离,实现准确监测,监测的数据因其特殊的转化机制往往存在一定的函数关系,可以列出具体的函数表达式来准确分析地面震动的具体状态。
2.1 分析地质灾害监测需求
设计地质灾害监测系统的第一步就是进行灾害需求分析,首先利用传输控制协议(transmi-ssion control protocol,TCP)技术采集上述设计的各项传感器中输出的数据,其次根据反馈的数据判断技术可行性。分析地质灾害的形成条件可知,目前地质灾害的影响因素非常广泛,包括地形地貌、降雨状态、土壤含水率等,根据上述因素,可以分析地质灾害的监测需求。
首先需要确定地质灾害系统的功能,地质灾害实时监测最关键的部分就是数据的传输,即务必要保证数据采集和解析的实时性,第二就是确定地质灾害监测系统的性能,在每个监测点地质灾害监测系统的性能都需要进行一定的调整,因此应该增加系统的可重用性,降低系统调试的难度,除此之外,地质灾害监测系统的工作环境可能较恶劣,为了保证监测的有效性,需要增加监测系统的可靠性,避免其出现运行误差,最后就是系统的数据采集实时性,数据采集的实时性越高,系统对灾害的反馈速度就越快,因此综合上述需求设计了高性能的监测系统。
2.2 基于InSAR技术设计监测架构
InSAR技术主要利用雷达干涉和 SAR模块,对灾害监测区域进行重复监测,并合成实时监测数据,其具有精度高、范围广、无接触性的优点,因此可以根据该技术设计系统的逻辑架构,系统的逻辑架构包括过户界面层,业务逻辑处理层和数据连接层,为了保证各个逻辑层次能独立工作,且在一定程度上能够迅速地改动业务逻辑层以及添加或者删除以及编辑一些监测点的新的设备类型设计了三层的系统架构图,如图5所示。
图5 系统架构图
由图5可知,在系统的表示层用户操作者可以和系统完成输入输出交互等作用,因此在设计时,保证逻辑分离可以使后续的改动变得相对容易。在设计的系统中业务逻辑层占据重要的位置,可以保证整个系统的数据交换和使用。另一方面,监测人员可以在界面中进行相应的输入操作,此时业务逻辑层需要接收输入数据,经过处理后按照协议将结果返回。数据库访问层主要用来连接数据库,对数据表的进行增删。
2.3 设计数据库
在数据库设计的初期,必须使设计的数据库满足上述分析的系统需求。因此本文设计的数据库最关键的就是满足系统的数据储存需求,保证其可以实现数据的实时储存和调用。一般而言,数据库逻辑结构的设计是指将特定的模型结构转化为被使用的数据库所识别和认可的固定模式。数据库架构如表1所示。
表1 数据库架构
在本文设计的数据库中,需要建立识别关系模型,为后续的数据管理、储存、查询等操作提供依据,构建时查询到的具体数据类型,整合变成一个集合性数据组成表,实现各个类型数据的查询。
为了检测设计的地质灾害监测系统的监测性能,搭建了系统测试平台,将其与传统的地质灾害监测系统进行对比,进行了如下测试。
为了保证系统测试的准确性,根据上述的需求分析可知,地质灾害监测的通信网络状态是进行地质灾害监测的基础,因此本文分别计算了测试平台在距离为10 m、10～100 m、1～2 m、100 m、0.2～40 m、10～75 m的通信指标,计算公式如式(2)所示。
(2)
式中,V代表通信指标;B代表现有的通信组网指标;E代表通信组网标准指标。已知在通信指标为1的情况下测试平台的通信监测结果为合格,因此,为了避免通信网络的随机性,进行了15次随机检测,测试的通信指标状态如表2所示。
表2 通信指标状态 单位：dB·W
由表1可知,在连续15次的通信指标检测中,各个距离的通信网络指标均高于1,证明此时的测试平台的通信网络情况符合后续的测试需求,此时可以根据上述的通信网检测状态设置测试平台的参数,如表3所示。
表3 测试平台参数
根据表3的测试平台参数,可以对整个测试平台进行综合配置,配置好后即可进行后续的系统测试。
3.3 测试结果与讨论
在上述的测试平台中,随机进行灾害模拟仿真,分别记录在不同灾害情况下本文设计的灾害监测系统和传统的地质灾害监测系统的监测耗时,测试结果如表4所示。
表4 测试结果 单位：s
由表4可知,在上述搭建的模拟灾害监测平台中,本文设计的地质灾害监测系统的监测耗时远低于传统的地质灾害监测系统,证明设计的监测系统具有省时性,有一定的应用价值。
为了验证设计的地质灾害监测系统的检测效果,对两种方法的监测准确性进行测试。随机设计8种地质灾害情况,设置对应的地质灾害数据,分别采用本文设计的地质灾害监测系统与传统的地质灾害监测系统对数据进行分析与监测,通过计算发生地质灾害的概率来判断监测方法的准确性。发生地质灾害的概率越高,说明监测结果与地质灾害情况越相近,证明该方法监测的准确性越高。具体结果如表5所示。
表5 不同方法计算地质灾害发生概率 单位：%
通过表5可以看出,本文设计的地质灾害监测系统,通过地质灾害数据分析出的地质灾害发生概率基本保持在95%以上,而传统的地质灾害监测系统分析出的地质灾害发生概率在82%～89%之间。在两种系统对比之下,本文监测系统根据地质灾害数据得出结果,与地质灾害情况相近,证明该方法监测的准确性较高。
随着环境的破坏,我国地质灾害发生的频率越来越高,为了对地质灾害提前预警,避免地质灾害造成大规模人员伤亡需要设计地质灾害监测系统,本文基于InSAR技术,应用了雷达干涉设计了地质灾害监测系统,进行系统测试。结果表明,设计的地质灾害监测系统的监测耗时较短,证明设计的监测系统的监测性能较好,具有有效性,有一定的应用价值,可以作为后续地质灾害监测的参考。但是本文在研究过程中,忽略了人类活动对地质灾害造成的影响,因此在接下来的研究中,将不断完善设计的监测系统,以期为地质灾害监测与预防提供更加科学的技术支持。
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