基于InSAR技術的地質災害監測系統設計與應用

楊 飛

(廣東明源勘測設計有限公司, 廣東 河源 517000)

0 引言

隨著生態環境的惡化[1],地質災害發生的頻率越來越高,地質災害常常指巖土發生一定程度的移動導致的災害性事件[2],如泥石流、滑坡等,一旦發生,不僅會對人們的財產造成威脅[3],還會對人們的生命安全帶來威脅。調查顯示,我國屬于地質災害頻發的國家[4],多發性地質災害也制約了社會的進步。目前我國解決地質災害的主要方法就是進行地質災害監測[5],但傳統的地質災害監測方法經常由于監測人員的技術性差等問題呈現較低的監測效率[6],因此需要設計新的地質災害監測系統。

研究表明[7],地質災害的類型較多,帶來的后果也不一致,在地質災害過后可能還會出現某些伴隨性災害。近幾年[8],我國發生的地質災害事件達到了上千種,造成了大規模的人員傷亡,因此進行實時地質災害監測迫在眉睫。干涉式合成孔徑雷達(interferometry synthetic aperture radar,InSAR)是一種應用于測繪和遙感的雷達技術[9],該技術可以利用合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)對災害監測區域進行重復監測,并合成實時監測數據,其具有精度高、范圍廣、無接觸性的優點[10]。除此之外,在進行地質災害監測時,該技術也不受自然環境影響,不易產生監測誤差,因此該技術目前被廣泛地應用在火山、冰川等復雜環境中的監測。為了提高地質災害監測的穩定性和實時性,本文基于InSAR技術設計了地質災害監測系統,為后續的地質災害監測提供參考。

1 硬件設計

1.1 降雨監測傳感器

降雨是誘發大部分地質災害的主要誘因,因此,及時監測檢測區的降雨情況對地質災害預警來說十分重要[11],因此本文設計的系統利用翻斗式雨量計設計了降雨監測傳感器。降雨在線監測傳感器型號為TH-Y6,測量范圍0～44 mm/min,測量精度≤±4,分辨率0.01 mm。實物如圖1所示。

圖1 TH-Y6降雨在線監測傳感器

降雨監測傳感器主要是由翻斗式雨量計結合傳感裝置組成,包含承雨口、出水倉、調節裝置等共同組成,在監測時,雨水首先會通過承雨口進入,流入內部的計量漏斗中,一旦雨量超過了設定值,計量漏斗就會改變形態,使其與傳感器的接口閉合,從而輸送降雨信號。經過調試發現在該降雨監測傳感器使用時可能會出現由于風向等其他因素帶來的誤差,需要使用遠程終端單元(remote terminal units,RTU)匹配電路,消除誤差,實現準確的降雨監測。

1.2 水位監測傳感器

水位監測傳感器對地質災害中最常見的泥石流災害有重要的作用[12],其可以之間進行水量和泥量狀態檢測,避免發生大規模泥石流災害對人們的生產生活安全造成影響,因此本文利用了電磁波雷達技術設計了水位監測傳感器,避免由于光學信號改變給地質災害監測帶來的誤差。在該傳感器中,添加電磁波檢測觸點,能使其準確的與泥石流和水位現狀進行匹配,除此之外,設計的水位傳感器中還添加了含有RS485協議的監測芯片,應用該協議可以降低信號采集時間,實現高效監測和信號轉換,降低監測中的誤差和干擾[13]。該水位監測傳感器電流信號4～20 mA,頻率范圍26 GHz,分辨率1.6 uA實物如圖2所示。

圖2 水位監測傳感器

1.3 土壤壓力傳感器

地質災害發生時往往會改變土壤的壓力,因此，本文設計了土壤壓力傳感器來增加地質災害監測的準確性。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土地壓力數值有著決定性的影響作用,因此可以依據此定律通過監測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測模塊和土壤水分監測模塊來實現土壤壓力實時監測預警,為了降低監測可能產生的誤差,在土壤壓力傳感器中還添加了應變式的電阻及應變片,應用這兩種物質可以隨時記錄應變力的變化,實現以應變力效應來完成土壤壓力的轉換[15],此時的應變電阻變化數值計算如式(1)所示。

(1)

式中,P代表電阻率;L代表應變片金屬絲長度;F代表斷面。在監測過程中,應變片應該與傳感器中的受力膜實時相連,由其感應電阻變化,輸出土壤壓力轉換信號,實現高精度的土壤壓力監測。

1.4 地面震動傳感器

地質災害往往會伴隨著地面震動,地面震動的狀態對地質災害的種類和嚴重程度判斷有參考價值,因此本文設計了地面震動傳感器,首先在地面震動傳感器中添加地面自動化監測模塊,該模塊可以將地面震動的次數和震動的頻率轉換成聲波信號,經過測試發現,地質災害發生前往往會出現地表摩擦現象,傳統的監測設備往往無法準確地進行捕捉,因此本文設計的系統的地面震動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,將其轉換成聲波信號傳輸到檢測中心。為了避免地聲信號在傳播過程中出現的衰減情況在地面震動傳感器中還添加了對壓力較敏感的電容元件,這種電容元件具有專一性,即其除了對聲波敏感外不受任何外界因素的影響,因此具有較高的穩定性,能隨時保證傳感器的監測狀態,該傳感器的監測原理圖如圖4所示。

圖4 傳感器監測原理圖

由圖4可知,在該傳感器進行檢測的過程中,隨時會調試監測模式,最主要的監測模式是變極距模式,首先,金屬膜片會根據聲音震動狀態捕捉振動信號,其次進行能量轉換,輸出轉換后的電信號,調整膜片與極板的距離,實現準確監測,監測的數據因其特殊的轉化機制往往存在一定的函數關系,可以列出具體的函數表達式來準確分析地面震動的具體狀態。

2 軟件設計

2.1 分析地質災害監測需求

設計地質災害監測系統的第一步就是進行災害需求分析,首先利用傳輸控制協議(transmi-ssion control protocol,TCP)技術采集上述設計的各項傳感器中輸出的數據,其次根據反饋的數據判斷技術可行性。分析地質災害的形成條件可知,目前地質災害的影響因素非常廣泛,包括地形地貌、降雨狀態、土壤含水率等,根據上述因素,可以分析地質災害的監測需求。

首先需要確定地質災害系統的功能,地質災害實時監測最關鍵的部分就是數據的傳輸,即務必要保證數據采集和解析的實時性,第二就是確定地質災害監測系統的性能,在每個監測點地質災害監測系統的性能都需要進行一定的調整,因此應該增加系統的可重用性,降低系統調試的難度,除此之外,地質災害監測系統的工作環境可能較惡劣,為了保證監測的有效性,需要增加監測系統的可靠性,避免其出現運行誤差,最后就是系統的數據采集實時性,數據采集的實時性越高,系統對災害的反饋速度就越快,因此綜合上述需求設計了高性能的監測系統。

2.2 基于InSAR技術設計監測架構

InSAR技術主要利用雷達干涉和 SAR模塊,對災害監測區域進行重復監測,并合成實時監測數據,其具有精度高、范圍廣、無接觸性的優點,因此可以根據該技術設計系統的邏輯架構,系統的邏輯架構包括過戶界面層,業務邏輯處理層和數據連接層,為了保證各個邏輯層次能獨立工作,且在一定程度上能夠迅速地改動業務邏輯層以及添加或者刪除以及編輯一些監測點的新的設備類型設計了三層的系統架構圖,如圖5所示。

圖5 系統架構圖

由圖5可知,在系統的表示層用戶操作者可以和系統完成輸入輸出交互等作用,因此在設計時,保證邏輯分離可以使后續的改動變得相對容易。在設計的系統中業務邏輯層占據重要的位置,可以保證整個系統的數據交換和使用。另一方面,監測人員可以在界面中進行相應的輸入操作,此時業務邏輯層需要接收輸入數據,經過處理后按照協議將結果返回。數據庫訪問層主要用來連接數據庫,對數據表的進行增刪。

2.3 設計數據庫

在數據庫設計的初期,必須使設計的數據庫滿足上述分析的系統需求。因此本文設計的數據庫最關鍵的就是滿足系統的數據儲存需求,保證其可以實現數據的實時儲存和調用。一般而言,數據庫邏輯結構的設計是指將特定的模型結構轉化為被使用的數據庫所識別和認可的固定模式。數據庫架構如表1所示。

表1 數據庫架構

在本文設計的數據庫中,需要建立識別關系模型,為后續的數據管理、儲存、查詢等操作提供依據,構建時查詢到的具體數據類型,整合變成一個集合性數據組成表,實現各個類型數據的查詢。

3 平臺測試

為了檢測設計的地質災害監測系統的監測性能,搭建了系統測試平臺,將其與傳統的地質災害監測系統進行對比,進行了如下測試。

3.1 測試準備

為了保證系統測試的準確性,根據上述的需求分析可知,地質災害監測的通信網絡狀態是進行地質災害監測的基礎,因此本文分別計算了測試平臺在距離為10 m、10～100 m、1～2 m、100 m、0.2～40 m、10～75 m的通信指標,計算公式如式(2)所示。

(2)

式中,V代表通信指標;B代表現有的通信組網指標;E代表通信組網標準指標。已知在通信指標為1的情況下測試平臺的通信監測結果為合格,因此,為了避免通信網絡的隨機性,進行了15次隨機檢測,測試的通信指標狀態如表2所示。

表2 通信指標狀態 單位：dB·W

由表1可知,在連續15次的通信指標檢測中,各個距離的通信網絡指標均高于1,證明此時的測試平臺的通信網絡情況符合后續的測試需求,此時可以根據上述的通信網檢測狀態設置測試平臺的參數,如表3所示。

表3 測試平臺參數

根據表3的測試平臺參數,可以對整個測試平臺進行綜合配置,配置好后即可進行后續的系統測試。

3.3 測試結果與討論

在上述的測試平臺中,隨機進行災害模擬仿真,分別記錄在不同災害情況下本文設計的災害監測系統和傳統的地質災害監測系統的監測耗時,測試結果如表4所示。

表4 測試結果 單位：s

由表4可知,在上述搭建的模擬災害監測平臺中,本文設計的地質災害監測系統的監測耗時遠低于傳統的地質災害監測系統,證明設計的監測系統具有省時性,有一定的應用價值。

為了驗證設計的地質災害監測系統的檢測效果,對兩種方法的監測準確性進行測試。隨機設計8種地質災害情況,設置對應的地質災害數據,分別采用本文設計的地質災害監測系統與傳統的地質災害監測系統對數據進行分析與監測,通過計算發生地質災害的概率來判斷監測方法的準確性。發生地質災害的概率越高,說明監測結果與地質災害情況越相近,證明該方法監測的準確性越高。具體結果如表5所示。

表5 不同方法計算地質災害發生概率 單位：%

通過表5可以看出,本文設計的地質災害監測系統,通過地質災害數據分析出的地質災害發生概率基本保持在95%以上,而傳統的地質災害監測系統分析出的地質災害發生概率在82%～89%之間。在兩種系統對比之下,本文監測系統根據地質災害數據得出結果,與地質災害情況相近,證明該方法監測的準確性較高。

4 結束語

隨著環境的破壞,我國地質災害發生的頻率越來越高,為了對地質災害提前預警,避免地質災害造成大規模人員傷亡需要設計地質災害監測系統,本文基于InSAR技術,應用了雷達干涉設計了地質災害監測系統,進行系統測試。結果表明,設計的地質災害監測系統的監測耗時較短,證明設計的監測系統的監測性能較好,具有有效性,有一定的應用價值,可以作為后續地質災害監測的參考。但是本文在研究過程中,忽略了人類活動對地質災害造成的影響,因此在接下來的研究中,將不斷完善設計的監測系統,以期為地質災害監測與預防提供更加科學的技術支持。