非接触式滑坡地表裂缝监测系统的研发与应用(论文).docx

非接触式滑坡地表裂缝监测系统的研发与应用*
刘一民1,2
（1.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川 成都610031，
2.四川大学制造科学与工程学院，四川，成都，610065）
摘要：本论文提出一种基于激光测距原理的非接触式滑坡表面裂缝监测方案，该智能化监测方案利用GPRS方式进行数据的远程传输，解决了现有的电磁式、接触式地表裂缝计存在容易被损坏、易受干扰及测量误差大的技术问题，同时也解决了GPS或是全站仪存在成本较高、计算和安装复杂、实时性较差等技术问题，实现了在低成本条件下的滑坡表面裂缝实时监测，并在四川省巴中市典型滑坡点上进行野外应用示范，取得了良好的监测预警效果，为地质灾害防灾减灾提供技术支持。
关键词：滑坡表面裂缝;非接触式;激光测距;GPRS;实时监测
The Research and Application of Landslide Surface Fissure Monitoring System based on Non-contact Mode
Abstract：The paperproposes a non-contact landslide surface fissure monitoring design based on laser ranging principle. This intelligent monitoring design uses GPRS to transmit data，and this design will solve these technical problems such as vulnerable, disturbed and measurement errors, which exist in electromagnetic and c资助项目：国土资源部地质矿产评价专项项目，巴中地质灾害调查与监测，项目编号1212011220169
ontact-type landslide fissure monitors, meanwhile it also solve problems such as high cost, installation complexity and low real-time in GPS or total station. This method realizes real-time landslidemonitoring with low cost, and it has carried out field test on landslide in Bazhong city, Sichuan province. With the great effect in landslide monitoring, this system will provide technical support in geological disaster prevention and reduction.
Keywords：Landslide Surface Fissure, Non-contact, Laser Ranging, GPRS, Real-time Monitoring
1.前言
我国是一个地质灾害多发的国家，其灾害分布广、突发频率高、影响大，严重威胁着人民生命和财产的安全，由于山体滑坡和泥石流等地质灾害的特殊性和突发性，往往给自然环境、人民生命财产和工程建设造成巨大损失。滑坡表面裂缝是滑坡地貌的组成部分之一，且滑坡裂缝是地面裂缝的一种。斜坡上的岩土体在重力作用下具有下滑的趋势，它的形成原因是当由于自然或人为因素导致抗滑力减小、下滑力大于抗滑力时，斜坡就会失稳，在滑动体与不动体之间形成地面裂缝。由于滑体内部运动方向和快慢的差异，在滑坡内部也会形成各种裂缝。滑坡地表裂缝广泛见于各类滑坡中，是滑坡强变动带的直观反映。
因此对裂缝进行观测是
地质灾害防治预警的常用方法，所以在滑坡监测中被广泛使用，目前的裂缝监测大都采用电磁式、接触式地表伸缩计，这种手段主要采用在地面裂缝的两边栽桩拉钢丝的方法来实现的，但是它存在一些不足之处，第一是钢丝拉在地面以上仅0.5米左右，人和牲畜容易被绊到，监测设备极易损坏；第二是钢丝绳拉长以后由于自身张力和自重会导致相当的测量误差；第三是容易被掉落的树枝和其它农作物干扰引起数据误报等，目前的电磁式、接触式地表裂缝计存在着易损坏、易受干扰及测量误差大等不足之处，从而影响到监测的连续性和监测效果。利用非接触式的测量方法来监测滑坡表面裂缝的研究方兴未艾，如像利用GPS、全站仪等技术存在成本高、计算复杂、安装工艺复杂、实时性不足等不足，不利于监测预警和大规模推广应用。
本论文提出一种基于激光测距原理的非接触式滑坡表面裂缝监测系统，并且利用GPRS方式进行数据的远程传输，解决了现有的电磁式、接触式地表裂缝计存在容易被损坏、易受干扰及测量误差大的技术问题，同时也解决了GPS或是全站仪存在成本较高、计算和安装复杂、实时性较差等技术问题，实现了在低成本条件下的滑坡表面裂缝实时检测。
2.非接触式滑坡表面裂缝监测系统的设计
非接触式滑坡表面裂缝监测系统主要分为滑坡现场数据采集端与室内数据接收中心（含GPRS接收模块）组成。非接触式滑坡表面裂缝监测系统的设计方案如图1所示。从图2.1可知它的工作流程如下:首先室内监控中心通过GPRS模块发送数据采集命令至滑坡现场，野外多通道采集器收到采集命令后经解析启动激光测距传感器，激光测距传感器发射出的激光束经裂缝另一端的靶标反射后，获取裂缝数据后再通过采集器发射至室内监控中心的IP端口，数据经校验后入库并存入服务器，便于进行数据的分析处理。
图1 非接触式滑坡表面裂缝监测系统的设计方案图
Figure1 Design of The Landslide Surface Fissure Monitoring System based on Non-contact Mode
其中，滑坡现场数据采集端包括：激光测距传感器（滑坡现场）、野外多通道采集器（含GPRS发射模块）与监测靶标。激光测距传感器与野外多通道采集器固定于滑坡地表裂缝稳定端，监测靶标则安装在滑坡强变动带一侧。滑坡现场数据采集端工作布置示意图如图2所示。

图2滑坡现场采集端工作布置示意图
Figure2 The Schematic Diagram of Collection in landslide
3. 系统测量原理与关键技术研究
3.1 系统测量原理
非接触式滑坡表面裂缝监测仪的工作原理为：利用激光测距传感器的高精度，通过测量光脉冲发出到返回的时间，解算成实际的滑坡裂缝的数值。具体如下：先由激光二极管对准目标发射激光脉冲，经目标反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上，雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。激光测距传感器的硬件调试与软件误差处理如图3所示。

图3 激光测距仪的硬件调试与软件误差处理
Figure3 The Hardware debugging and Error Handling of Laser Range Finder
其中，在利用激光测距传感器进行滑坡表面裂缝监测的时候，一般标靶与传感器之间的距离较近，激光传播速度很快，需要极为精确地测出发射和反射的时间差，才能换算出实际距离。计算公式如式3-1所示：
D=ct2 (3-1)
式3-1中：D——测站点A、B两点间距离； c——光在大气中传播的速度；t——光往返A、B一次所需的时间。
3.2关键技术研究
本监测系统的关键技术主要体现在监测靶标反射板的设计工艺与地质灾害自动化监测技术
（1）监测靶标反射板的设计工艺。其中由于滑坡地表裂缝的特点，处于滑坡强变动侧的监测靶标由于地表的倾斜而偏转，从而导致所测裂缝宽度的数据发送误差。因此本论文将其作为关键问题而进行解决，设计一种竖直保持机械装置而保证监测靶标反射板与稳定端地表的垂直，进而保证了所测数据的准确性与稳定性。具体设计如下：
对于激光测距传感器探头和靶标反射面的安装工艺流程的设计，本论文采用在反射面板底部使用调心球轴承+配重的机械结构，利用机械装置中靶标自身的重力实现反射板保持竖直，从而保证反射信号到接收器的光路畅通不受影响，通过这个装置，可以使得激光反射板面在靶标基座发生倾斜的情况下，利用自平衡保持与激光发射器所发射的激光相互垂直以完成精确测量，其次，激光传感器价值不菲，探头应该安装得尽可能高，以避免被破坏和被盗的问题，反射面标靶和传感器的安装距离应分别做实验确定其最大安装距离和最小安装距离，靶标的设计示意图如图4所示。

图4 监测靶标反射板的设计
Figure4 The Design of Monitoring Target
（2）地质灾害自动化监测技术。
滑坡表面裂缝自动化监测方案采用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统进行总体设计。μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统具有前后台系统、多线程、多任务工作、低功耗模式、可重入函数（多个任务调用）以及多任务优先级反转的等特性。根据滑坡监测的需求与特点，本文将总体任务分解为4个子任务，通过μC/OS-Ⅱ系统对它们的分配与调用，可以高效低耗的完成滑坡裂缝自动化监测。各子任务功能如表1所示。
表1 子任务的名称功能表
Form1 The subtasks function table
序号
子任务名称
功能
1
数据采集
进行多通道的数据采集
2
数据打包发送
利用GPRS进行数据传输
3
命令解析
根据监控中心的命令进行启动唤醒
4
蓄电池电量监测
根据监控中心的命令监测电池电量
监控中心平台软件采用C++语言编写，本软件前台界面使用C#语言在Microsoft .NET Framework 3.5版本运行环境下开发，数据后台使用Microsoft SQL Server 2008R提供数据库运行支持。该软件可以实现设置监测点、数据库查询、数据导出、曲线绘制、图形缩放等功能，平台软件的功能结构图如图5，软件界面如图6所示。

图5 监控中心软件功能结构图
Figure5 Functional structure of The monitoring center software

图6 监控中心界面图
Figure6 The interface of monitoring center software
4. 滑坡监测应用示范
牛马场滑坡位于四川省巴中市凤仪乡龙江村1组，位置是东经106°36＇33.3＂，北纬31°52＇25.4＂，属于典型的缓倾顺层岩质滑坡，斜坡结构是顺向坡，其滑体性质属于基岩滑坡。滑坡方量达到1200万m3，属于特大型滑坡。该滑坡后缘存在大量的拉线槽即地表裂缝，有些宽度甚至达到8m以上，严重威胁着滑坡下方村庄居民的安全，甚至导致滑坡下方石龙河水电站的运行。牛马场滑坡的后缘基岩倾倒照片及拉线槽的照片如图7所示。

图7 牛马场滑坡后缘拉线槽
Figure7 The Surface Cracks of Niu Machang Landslide
从上图可以看出，针对牛马场滑坡这类后缘有明显的拉线槽特性的滑坡，本文所述的滑坡地表裂缝自动化监测系统特别适合进行后缘拉线槽宽度变化的监测，为滑坡监测和稳定性分析提供有效可靠的数据。本系统于2015年年初安装于牛马场滑坡的2个后缘拉线槽，其安装分布图如图4-2所示。安装工艺按照3.2节所述，将激光测距仪及采集传输系统安装于基岩稳定一侧，将监测靶标安装在强变动带另一侧，裂缝数据经过GPRS方式实时传输回室内监控中心，滑坡现场供电系统采用太阳能充电、锂电池供电，保证系统长期稳定的工作。
系统从2015年2月上旬开始运行，目前已进行近半年的监测，所测数据均进入监控中心数据库，其中1号点部分典型数据整理如表2所示（其中在雨季增加了检测频率），变化值柱状图如图8所示。
表2 1号监测点典型数据
Form2 Typical data of No.1 Monitoring
牛马场后缘1号裂缝监测点
监测日期
所测裂缝宽度(m)
变化值(m)
2015/2/5
5.70
0.00
2015/3/15
5.72
0.02
2015/4/6
5.75
0.05
2015/5/8
5.98
0.28
2015/5/9
5.95
0.25
2015/5/10
5.97
0.27
2015/6/22
5.88
0.18
2015/7/12
5.90
0.20
2015/7/13
5.99
0.19
2015/7/24
6.05
0.35

图8 裂缝变化值柱状图
Figure8 The Histogram of Crack Change Value
5. 总结
（1）本系统采用非接触式的激光测距仪进行滑坡表面裂缝的监测，经室内计量检定（本系统已获得四川省测试计量局的计量认证）与长时间的野外应用示范，保证了所测数据的稳定可靠与监测系统的稳定性，为地质灾害防灾减灾提供真实数据。
（2）通过对关键技术的研究，解决了监测靶标反射板的设计工艺与地质灾害自动化监测的需求，实现了反射板在底座弯曲倾斜下的自垂直功能，保证数据的真实可靠，同时利用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统与GPRS通讯协议实现了滑坡裂缝自动化监测，基本达到了未来监测技术智能化的需求。
（3）本系统特别适用于缓倾顺层岩质滑坡的监测，通过与其他监测仪器（如深部位移监测、GPS监测）进行数据对比，可以更加真实的反应滑坡的实时状态，为滑坡预警提供技术支持。

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