基于“天空地”一体化技术的安全监测系统建设与应用

邬昱昆，肖亚子，樊恒通，郑 浩，李江浪

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

0 引 言

金沙江上游由于地震活动频繁，河谷强烈下切，岸坡高陡狭窄，岩体破碎，历史上发生了较多大规模的滑坡堵江事件[1]。2018年10月11日和2018年11月3日，西藏自治区江达县波罗乡白格村附近金沙江右岸先后发生2次大规模高位滑坡堵江事件，堰塞湖库容最大超过5亿m3。11月13日溃堰时，溃口洪峰流量达31 000 m3/s，至下游拉哇水电站流量约22 000 m3/s，虽然洪峰持续时间短，但洪峰流量达坝址万年一遇洪水的2倍。白格溃堰洪水对下游拉哇库区的不良地质体前缘坡脚冲刷严重，对其稳定性产生了不同程度的影响。

国家有关部门及电站建设管理单位高度重视，要求对拉哇库区主要不良地质体建立必要的监测及预警系统，为金沙江上游各电站建设安全提供数据支持。本文以拉哇库区某滑坡体为例，运用星载InSAR技术、无人机技术与地面监测设备相结合的方式，建立“天空地”一体化的滑坡监测系统，并结合智能监控及预警平台，及时向主管部门报送监测信息，为工程建设安全提供数据支持。

1 滑坡体概况

1.1 基本特征

滑坡体位于拉哇水电站坝址上游约66 km的金沙江右岸，上游、下游以小沟槽为界，后缘呈椅形地貌，主要分布于2 644～3 230 m高程之间的凹坡地带，后缘山顶高程为3 400～3 750 m。滑坡体地形上缓下陡，前缘已抵入金沙江，3 125 m高程以上地形坡度一般在15°～25°，3 125 m高程以下地形坡度一般为25°～35°，局部为40°左右。滑坡体顺河方向宽度约300 m，纵向长度约760 m。

1.2 变形区划分

根据滑坡体地貌形态、厚度变化及变形特征，将滑坡体划分为2个区段(见图1)。Ⅰ区厚度45～70 m，体积约370万m3；Ⅱ区厚度10～30 m，体积约595万m3，总体积合计965万m3。

图1 滑坡体全貌

1.3 变形情况

白格“10.11”和白格“11.3”溃堰洪水后，推算该滑坡体前缘河水位最大涨幅分别达18.6 m和36 m。洪水退去后，现场调查发现，滑坡体前缘受洪水淘刷切脚，2 610 m高程以下岸坡均有浅表层垮塌现象，2 720 m 高程以下局部有新生错台，2 720 m高程以上未发现明显变化；2018年12月，滑坡体后缘高程2 980 m 附近发现有新生裂缝，宽5～20 cm、长5～15 m，裂缝不贯穿、无错台，滑坡体Ⅱ区未发现有新的变形迹象；2019年4月，2 980 m高程裂缝已贯通，并拉裂形成高2～2.5 m的错台。2020年3月，2 980 m高程处错台高度发展至5 m左右，Ⅰ区后缘及两侧见新生裂缝，局部有新生错台；2020年5月，Ⅰ区微地貌形态变化明显，边坡变形严重，3 000 m高程以下边坡后缘及上游、下游两侧边界处存在贯通性新生拉裂错台，后缘错台高度增加至6 m左右，坡体内发现多级新生错台，错台高度1～4 m，前缘见纵向新生裂缝，坡体内局部错台呈外高、内低的反坎。

现场调查成果表明，溃堰洪水过后，该滑坡体变形逐步发展，如变形加剧发生滑坡，则存在堵江风险。

2 “天空地”一体化监测体系

2.1 天——InSAR合成孔径雷达干涉测量技术

InSAR合成孔径雷达干涉测量(Interferometric SAR)技术，利用对同一地区同一轨道观测获取的多景合成孔径雷达影像进行干涉差分处理，得到三维地表形变信息。它具有大范围、全天候、非接触、可回溯、高性价比等特点，适用于库区地质灾害监测。

本文采用哨兵1号(Sentinel-1)作为观测卫星，考虑滑坡体变形特性和雷达卫星视角，影像数据选取2016年12月～2020年4月共95期升轨影像数据，观测图像结果如图2、3所示。

图2 2016年12月～2020年4月滑坡体差分干涉

图3 2016年12月～2020年4月滑坡体变形累计(LOS方向)

图4为2016年12月～2020年4月滑坡体变形时间序列。由图4可知，2018年10月白格滑坡前，该滑坡体已存在缓慢变形，雷达视线方向变形速率约70 mm/a。2018年10月后，受上游白格滑坡泄洪对坡脚冲刷影响，滑坡体Ⅰ区及其上游影响区变形明显加速，Ⅰ区雷达视线方向变形速率为520 mm/a，上游影响区部分区域雷达视线方向变形速率为400 mm/a。由于雷达视线方向与滑坡主滑方向不完全一致，因此滑坡体实际下滑速率更大，需考虑雷达视线方向、坡度方向和垂直沉降方向的几何关系，将视线方向的形变速率转化为坡度方向和垂直方向的形变速率[2]。

图4 滑坡体变形时间序列(2016年12月～2020年4月)

2.2 空——无人机航拍调查

白格堰塞体滑坡后，拉哇库区有桥梁被冲毁，道路中断，部分滑坡体受交通条件限制无法到达。对人力无法到达的滑坡、陡崖或前缘塌岸等区域，利用无人机技术进行三维测绘和地面调查，不仅可以保障调查人员的人身安全、提高工作效率、降低劳动强度、节约人力财力，还能够清晰地显示出地形构造和变化，对于临滑危险、交通困难、植被覆盖少的滑坡勘查工作具有明显优势。

此外，通过对无人机搭载不同设备获取的影像数据进行处理，还可生成数字正射影像图(DOM)、数字高程模型(DEM)和三维地貌模型等，得到滑坡体基础几何数据和变形特征。

2.3 地——传感器实时在线监测

在地面可采用多种监测手段，进行滑坡体变形及其影响因素的实时在线监测，如GNSS(全球导航卫星系统)、拉线式位移计、深部测斜仪、渗压计、雨量计、视频监控站等。根据建管单位要求，对该滑坡体安全监测采用动态设计、分期实施的原则，首期布置GNSS自动化监测点6点，其中主滑区布置3个测点，上游影响区布置3个测点，如图5所示。另对重点区域辅助视频监控站进行实时监控，视频监控采用大倍率长焦距镜头，经过后期程序开发，可定时对所设置的区域进行自动搜索、拍照和存储，通过图像对比技术，及时发现滑坡体变化情况，为地质灾害发生的机理提供直观可靠的研究依据。

图5 滑坡体GNSS测点布置示意

首期地面监测系统于2020年5月建立完成，后期将根据监测成果进一步完善监测系统。滑坡体GNSS测点位移过程线如图6所示。至2020年8月中旬，滑坡体持续变形，未见收敛。其中，Ⅰ区测点变形明显，测点最大累计水平位移约550 mm，累计下沉350 mm；Ⅱ区测点变形相对较小。滑坡影响区测点最大累计水平位移约130 mm，累计下沉70 mm。

图6 滑坡体GNSS测点位移过程线

3 智能监控及预警平台

“天空地”一体化监测数据及信息采集完成后，为方便、高效地进行数据管理、信息处理及分析，建立了拉哇水电站库区不良地质体智能监控及预警平台。平台主要由InSAR监测模块、GNSS监测模块、视频监控模块和告警模块等组成，并接入当地水文、气象信息，利用WebGIS技术将监测成果进行可视化展示。其中，InSAR监测模块可选择不同监测区域、日期进行成果展示，并具有动态形变演示功能；GNSS监测模块包括实时数据查询、图表绘制、矢量图展示、可视化场景等功能；视频监控模块主要包括实时画面和历史画面两个功能，其中历史画面功能可定时搜索、存储所设置区域的静态图像，以便进行图像对比；告警模块包括历史告警查询、告警信息配置、告警阈值设置等功能，当监测成果超过告警阈值时，系统平台根据级别进行分级告警，平台会实时显示告警内容，同时通过短信将告警信息及时发送到指定手机号码上，内容包括告警时间、部位、变形大小、速率和前期变形情况等信息。

4 结 语

(1)采用卫星影像、无人机技术和地面监测设备相结合的方式对拉哇库区主要不良地质体进行“天空地”一体化的监测，获得高时间分辨率和高空间分辨率的监测信息，解决以往滑坡“散点式”监测的局限性，实现在宏观把控的基础上选取代表性测点揭示变形信息，为滑坡变形特征的全面评价提供了基础[3]。

(2)利用WebGIS技术建立智能监控及预警平台，将采集的信息进行在线处理、分析和可视化呈现，保证数据获取的及时性、告警发布的准确性和成果展示的直观性。

(3)目前，空间数据获取手段日新月异，卫星遥感、无人机数字摄影测量、三维激光扫描、地基SAR、智能监控等技术不断发展，“天空地”一体化协同观测模式成为安全监测领域发展的新趋势。需要进一步研究多源多尺度、复杂环境下的协同观测、信息智能化集成处理等技术，更好地为工程建设服务。