堤防工程变形监测技术综述

高业何敏 陈媛媛 徐传旺 桂仁

摘 要：作为国民经济的重要基础设施，堤防工程在防洪、灌溉、供水、航运、水保等方面发挥了巨大的社会效益、经济效益和环境效益。堤防工程的变形监测工作是维持其安全运营的重要保证。本文阐述了四种代表性较强的堤防变形监测技术：三维激光扫描技术、近景摄影测量技术、合成孔径雷达干涉测量技术以及分布式光纤测量技术。本文在介绍了基本原理的基础上，分析了技术特点和适用范围，进而从应用的角度分析了每种技术的研究现状与不足之处，最后总结出堤防工程变形监测技术未来发展方向。

关键词：堤防工程; 变形监测; 三维激光扫描; 近景摄影测量; 合成孔径雷达干涉测量; 分布式光纤测量

中图分类号：TV871       文献标识码：A         文章编号：1006-3315（2021）11-095-002

我国堤防受到自然及社会的双重影响。一方面我国的大部分河堤建于新中国成立初期，限于当时的技术水平再加上运行年限长久，因而出现不同程度开裂、变形、渗漏等现象;另一方面，堤防结构类型多样、材料的力学性质复杂、筑堤方式的多样性，使得堤防的变形监测工作变得不容易，导致堤防的日常维护管理变得复杂。我国许多研究学者开展了堤防安全监测技术的研究。传统的堤防变形监测主要借助在堤防周边布设地表移动观测站，通过水准仪、GPS、全站仪、光纤传感器、测压管等设备对堤防的几何形变进行监测，获取堤防的变形量。这种监测方法通常采用断面式布点，测点较少且容易受外界影响，难以对堤防的准确变化进行有效的分析。

传统堤防工程变形监测技术根据数据采集形式的不同可分为单点监测方式和面状监测方式。单点监测方式如水准测量、全站仪三维坐标测量、GPS测量等，均基于稀疏的离散点进行形变的提取与分析。这类监测方式容易遗漏变形关键部位、监测基准点容易被破坏，容易引起变形信息时空上的不连续性，从而直接限制了监测资料与其它地质、力学、环境信息的融合，阻碍了对堤防进行深层次的分析及趋势的精确预报^[1]。随着科技的提高和社会的发展，近年来，越来越多的新型技术应用于堤防变形监测领域。

1.三维激光扫描技术

三维激光扫描技术以主动、非接触式的测量方式，可快速、高精度的获取目标物体的三维信息^[2]。通过激光扫描获取的数据信息真实可靠，最直接反应了目标物体实时、真实的三维形态，是快速获取目标物体空间数据的一种行之有效的技术手段，为堤防变形监测提供了新的可靠方案。采用三维激光扫描技术进行堤防变形监测，主要是采用三维激光扫描设备在待监测目标周围多期扫描，获得物体表面三维点云数据等信息，并将扫描获取的数据进行后期数据处理。通过对比不同时期处理后的数据，来提取待监测目标的变形信息，进行堤防的变形分析。

相对于传统的布设断面监测点的方法，三维激光扫描技术可以获取更为丰富的三维数据，且观测效率高。三维激光扫描技术通过扫描获取面状的点云数据，可以监测整个堤防的变形过程。但其变形探测的精度有限，只能达到厘米级的精度。

2.近景摄影测量技术

近景摄影测量主要是靠布设在物体附近的像机进行摄影测量，它的测量距离一般小于300m。近几年来，由于摄影测量技术的高速发展，近景摄影测量中使用了高分辨率的量测仪器以及高质量的摄像机，近景摄影测量获取的点位精度与以往相比得到了显著的提高。这种精密的摄影测量技术在堤防变形监测中得到了广泛的应用。近景摄影测量技术在变形监测方面的应用主要是利用量测或非量测相机，在需要监测的区域进行高速摄影，获取目标物的三维点云坐标，进而提取和分析变形的方法。利用近景摄影测量技术进行变形提取的具体实施方法为：在待监测堤防周围稳定区域上布设一定数量的控制点，利用摄影机对监测点进行拍摄测量，要求拍摄的相片具有一定的重叠度;然后利用相应的软件对测量获取的数据进行后期处理，得到监测区域的点云坐标。采用绝对坐标控制点，将不同时期获取的观测数据统一到同一坐标系下;也可以对两期数据进行匹配，转换到相对坐标系下。通过比较监测点在不同时期坐标值的变化量，对堤防的变形量进行分析^[3]。王建雄采用非量测数字相机的近景摄影测量方法，对水库的库岸实施了变形监测，测定其在水平平面及竖直平面内的变形。利用精密近景摄影测量技术进行形变监测具有以下优势：非接触性测量，可以将仪器架设在距离监测区域一定距离的安全地带，保证了人机的安全，非常适合于恶劣条件下的形变监测;可以瞬间获取监测目标的大量的几何物理信息，减少工作人员野外作业强度，反应监测区域的整体变形趋势;设备简单容易操作，自动化程度较高，人为因素对摄影结果影响小，监测结果质量高。同时，该设备也存在一些不足之处，如内页数据处理技术含量高，需配备高素质的数据处理人员：对拍摄获取的数据影像质量要求较高，若影像质量较差，匹配精度较差，影响判断结果。

3、雷达干涉测量技术

合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar）是一种空间遥感对地观测技术。该技术通过合成孔径雷达的相位信息，即通过雷达卫星在相邻的重复轨道上，对同一地区实现两次雷达成像，进而对两幅图像进行干涉处理，获得干涉图像。通过对图像进行解缠处理，解算出地面上每个点的正确相位，计算出地面点到雷达的斜距以及高程，最终得到地表的三维信息等地形数据。INSAR技术作为一种新型的主动式微波遥感技术，不但可以实现全天候的、大范围的快速获取地表三维信息，而且不需要建立监测网，省时、监测精度高、受气候条件影响小，被广泛的应用于地表形变以及边坡滑坡等监测领域。

合成孔径雷达干涉（InSAR）是形变监测前沿技术和研究热点。但其工程化应用存在以下问题：①时空失相干降低了干涉图质量，影响变形监测可靠性和可行性;②受可获取影像数量和空间分辨率限制，监测的时空分辨率难以满足实际工程需要，特别是难以实现单个建（构）筑物精准变形监测。地基合成孔径雷达干涉（ground based InSAR， GBIn-SAR）技术基于微波探测主动成像方式获取监测区域二维影像，通过合成孔径技术和步进频率技术实现雷达影像方位向和距离向的高空间分辨率，克服了星载SAR影像受时空失相干严重和时空分辩率低等缺点，通过干涉技术可实现优于毫米级微变形监测。清江隔河岩大坝项目中，采用GBIn-SAR技术对坝体进行变形监测，在消除大气影响后GBIn-SAR监测的坝体变形速率与垂线监测结果一致^[4]。张昊宇采用基于调频连续波（FMCW）技术的Fast-GBSAR设备对陆水大坝进行监测，取得了7s/组的数据采集速度，对大坝在放水前后的变形进行分析，并与三维数字高程模型进行数据融合。结果表明基于7s/组的高速数据采集能力，Fast-GBSAR几乎可以做到对大坝变形的实时分析^[5]。GBIn-SAR技术精度高，监测效率快，但目前GBIn-SAR商用设备仅能从国外进口且费用高昂，極大地阻碍了国内学者的研究和其工程化的推广^[6]。

4.分布式光纤测量技术

分布式光纤传感器作为一门迅猛崛起的高新传感技术，其理论发展和实践应用也在不断的深入当中。分布式光纤传感技术可以根据想要监测的目标，采用直接测量方式或间接测量方式来对堤防进行监测：①直接测量是将光纤直接布设于被监测物体内，光纤随着被监测物的形变、温度的变化，得到的应变、温度信息即为被监测物的应变情况及温度分布。直接测量法可以有效地对堤防的险情进行预警，但是不利于长期监测。②间接测量是将光纤布设在一定支撑结构上或使用光纤传感器探头，被监测物的形变、温度转化为支撑结构或传感器的相应参数变化量，再转化为光纤的应变、温度，通过检测光纤上的应变、温度间接得到被监测物的形变和温度。间接测量法可以进行长期的监测，但是要设计专门的支撑结构，并且要求所用的支撑结构或传感器的变化量与光纤的应变、温度有很好的对应关系^[7-10]。

基于布里渊散射技术的分布式光纤传感器可以测定光纤沿线任一点上的温度和应力。加拿大的Roctest Instruments Ltd. 公司，瑞士的Omnisens公司Smartech 公司，美国的NRL公司，英国的Sensornet公司及Kent大学和Southampton大学等都开展了分布式光纤传感器的研究。国内的宁波振东光电公司与德国GOES（ Geostationary Operational Envi-ronmentalStllite）公司合作开发的分布式光纤温度传感器（DTS）系统，在水电站面板坝渗漏、温度场的监测等项目得到了成功的应用。

随着分布式光纤技术的理论成熟和实践应用的不断发展，分布式光纤传感技术也正越来越多地被堤防、堤坝工程所采用。如张丹等将分布式光纤传感技术用于堤坝工程结构健康监测。王宝军、丁勇、隋海波等将分布式光纤传感技术用于边坡变形的监测及实践，并取得较好的效果。朱萍玉，蒋桂林等采用分布式光纤传感技术用于土坝模型渗漏监测分析，得到了堤坝渗漏与温度场的初步关系，并用Ansys进行了有限元的分析。蔡德所将分布式光纤传感技术用于监测三峡大坝混凝土温度场，为分布式光纤传感技术用于堆石坝混凝土温度的监测提供了实验参考。丁睿等研究了分布式光纤传感器裂缝模型的研究，为堤坝的裂缝监测提供了实验依据。黄河水利科学研究院利用引进的Omnisens公司的分布式温度、应变测量系统正在开展堤坝工程的渗漏与应变监测工作。德国GTC公司同慕尼黑科技大学合作开展了光纤分析仪在土耳其Birecik 混凝土坝等工程都做了相关研究工作。

分布式光纤传感的传感单元不但具有抗射频、抗电磁干扰、防燃、防爆、耐腐蚀、耐高电压、耐电离辐射等特点，且具有大信号传输快捷、实时、动态和分布广的诸多优点。可以弥补堤防点式监测盲区的数据空缺，提高地方安全监测的可靠性和精度。

5.结语

从传统型到现代化，变形监测技术不断向高精度、连续性、高自动化程度发展，然而堤防工程的健康监测需要一个无损、精确、稳定、可靠、长期而又经济的安全监测系统。因此，当前堤防工程变形监测技术在自主研发、全自动化、成本控制等方面仍有较大提升空间。与此同时，堤防变形监测技术不仅要满足现实需求、适应长远发展需要，同时要在一定程度上与水文监测相结合，形成系统性的监测體系。

基金项目：江苏省水利科技项目（2019001）;江苏省科技厅创新能力建设计划-省属公益类科研院所自主科研经费项目（ BM2018028）

参考文献：

[1]苗则朗，徐卓揆，贺跃光.现代变形监测[M]北京：中国水利水电出版社，2020

[2]郭超.三维激光扫描数据处理及在矿区大坝沉陷监测中的应用研究[D]吉林大学，2014

[3]王维洋.无人机摄影测量快速建模技术及其工程应用[D]华北水利水电大学，2017

[4]黄其欢，岳建平，贡建兵.GBInSAR隔河岩大坝变形监测试验[J]水利水电科技进展，2016，36（03）：47-51

[5]张昊宇，周克勤，宋亚腾，李莉莉.基于新型FMCW地基合成孔径雷达的大坝变形监测[J]长江科学院院报，2017，34（12）：33-37+43

[6]刘龙龙.Fast-GBSAR在高原深切割地区大坝形变监测中的应用研究[D]兰州交通大学，2019

[7]岳建平，田林亚.变形监测技术与应用[M]北京：国防工业出版社，2014

[8]朱萍玉，张清明，王锐，李长征.堤防渗漏与形变在线监测及预警技术推广与应用[M]河南：黄河水利出版社，2020

[9]雷华.分布式光纤传感器监测堤坝渗漏与形变试验研究[D]湖南科技大学，2012

[10]朱萍玉，蒋桂林，冷元宝.采用分布式光纤传感技术的土坝模型渗漏监测分析[J]中国工程科学，2011，13（03）：82-85+96