王 俊

(江蘇省水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210017)

堤防是防洪減災(zāi)的主要水利工程措施，我國已建堤防超30萬km，大量堤段堤基條件和堤身質(zhì)量較差，存在不同程度的安全隱患，較易發(fā)生崩岸、坍岸、滲漏、管涌等險情[1]。因此，定期進行河道堤防巡視查險，有效監(jiān)測堤防安全穩(wěn)定，從而及時排查隱患十分必要。然而，利用常規(guī)的堤防巡視技術(shù)(如GPS監(jiān)測法、大地精密測量法、三維激光掃描技術(shù)等)，受人力、物力、財力等因素的限制，在巡視頻次、巡視指標(biāo)、巡視范圍上，往往無法滿足對沿岸堤防進行整體、有效、綜合量化監(jiān)測的要求，不能及時、準(zhǔn)確地了解和掌握堤防的運行狀況。因此，在現(xiàn)有技術(shù)背景下，亟需探索準(zhǔn)確、高效、低成本的堤防巡視查險方案，從而實現(xiàn)河道堤防的動態(tài)監(jiān)測、準(zhǔn)確分析、科學(xué)預(yù)判，提前發(fā)現(xiàn)存在的險情，并將其消滅于隱患階段。本文針對國內(nèi)外多類先進的監(jiān)測技術(shù)進行總結(jié)概述，在分析研究現(xiàn)狀和存在問題的基礎(chǔ)上提出用于堤防安全巡視查險的空地潛一體化監(jiān)測系統(tǒng)，為我國河道沿線堤防的現(xiàn)代化及科學(xué)化管理提供參考依據(jù)。

1 堤防巡視監(jiān)測新技術(shù)研究

近年來，越來越多的先進測繪技術(shù)應(yīng)用于我國的水利工程建設(shè)中，為我國水利信息化發(fā)展提供了較為科學(xué)和直觀的依據(jù)。其中，最具代表性的新型監(jiān)測技術(shù)如星載合成孔徑雷達干涉測量、無人機傾斜攝影、多波束測深、高精度GNSS測量等，在水利工程的施工、變形監(jiān)測、運行管理等工作中得到初步應(yīng)用。

1.1 合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)(InSAR)

大堤在施工和使用過程中，在內(nèi)力及外力的影響下產(chǎn)生空間上的位移，一旦變形超過其所能承受的范圍，就會有坍塌的危險[2]?？焖贉?zhǔn)確地獲取變形數(shù)據(jù)是保障堤防安全所需解決的關(guān)鍵問題之一?，F(xiàn)有巡視監(jiān)測方法主要有全站儀[3]、光纖應(yīng)變[4]、近景攝影測量[5]、GPS[6]、三維激光掃描[7]等，上述巡視方法面臨工作量大、安裝使用不便、易受環(huán)境影響等不足。合成孔徑雷達干涉測量利用微波合成孔徑雷達圖像(SAR)數(shù)據(jù)對地表重復(fù)觀測形成的微波(1mm～1m)相位差計算地表形變，精度可以達到毫米級。同時，其具有抗干擾和非接觸等優(yōu)點，已在邊坡、大壩等變形監(jiān)測領(lǐng)域得到應(yīng)用。國際上，意大利、德國、日本、西班牙、法國等國已經(jīng)實現(xiàn)了國土全覆蓋的InSAR動態(tài)監(jiān)測[8]，歐盟正在開展全區(qū)域的監(jiān)測。國內(nèi)多所知名高校及相關(guān)研究院所也開展了利用InSAR對水庫、大壩、堤防等水利工程進行變形監(jiān)測的研究，取得了一定的成效[9-11]。隨著衛(wèi)星硬件的不斷發(fā)展，重返周期會逐漸減小，空間分辨率也會越來越高，這為堤防大范圍巡視查險提供更可靠的數(shù)據(jù)源。

1.2 無人機傾斜攝影技術(shù)(UVA)

傾斜攝影測量技術(shù)作為一項測繪遙感領(lǐng)域發(fā)展起來的高新技術(shù)，是通過建立多個傳感器并利用垂直和傾斜的多個角度對地面情況進行拍攝，獲得的三維數(shù)據(jù)可以真實地反映地物的本來面貌，客觀再現(xiàn)了地物的外觀、結(jié)構(gòu)以及高度等屬性，其不僅可用于制作實景三維模型，且可以輸出DSM、DOM、DLG等數(shù)據(jù)成果[12]。同時，傾斜攝影測量技術(shù)具有高精度、大范圍等特點，可以在復(fù)雜場景下實現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)測繪處理。這種技術(shù)在水土保持監(jiān)測、河道監(jiān)測與監(jiān)管、防洪抗旱減災(zāi)、水利工程建設(shè)與管理等方面已得到廣泛的應(yīng)用。無人機傾斜攝影技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用具有其獨特的優(yōu)勢[13]，在堤防巡視查險及建設(shè)管理過程中，利用無人機實現(xiàn)低空遙感測繪及檢測，可以得到快速高效的精準(zhǔn)信息，依靠其較強的機動性，高清的圖像與GPS系統(tǒng)有效結(jié)合，能夠提供更為科學(xué)的分析依據(jù)，實現(xiàn)水利堤防工程區(qū)域的快速調(diào)查，提高堤防安全巡視的可靠性。

1.3 高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)

早在20世紀(jì)90年代，我國在長江三峽等大型水利水電工程中就應(yīng)用GPS進行變形監(jiān)測，后續(xù)在各類水庫、大壩、堤防等變形監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用，目前我國大多數(shù)研究都是基于GPS技術(shù)進行實際應(yīng)用。自1958年美國研制GPS以來，GNSS受到了世界廣泛關(guān)注[14]，由于其全球覆蓋的特性，成為各國研究的重點。近年來，隨著我國北斗導(dǎo)航定位技術(shù)的投入使用及完善，極大彌補了GPS在載止高度角較大情況下無法固定的情況[15]。GNSS觀測手段具有精度高、選點靈活方便、監(jiān)測站之間無需通視、自動化程度高、具備全天候作業(yè)條件等優(yōu)點[16]。北斗/GPS/GLONASS/GALILEO等相結(jié)合的多模組合監(jiān)測技術(shù)將大大提升測量的精度，從而為局部岸段的巡視查險提供更加可靠的數(shù)據(jù)源。

1.4 多波束全覆蓋掃測技術(shù)(MBSS)

堤防工程是我國大江大河防洪體系的重要組成部分，部分堤防由于河段地質(zhì)條件差、河流動力較強，在季節(jié)性洪水過程中易出現(xiàn)堤腳淘刷、堤身失穩(wěn)等安全問題。因此，為了維護堤防工程的安全穩(wěn)定，需對水下地形的變化進行不定期巡視監(jiān)測。水下地形的獲取主要利用單波束、多波束等水深測量設(shè)備獲取水體覆蓋的水底地形數(shù)據(jù)，并借助水深圖、等深圖等形式對其表達。多波束水下地形測量系統(tǒng)是由聲學(xué)儀器、GPS、姿態(tài)及航艏數(shù)字傳感器、計算機及配套軟件組成的高技術(shù)測深設(shè)備。與傳統(tǒng)單波束相比，多波束測深系統(tǒng)具有高分辨率、高精度和全覆蓋的特點，同時具有精確、高效、快捷和直觀等優(yōu)勢。多波束獲取的測深數(shù)據(jù)是對水下地形的高分辨率采樣，通常稱為“水下地形點云”，其獲取的數(shù)據(jù)不僅實現(xiàn)了水下地形的精細表達，且包含多類信息，可提高其評價的準(zhǔn)確性[17]。因此，在水利工程建設(shè)、水下地形測量、河勢變化監(jiān)測、水流場模擬等方面已得到了廣泛的應(yīng)用[18-19]。

2 空地潛一體化堤防安全巡視體系

為了對整體堤岸的穩(wěn)定性進行定期巡視查險，利用星載InSAR、無人機傾斜攝影等現(xiàn)代化測量手段，不僅可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定期更新，保證巡視成果的現(xiàn)勢性，且其精度可達毫米級，為沿岸堤防的隱患排查提供了更為先進的方法。同時，顧及堤防的穩(wěn)定性受多種因素的影響，通過單一巡視手段獲取數(shù)據(jù)無法有效地評估，故在大范圍巡視的基礎(chǔ)上輔以陸域、水下等多種局部定量測量技術(shù)，以便全方位、多角度地進行堤防巡視查險，從而形成空、地、潛一體化堤防安全巡視體系。

(1)空域主要利用星載合成孔徑雷達技術(shù)獲取河道堤岸的多景干涉圖，并進行多景干涉圖的合成及精度控制，進行流域、區(qū)域空間尺度的遠程巡視；利用低空傾斜攝影測量技術(shù)，開展對區(qū)域及局部尺度的堤岸相關(guān)監(jiān)測指標(biāo)的觀測，同時配合地基手段完成精細尺度的監(jiān)測目標(biāo)動態(tài)跟蹤，并進行應(yīng)對突發(fā)事件的數(shù)據(jù)采集。

(2)陸域地表移動監(jiān)測作為空基遙感監(jiān)測的配合和補充手段，實現(xiàn)流域、區(qū)域、局部不同尺度的精準(zhǔn)監(jiān)測，主要用于對重點堤岸變化量的精確定量分析，典型的技術(shù)手段如北斗定位、地面LiDAR掃描、土體的深層位移及分層沉降、探地雷達等。

(3)水下地形十分復(fù)雜且無法直觀查看，水域的監(jiān)測數(shù)據(jù)主要利用多波束測深系統(tǒng)獲取水下地形的全覆蓋數(shù)據(jù)，并利用無人測量船、側(cè)掃聲吶獲取淺水區(qū)域的地形數(shù)據(jù)，可用于河勢及堤岸的侵蝕變化監(jiān)測。

上述空、地、潛不同層次的觀測數(shù)據(jù)互相補充配合，并進行多源數(shù)據(jù)的校驗和融合，形成了立體多維的綜合堤防安全巡視體系，為堤岸演變分析提供數(shù)據(jù)支撐，并為隱患排查提供高精度的觀測數(shù)據(jù)服務(wù)。空、地、潛一體化堤防巡視體系如圖1所示。

圖1 空、地、潛一體化堤防安全巡視體系

3 基于空地潛一體化的多尺度巡堤方案

我國流域眾多，整體岸線較長，利用傳統(tǒng)的監(jiān)測方案進行堤防巡視查險，不僅需要耗費大量的人力、物力、財力，且作業(yè)周期較長，效率低下。多尺度巡堤方案是在基于空、地、潛不同時空分辨率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上遵循“宏觀-局部-細部”的遞進式監(jiān)測過程。首先，借助星載InSAR可進行堤防的大范圍巡視，排查可能存在的安全隱患的區(qū)域，然后借助GNSS、超低空無人機、高精度水準(zhǔn)等的局部數(shù)據(jù)用于特定陸域的巡視及變化分析，同時借助超高分辨率水下多波束測深數(shù)據(jù)用于局部岸段水下巡視探測，最后針對重點岸段采用高清視頻進行實時監(jiān)測。利用多尺度的巡堤方案，不僅可以降低堤防巡視的成本，有效地全局把握堤岸整體穩(wěn)定狀態(tài)，且能夠快速排查出存在隱患的區(qū)域并及時進行處理。

3.1 堤防大范圍巡視及隱患排查

為了實現(xiàn)大范圍長線程堤岸的快速巡視查險，利用星載合成孔徑雷達干涉測量獲取整體岸線的InSAR全覆蓋數(shù)據(jù)，通過InSAR時序分析監(jiān)測岸線的整體穩(wěn)定性變化。在一般情況下，InSAR干涉圖的空間覆蓋為100 km2×100 km2，利用圖幅之間的空間覆蓋關(guān)系，通過多圖幅的整體處理和精度控制，將時間覆蓋相同的測量結(jié)果進行綜合處理，實現(xiàn)岸線的整體快速獲取及形變場穩(wěn)定性分析，排查可能存在安全隱患的區(qū)域。

3.2 險工段及隱患段局部定量分析

在大范圍堤岸隱患排查的基礎(chǔ)上，借助超低空無人機及水下測深的局部數(shù)據(jù)進行險工段及隱患區(qū)域的局部巡視及變化分析，探查風(fēng)險區(qū)域的影響因子。同時，利用高精度水準(zhǔn)、GPS組網(wǎng)觀測、土體變形監(jiān)測等更精確的測量方式確定其成因及可能的發(fā)展趨勢。此外，針對隱患堤段的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可采用探地雷達進行無傷探測。特別是在汛期人工巡堤查險時，探地雷達探測仍然是判識堤防是否存在洞穴或裂縫的較高效的方法之一。

3.3 重點岸段的高清視頻監(jiān)測

在隱患排查及高頻次多尺度巡堤監(jiān)測的基礎(chǔ)上，還需針對重點岸段進行不間斷的實時監(jiān)控。近年來隨著國內(nèi)視頻技術(shù)的迅速崛起[20]，基于高清視頻的技術(shù)已初步在防汛、河務(wù)、水政、水文多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。高清視頻監(jiān)測方法，主要是通過對實時傳輸?shù)囊曨l進行預(yù)處理，實現(xiàn)對堤身裂縫及位移檢測，根據(jù)檢測出的裂縫及位移數(shù)據(jù)選擇是否報警。如果利用高清攝像頭對堤防建筑進行裂縫及位移識別，并結(jié)合大數(shù)據(jù)與機器學(xué)習(xí)設(shè)定閾值進行提前預(yù)警，將提高堤防搶險的反應(yīng)速度，有利于及時有效地部署搶險工作，從而大大減少損失。

基于空地潛一體化的多尺度巡堤方案如圖2所示。

圖2 基于空地潛一體化的多尺度巡堤方案

4 結(jié) 語

本文從我國堤防巡視查險現(xiàn)狀及實際管理需求出發(fā)，構(gòu)建了集成多類新型巡堤技術(shù)的空、地、潛堤防安全巡視體系，并在此基礎(chǔ)上提出多尺度巡堤方案。采用該巡堤方案不僅可以大幅降低人力、物力、財力的消耗，提高堤防巡視效率，而且能夠宏觀地掌握堤岸的現(xiàn)勢情況，進而從局部或細部視角對特定區(qū)域進行定量化監(jiān)測分析，以便及時準(zhǔn)確地探查崩岸險情，做到提前決策，及時應(yīng)對，可以大幅減少此類災(zāi)情對人民群眾生命財產(chǎn)安全的危害。所得成果提高了長岸線的現(xiàn)代化及科學(xué)化管理水平，也為防洪防汛工作提供了更加科學(xué)、合理的決策依據(jù)。