智能監(jiān)測預警技術在堤防巡查中的應用
利用高科技手段精準識別堤防險情，減少人力巡堤的工作量和強度，提升巡堤效率，探索堤防運行的經(jīng)常性監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和處理堤防的險情隱患，能有效保障堤防的安全。利用無人機、衛(wèi)星、雷達等監(jiān)測手段構建智能監(jiān)測預警系統(tǒng)，根據(jù)科學的分析對堤防的安全狀態(tài)進行評價和預報，可以及早發(fā)現(xiàn)險情和維護堤防安全，為尋堤查險工作提供新的方法與技術。
河流、湖泊、水庫等的堤防穩(wěn)定不僅關系到水資源的調(diào)度，也關系到水利工程的安全運行。堤防滲水現(xiàn)象常出現(xiàn)在背水坡，是巡堤查險的重點對象。在梅雨季節(jié)，江河湖庫等受強降雨影響，水位急速上升，堤防受長時間高水位浸泡，不僅需要進行巡堤查險以保障堤防的安全，還需加大巡堤查險力度和頻次，以防發(fā)生滲水、塌方、失穩(wěn)等險情。
01智能監(jiān)測預警技術的必要性
（1）人工巡查耗費大量人力物力。人工巡查效率較低、費時費力且只能小范圍內(nèi)排查，一些隱秘或者人員不易涉足的區(qū)域容易被忽略，巡查能力有限，巡查結果易受巡查人員的影響，且人工巡查出險情往往是在險情發(fā)生后，存在一定的滯后性。
（2）傳統(tǒng)監(jiān)測手段監(jiān)測范圍小。傳統(tǒng)的巡查和測量手段，如水準儀、全站儀等，只能巡查和監(jiān)測小范圍內(nèi)部分點的變形信息，除存在費時費力易受測量人員影響的問題外，還存在不能全覆蓋監(jiān)測的缺陷。
（3）多監(jiān)測技術綜合應用能力不強。目前的測量新技術越來越多，但一些新技術在堤防巡查和監(jiān)測方面的應用仍然存在一些問題與挑戰(zhàn)，如何將多種測量手段獲取的多源數(shù)據(jù)進行有效整合，以充分利用各類監(jiān)測成果，是目前迫切需要解決的問題。
（4）缺少可靠的堤防背水坡滲水現(xiàn)象檢測與識別技術。目前的測量技術多側重于堤防變形監(jiān)測與變化檢測，對堤防滲水現(xiàn)象的超前預警與快速識別卻少有研究。
無人機、衛(wèi)星、雷達等監(jiān)測手段具有非接觸式綠色測量優(yōu)勢，不會對監(jiān)測目標造成二次影響與傷害，能最大限度減少對生態(tài)環(huán)境的影響。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)測量手段具有效率高、精度高等優(yōu)點。20世紀90年代，在長江三峽等大型水利水電工程中應用全球定位系統(tǒng)進行變形監(jiān)測，后續(xù)在各類水庫、大壩、堤防等變形監(jiān)測中得到廣泛應用。合成孔徑雷達技術（SAR）具有全天時、全天候、連續(xù)空間覆蓋、高度自動化、高精度和低成本等優(yōu)點，對表層土壤和植被具有一定的穿透能力，能夠反演土壤水含量，使堤防滲水預警成為可能。SAR技術能夠從面域獲取大面積地表沉降信息，其理論監(jiān)測精度可達亞厘米級，已在水庫、大壩、堤防等水利工程的變形監(jiān)測方面得到了廣泛應用。無人機技術、高光譜成像儀、GNSS測量手段、SAR技術均無法獲取水下的高程及河勢變化數(shù)據(jù)，而多波束全覆蓋測量技術實現(xiàn)了水下地形的全覆蓋掃測，其在水利工程建設、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用。但以上方法均無法對堤防內(nèi)部結構進行探測。探地雷達方法具有無損性、連續(xù)性、整體性、經(jīng)濟性和快速性，以及高分辨能力、較大探測深度和對場地環(huán)境有較大適應性等優(yōu)點，是探測堤防內(nèi)部結構隱患的最有效的方法之一。
02智能監(jiān)測預警技術的優(yōu)勢性
隨著衛(wèi)星傳感器技術、航空航天技術的發(fā)展，遙感技術在各行各業(yè)的應用中顯示出巨大的潛力。目前，衛(wèi)星遙感、無人機、探地雷達、多波束探測等手段相結合，構建覆蓋全國的智能監(jiān)測預警一體化水利感知網(wǎng)，成為堤防動態(tài)巡查、監(jiān)測和保護應用的行業(yè)共識。
無人機攝影測量技術、高光譜成像儀、GNSS、SAR技術、探地雷達和多波束探測技術均在水利行業(yè)得到廣泛的應用。
無人機傾斜攝影測量技術是國際測繪業(yè)近年逐漸發(fā)展起來的一項高新技術，它克服了傳統(tǒng)航空攝影測量技術僅使用單一角度獲取影像的缺點，通過分析多視角影像可制作更直觀、更真實的三維數(shù)字產(chǎn)品，在水土保持監(jiān)測、河道巡查與監(jiān)管、防洪抗旱減災、水利工程建設與管理等方面已得到廣泛的應用。該技術獲得的三維數(shù)據(jù)可以真實地反映地物的本來面貌，客觀再現(xiàn)地物的外觀、結構以及高度等屬性，可為堤防隱患排查提供更加詳細的信息。高光譜成像儀能夠獲取超高分辨率的高光譜影像，在地物識別方面具有獨特的優(yōu)勢，如果堤防背水坡發(fā)生滲水現(xiàn)象，則可利用滲水區(qū)域獨特的后向散射特征來提取滲水的位置與范圍。如果在無人機上同時安裝高清相機和成像光譜儀，則可獲取研究區(qū)域的高清影像和高光譜影像，因此能夠用于堤防滲水現(xiàn)象的檢測與識別及其穩(wěn)定性監(jiān)測。
探地雷達系統(tǒng)利用天線向被檢測物發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播時遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時，會反射并返回。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大時，反射的電磁波能量也越大。反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，由雷達主機精確記錄下反射回的電磁波的運動特征，再通過信號技術處理，形成全斷面的掃描圖，再通過對雷達圖像的判讀，判斷出目標物的實際結構情況。探地雷達圖通常以脈沖反射波的形式記錄，根據(jù)回波信號的時延、形狀及頻譜特性等參數(shù)，可解譯出目標的深度、介質(zhì)結構及性質(zhì)。探地雷達能夠檢測堤身內(nèi)是否有裂縫、空洞等問題，能夠?qū)Φ谭朗Х€(wěn)的原因進行分析。
多波束測深技術突破了傳統(tǒng)單波束測深技術的局限，具有測量快速、精確、范圍廣等優(yōu)勢，將測深技術從傳統(tǒng)的點狀、線狀延伸到面狀，并進一步發(fā)展到三維立體圖，因此水域地形測量技術發(fā)展到了一個更高的水準，因此其在水下地形的三維形態(tài)監(jiān)測中具有明顯優(yōu)勢。該技術能為堤防巡查與監(jiān)測提供水下地形資料，是對多種測量數(shù)據(jù)的最好補充。
無人機技術、高光譜成像技術、GNSS測量手段、SAR技術、探地雷達和多波束探測技術在空間和時間上各具特點與優(yōu)勢，結合各種監(jiān)測方法的優(yōu)勢來彌補各種方法的缺陷，合理規(guī)劃各種方法的使用范圍和頻次來獲取堤防的多種監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將多種監(jiān)測數(shù)據(jù)進行有效整合，不但能夠保證監(jiān)測精度、滿足行業(yè)需求，而且能夠極大地節(jié)省人力、物力、財力，多種新型監(jiān)測技術及其合理使用均具有較大的推廣價值。
03智能監(jiān)測預警技術方案分析
依據(jù)“宏觀（定性）-局部（定量）-細部（查因）”的隱患排查及變化分析原則，根據(jù)SAR影像的監(jiān)測結果進行堤防的全局動態(tài)探測，排查可能存在滲水等安全隱患的危險區(qū)域。使用無人機獲取的危險區(qū)域的三維影像和高光譜影像進行精細安全隱患排查，使用GNSS監(jiān)測危險區(qū)域中部分點的三維形變進行危險區(qū)域的定量變形分析，使用探地雷達探測堤防內(nèi)部結構確定堤防內(nèi)部是否存在安全隱患。根據(jù)多波束探測測量結果確定安全隱患與水下相關的成因，最終可根據(jù)全部測量結果確定危險區(qū)域的危險指數(shù)，分析其形成機理及可能的發(fā)展趨勢。
利用多維度的監(jiān)測方案，不僅可以降低尋堤查險的成本，還能快速排查出存在安全隱患的區(qū)域并及時進行處理，同時有效地全局把握堤防整體穩(wěn)定狀態(tài)?？傮w技術路線見圖1。
利用智能監(jiān)測預警技術開展巡堤查險的主要優(yōu)勢如下：
（1）可使用SAR和高光譜成像儀來檢測堤防背水坡滲水現(xiàn)象。使用SAR影像后向散射信息反演堤防土壤水含量，使用無人機載高光譜成像儀獲取危險區(qū)多光譜影像進而識別滲水現(xiàn)象。SAR影像能夠獲取大面積堤防土壤水含量信息，能夠?qū)Φ谭赖臐B水隱患進行全局預先排查，如果土壤含水量有異?，F(xiàn)象，說明堤防內(nèi)部可能已產(chǎn)生裂縫、空洞等，需對該地區(qū)重點關注，可利用探地雷達等方法檢測堤防內(nèi)部的結構是否發(fā)生變化。對于排查出的危險區(qū)，再使用無人機載高光譜成像儀獲取的多光譜影像識別出滲水現(xiàn)象，從而達到堤防滲水現(xiàn)象的預警與識別。
（2）可根據(jù)多種巡查和監(jiān)測方法的使用范圍及頻次進行合理規(guī)劃。利用常規(guī)的監(jiān)測方案對堤防隱患進行全面排查及穩(wěn)定性全覆蓋監(jiān)測，需要耗費大量的人力、物力、財力與時間。先使用SAR獲取大范圍地表土壤水含量和形變信息，預先識別出可能滲水的危險區(qū)域，再使用無人機、光譜成像儀、GNSS、探地雷達和多波束對危險區(qū)域進行三維監(jiān)測、高光譜監(jiān)測、堤身內(nèi)部結構檢測和水下地形測量。對于需加密巡查和監(jiān)測頻次的汛期，不僅可以降低尋堤查險的成本，能夠快速排查出存在隱患的區(qū)域并及時進行處理，而且還可以有效全面地把握堤防的整體穩(wěn)定狀態(tài)。
04結語
利用智能監(jiān)測預警技術，不僅可以實現(xiàn)堤防滲水失穩(wěn)現(xiàn)象及其穩(wěn)定性的整體定期排查，快速定位滲水或者失穩(wěn)區(qū)域，比傳統(tǒng)巡查和監(jiān)測方式節(jié)省了大量的人力、物力、財力，為堤防的巡查排險、防洪減災、開發(fā)利用、整治保護等工作提供了可靠的技術支撐。
版權來源 |《江蘇水利》2023年1月 作者單位 | 宋 峰1 ，江如春2 ，傅 政1 （1. 江蘇省淮沭新河管理處；2. 江蘇省江都水利工程管理處） 排版設計 | 數(shù)智海洋公眾號
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