“空地潜一体化”技术在巡堤查险中的应用

王 俊

(江苏省水利科学研究院， 江苏 南京 210017)

堤防是防洪减灾的主要水利工程措施，我国已建堤防超30万km，大量堤段堤基条件和堤身质量较差，存在不同程度的安全隐患，较易发生崩岸、坍岸、渗漏、管涌等险情[1]。因此，定期进行河道堤防巡视查险，有效监测堤防安全稳定，从而及时排查隐患十分必要。然而，利用常规的堤防巡视技术(如GPS监测法、大地精密测量法、三维激光扫描技术等)，受人力、物力、财力等因素的限制，在巡视频次、巡视指标、巡视范围上，往往无法满足对沿岸堤防进行整体、有效、综合量化监测的要求，不能及时、准确地了解和掌握堤防的运行状况。因此，在现有技术背景下，亟需探索准确、高效、低成本的堤防巡视查险方案，从而实现河道堤防的动态监测、准确分析、科学预判，提前发现存在的险情，并将其消灭于隐患阶段。本文针对国内外多类先进的监测技术进行总结概述，在分析研究现状和存在问题的基础上提出用于堤防安全巡视查险的空地潜一体化监测系统，为我国河道沿线堤防的现代化及科学化管理提供参考依据。

1 堤防巡视监测新技术研究

近年来，越来越多的先进测绘技术应用于我国的水利工程建设中，为我国水利信息化发展提供了较为科学和直观的依据。其中，最具代表性的新型监测技术如星载合成孔径雷达干涉测量、无人机倾斜摄影、多波束测深、高精度GNSS测量等，在水利工程的施工、变形监测、运行管理等工作中得到初步应用。

1.1 合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)

大堤在施工和使用过程中，在内力及外力的影响下产生空间上的位移，一旦变形超过其所能承受的范围，就会有坍塌的危险[2]。快速准确地获取变形数据是保障堤防安全所需解决的关键问题之一。现有巡视监测方法主要有全站仪[3]、光纤应变[4]、近景摄影测量[5]、GPS[6]、三维激光扫描[7]等，上述巡视方法面临工作量大、安装使用不便、易受环境影响等不足。合成孔径雷达干涉测量利用微波合成孔径雷达图像(SAR)数据对地表重复观测形成的微波(1mm～1m)相位差计算地表形变，精度可以达到毫米级。同时，其具有抗干扰和非接触等优点，已在边坡、大坝等变形监测领域得到应用。国际上，意大利、德国、日本、西班牙、法国等国已经实现了国土全覆盖的InSAR动态监测[8]，欧盟正在开展全区域的监测。国内多所知名高校及相关研究院所也开展了利用InSAR对水库、大坝、堤防等水利工程进行变形监测的研究，取得了一定的成效[9-11]。随着卫星硬件的不断发展，重返周期会逐渐减小，空间分辨率也会越来越高，这为堤防大范围巡视查险提供更可靠的数据源。

1.2 无人机倾斜摄影技术(UVA)

倾斜摄影测量技术作为一项测绘遥感领域发展起来的高新技术，是通过建立多个传感器并利用垂直和倾斜的多个角度对地面情况进行拍摄，获得的三维数据可以真实地反映地物的本来面貌，客观再现了地物的外观、结构以及高度等属性，其不仅可用于制作实景三维模型，且可以输出DSM、DOM、DLG等数据成果[12]。同时，倾斜摄影测量技术具有高精度、大范围等特点，可以在复杂场景下实现高性能数据测绘处理。这种技术在水土保持监测、河道监测与监管、防洪抗旱减灾、水利工程建设与管理等方面已得到广泛的应用。无人机倾斜摄影技术在水利工程中的应用具有其独特的优势[13]，在堤防巡视查险及建设管理过程中，利用无人机实现低空遥感测绘及检测，可以得到快速高效的精准信息，依靠其较强的机动性，高清的图像与GPS系统有效结合，能够提供更为科学的分析依据，实现水利堤防工程区域的快速调查，提高堤防安全巡视的可靠性。

1.3 高精度全球导航卫星系统(GNSS)

早在20世纪90年代，我国在长江三峡等大型水利水电工程中就应用GPS进行变形监测，后续在各类水库、大坝、堤防等变形监测中得到广泛应用，目前我国大多数研究都是基于GPS技术进行实际应用。自1958年美国研制GPS以来，GNSS受到了世界广泛关注[14]，由于其全球覆盖的特性，成为各国研究的重点。近年来，随着我国北斗导航定位技术的投入使用及完善，极大弥补了GPS在载止高度角较大情况下无法固定的情况[15]。GNSS观测手段具有精度高、选点灵活方便、监测站之间无需通视、自动化程度高、具备全天候作业条件等优点[16]。北斗/GPS/GLONASS/GALILEO等相结合的多模组合监测技术将大大提升测量的精度，从而为局部岸段的巡视查险提供更加可靠的数据源。

1.4 多波束全覆盖扫测技术(MBSS)

堤防工程是我国大江大河防洪体系的重要组成部分，部分堤防由于河段地质条件差、河流动力较强，在季节性洪水过程中易出现堤脚淘刷、堤身失稳等安全问题。因此，为了维护堤防工程的安全稳定，需对水下地形的变化进行不定期巡视监测。水下地形的获取主要利用单波束、多波束等水深测量设备获取水体覆盖的水底地形数据，并借助水深图、等深图等形式对其表达。多波束水下地形测量系统是由声学仪器、GPS、姿态及航艏数字传感器、计算机及配套软件组成的高技术测深设备。与传统单波束相比，多波束测深系统具有高分辨率、高精度和全覆盖的特点，同时具有精确、高效、快捷和直观等优势。多波束获取的测深数据是对水下地形的高分辨率采样，通常称为“水下地形点云”，其获取的数据不仅实现了水下地形的精细表达，且包含多类信息，可提高其评价的准确性[17]。因此，在水利工程建设、水下地形测量、河势变化监测、水流场模拟等方面已得到了广泛的应用[18-19]。

2 空地潜一体化堤防安全巡视体系

为了对整体堤岸的稳定性进行定期巡视查险，利用星载InSAR、无人机倾斜摄影等现代化测量手段，不仅可以实现数据的定期更新，保证巡视成果的现势性，且其精度可达毫米级，为沿岸堤防的隐患排查提供了更为先进的方法。同时，顾及堤防的稳定性受多种因素的影响，通过单一巡视手段获取数据无法有效地评估，故在大范围巡视的基础上辅以陆域、水下等多种局部定量测量技术，以便全方位、多角度地进行堤防巡视查险，从而形成空、地、潜一体化堤防安全巡视体系。

(1)空域主要利用星载合成孔径雷达技术获取河道堤岸的多景干涉图，并进行多景干涉图的合成及精度控制，进行流域、区域空间尺度的远程巡视；利用低空倾斜摄影测量技术，开展对区域及局部尺度的堤岸相关监测指标的观测，同时配合地基手段完成精细尺度的监测目标动态跟踪，并进行应对突发事件的数据采集。

(2)陆域地表移动监测作为空基遥感监测的配合和补充手段，实现流域、区域、局部不同尺度的精准监测，主要用于对重点堤岸变化量的精确定量分析，典型的技术手段如北斗定位、地面LiDAR扫描、土体的深层位移及分层沉降、探地雷达等。

(3)水下地形十分复杂且无法直观查看，水域的监测数据主要利用多波束测深系统获取水下地形的全覆盖数据，并利用无人测量船、侧扫声呐获取浅水区域的地形数据，可用于河势及堤岸的侵蚀变化监测。

上述空、地、潜不同层次的观测数据互相补充配合，并进行多源数据的校验和融合，形成了立体多维的综合堤防安全巡视体系，为堤岸演变分析提供数据支撑，并为隐患排查提供高精度的观测数据服务。空、地、潜一体化堤防巡视体系如图1所示。

图1 空、地、潜一体化堤防安全巡视体系

3 基于空地潜一体化的多尺度巡堤方案

我国流域众多，整体岸线较长，利用传统的监测方案进行堤防巡视查险，不仅需要耗费大量的人力、物力、财力，且作业周期较长，效率低下。多尺度巡堤方案是在基于空、地、潜不同时空分辨率数据的基础上遵循“宏观-局部-细部”的递进式监测过程。首先，借助星载InSAR可进行堤防的大范围巡视，排查可能存在的安全隐患的区域，然后借助GNSS、超低空无人机、高精度水准等的局部数据用于特定陆域的巡视及变化分析，同时借助超高分辨率水下多波束测深数据用于局部岸段水下巡视探测，最后针对重点岸段采用高清视频进行实时监测。利用多尺度的巡堤方案，不仅可以降低堤防巡视的成本，有效地全局把握堤岸整体稳定状态，且能够快速排查出存在隐患的区域并及时进行处理。

3.1 堤防大范围巡视及隐患排查

为了实现大范围长线程堤岸的快速巡视查险，利用星载合成孔径雷达干涉测量获取整体岸线的InSAR全覆盖数据，通过InSAR时序分析监测岸线的整体稳定性变化。在一般情况下，InSAR干涉图的空间覆盖为100 km2×100 km2，利用图幅之间的空间覆盖关系，通过多图幅的整体处理和精度控制，将时间覆盖相同的测量结果进行综合处理，实现岸线的整体快速获取及形变场稳定性分析，排查可能存在安全隐患的区域。

3.2 险工段及隐患段局部定量分析

在大范围堤岸隐患排查的基础上，借助超低空无人机及水下测深的局部数据进行险工段及隐患区域的局部巡视及变化分析，探查风险区域的影响因子。同时，利用高精度水准、GPS组网观测、土体变形监测等更精确的测量方式确定其成因及可能的发展趋势。此外，针对隐患堤段的复杂内部结构，可采用探地雷达进行无伤探测。特别是在汛期人工巡堤查险时，探地雷达探测仍然是判识堤防是否存在洞穴或裂缝的较高效的方法之一。

3.3 重点岸段的高清视频监测

在隐患排查及高频次多尺度巡堤监测的基础上，还需针对重点岸段进行不间断的实时监控。近年来随着国内视频技术的迅速崛起[20]，基于高清视频的技术已初步在防汛、河务、水政、水文多个领域得到应用。高清视频监测方法，主要是通过对实时传输的视频进行预处理，实现对堤身裂缝及位移检测，根据检测出的裂缝及位移数据选择是否报警。如果利用高清摄像头对堤防建筑进行裂缝及位移识别，并结合大数据与机器学习设定阈值进行提前预警，将提高堤防抢险的反应速度，有利于及时有效地部署抢险工作，从而大大减少损失。

基于空地潜一体化的多尺度巡堤方案如图2所示。

图2 基于空地潜一体化的多尺度巡堤方案

4 结 语

本文从我国堤防巡视查险现状及实际管理需求出发，构建了集成多类新型巡堤技术的空、地、潜堤防安全巡视体系，并在此基础上提出多尺度巡堤方案。采用该巡堤方案不仅可以大幅降低人力、物力、财力的消耗，提高堤防巡视效率，而且能够宏观地掌握堤岸的现势情况，进而从局部或细部视角对特定区域进行定量化监测分析，以便及时准确地探查崩岸险情，做到提前决策，及时应对，可以大幅减少此类灾情对人民群众生命财产安全的危害。所得成果提高了长岸线的现代化及科学化管理水平，也为防洪防汛工作提供了更加科学、合理的决策依据。