基于變焦視覺位移監測儀

一、邊坡監測的概述

1.1 邊坡監測的背景

 我國(guo)地(di)域遼闊，地(di)形地(di)貌復雜多(duo)樣，隨著全球氣(qi)候變化加劇(ju)，極端氣(qi)候事件增多(duo)，以及(ji)人類工程活動對(dui)地(di)表結構的強烈擾動，導(dao)致邊坡(po)(po)失(shi)穩的風險日益增大(da)。邊坡(po)(po)失(shi)穩有(you)可能引發滑(hua)坡(po)(po)、崩塌、泥石(shi)流等地(di)質災害，對(dui)人民生命財產安全構成威脅。

 隨著中國(guo)經(jing)濟(ji)的(de)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)，公路(lu)、鐵(tie)路(lu)、水利、電力、礦(kuang)山等基礎設施建設越(yue)來越(yue)多，而邊坡(po)作為基礎設施的(de)重(zhong)要(yao)組(zu)成(cheng)(cheng)部分，其安全性和(he)穩定(ding)性直接關系到整個工程的(de)安全和(he)效益(yi)。近(jin)年來由于高(gao)速(su)公路(lu)邊坡(po)滑坡(po)災害(hai)引發(fa)的(de)事(shi)故頻繁發(fa)生，高(gao)速(su)公路(lu)滑坡(po)災害(hai)造成(cheng)(cheng)的(de)后果是不容小覷的(de)，輕(qing)則阻斷(duan)交通，重(zhong)則造成(cheng)(cheng)重(zhong)大(da)的(de)經(jing)濟(ji)損失和(he)人員傷亡(wang)。因此，邊坡(po)監測(ce)成(cheng)(cheng)為預(yu)防災害(hai)、保障生命財產安全的(de)重(zhong)要(yao)手段。

1.2 當前邊坡監測的不足

 傳統的(de)邊(bian)坡監測(ce)主要(yao)依靠人工巡(xun)查(cha)配合全(quan)站儀、水準儀等簡易設備(bei)，這些(xie)設備(bei)在(zai)實際應(ying)用中存在(zai)人工成本高(gao)、測(ce)量精度低、實時性差等較多不足(zu)，同(tong)時，由于施工現場環境復雜，存在(zai)一定的(de)安全(quan)隱患。

 ①高風(feng)(feng)險：人(ren)工監(jian)測需要現場進行測量和觀察(cha)，特(te)別是在(zai)一(yi)些高風(feng)(feng)險的邊坡(po)區(qu)域(yu)，人(ren)員安(an)全難(nan)以(yi)得(de)到保障。

 ②高成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)：人工監(jian)測需要耗費大(da)量的人力(li)和(he)(he)時間(jian)，成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)較高。同時，在一些偏遠地區或(huo)地形(xing)復雜的地區，人工監(jian)測的難度和(he)(he)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)也會增加。

 ③誤(wu)差較大(da)：人工監測容易受到人為因(yin)素和環境(jing)因(yin)素的影響，如天(tian)氣、地形(xing)等，導(dao)致測量(liang)誤(wu)差較大(da)，數據(ju)精度較低。

 ④難以持續監(jian)(jian)測：人工監(jian)(jian)測難以實現持續監(jian)(jian)測和實時預警，需要人員定期進行測量和觀(guan)察，無(wu)法(fa)及時發現和預警邊坡(po)失穩等(deng)問題。

 ⑤數據(ju)管理(li)和(he)分析難度大：人工監測獲取的數據(ju)難以實現(xian)有效(xiao)地管理和分析，難以對邊坡的狀態和趨勢進行全(quan)面的評估(gu)和預測。

 隨著(zhu)物(wu)聯網技(ji)術(shu)、傳(chuan)感器技(ji)術(shu)、機器視(shi)覺技(ji)術(shu)和大數據(ju)分析(xi)(xi)技(ji)術(shu)的(de)快速發(fa)展，邊坡監測(ce)手(shou)段從傳(chuan)統(tong)的(de)地面測(ce)量轉變為現代智能化、自動化監測(ce)系統(tong)，能夠實時、連續、準確地獲(huo)取邊坡變形信息。采(cai)用變焦視(shi)覺位(wei)移監測(ce)儀(yi)，加強(qiang)數據(ju)處理和分析(xi)(xi)能力，完善預警系統(tong)。

2. 基于變焦視覺位移技術的邊坡健康監測系統

2.1 設計依據

  Ø《建筑邊坡工程技術規(gui)范[附條文說明]》GB 50330-2013

  Ø 《建(jian)筑(zhu)邊坡工程鑒定與加固技術規范(fan)[附(fu)條文說明] 》GB 50843-2013

  Ø 《建筑結構檢測技術標準》GB/T 50344-2019

  Ø 《滑坡防治設(she)計規(gui)范》GB/T 38509-2020

2.2 主要監測內容設計

邊(bian)坡主(zhu)要監測內容設計(ji)包括以下幾個方面：

 ①表(biao)面位(wei)移(yi)(yi)監(jian)測(ce)(ce)：通過變(bian)(bian)焦視覺位(wei)移(yi)(yi)監(jian)測(ce)(ce)儀監(jian)測(ce)(ce)邊(bian)坡表(biao)面的水平(ping)位(wei)移(yi)(yi)和垂(chui)直(zhi)位(wei)移(yi)(yi)，通過定(ding)期測(ce)(ce)量(liang)各點的位(wei)置(zhi)變(bian)(bian)化，計算出邊(bian)坡表(biao)面的位(wei)移(yi)(yi)量(liang)，從(cong)而了解邊(bian)坡的變(bian)(bian)形情況，判斷其(qi)是否穩定(ding)。

 ②裂(lie)縫監(jian)(jian)測(ce)：裂(lie)縫是邊坡破壞(huai)的主要(yao)形式之(zhi)一，通過變焦視(shi)覺位(wei)移監(jian)(jian)測(ce)儀在裂(lie)縫兩端安裝測(ce)點靶標即可(ke)監(jian)(jian)測(ce)裂(lie)縫的位(wei)置、長度(du)、寬度(du)等，可(ke)以了解邊坡的裂(lie)縫發展情(qing)況。

 ③環(huan)境因素(su)監(jian)測：降(jiang)雨(yu)量(liang)、溫濕(shi)度(du)(du)、土壤含(han)(han)水率等也會(hui)影響邊坡的(de)穩定性，通過(guo)變(bian)焦視覺位移監(jian)測儀接入環(huan)境監(jian)測傳感(gan)器即可監(jian)測降(jiang)雨(yu)量(liang)、溫濕(shi)度(du)(du)、土壤含(han)(han)水率的(de)變(bian)化，無需網(wang)關(guan)、重(zhong)新拉(la)線(xian)，了解其對(dui)邊坡穩定性的(de)影響。

 ④視頻監測：當數據超出閾值時(shi)還可遠程(cheng)查看現場(chang)實時(shi)視頻畫面(mian)、下載歷史視頻，避免現場(chang)測點誤觸，導致上限預(yu)警。

 綜上所(suo)述，可通過(guo)(guo)變(bian)焦視覺位移監測(ce)儀直接或(huo)間接對邊坡完成監測(ce)。通過(guo)(guo)對邊坡進(jin)行全面地監測(ce)和分析(xi)，獲取邊坡的各(ge)項參數和變(bian)化情況(kuang)，判斷其穩定性和安全性，為災害預警(jing)和治理提供(gong)科學依(yi)據(ju)。

3.系統結構

系(xi)統主要由變焦視覺位移監(jian)測(ce)儀(yi)、編(bian)碼靶(ba)標(biao)(biao)(biao)、安銳云及多設(she)備終(zhong)端(duan)組(zu)成(cheng)。靶(ba)標(biao)(biao)(biao)自帶編(bian)碼信息，無需用戶標(biao)(biao)(biao)定設(she)置及調試，變焦視覺位移監(jian)測(ce)儀(yi)智能識別(bie)唯一靶(ba)標(biao)(biao)(biao)編(bian)號和對(dui)應的位移數(shu)據，通過自帶(dai)的(de)無線網絡上傳到云平臺，即(ji)可在終端(duan)獲取位移信息，實現結構(gou)位移的非接觸式測量。

4.測點設計布設

4.1 邊坡表面位移（水平位移、沉降）監測

（1）監測(ce)儀安裝在邊(bian)(bian)坡臺階上，這是(shi)監測(ce)邊(bian)(bian)坡滑(hua)動或(huo)坍塌最為理想(xiang)的(de)方(fang)向，但由于現場條(tiao)件有(you)限，一般臺階均為滑動面，無可(ke)靠(kao)穩定的區(qu)域安裝儀器，所(suo)以現場應用中，該安裝方式也應用較少。在邊(bian)(bian)坡遠離相對(dui)滑動面(mian)的(de)(de)(de)一端穩固(gu)的(de)(de)(de)地(di)方（若(ruo)沒有混(hun)凝(ning)土(tu)地(di)面(mian)，需(xu)先制作(zuo)邊(bian)(bian)長(chang)為600mm立方體混(hun)凝(ning)土(tu)基礎）安(an)裝變(bian)焦(jiao)視覺位移監(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)儀(yi)(yi)，在邊(bian)(bian)坡測(ce)(ce)(ce)(ce)點處(chu)安(an)裝好靶(ba)(ba)(ba)標(biao)(biao)，監(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)儀(yi)(yi)需(xu)要(yao)看到(dao)所有測(ce)(ce)(ce)(ce)點，靶(ba)(ba)(ba)標(biao)(biao)應盡量正對(dui)監(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)儀(yi)(yi)且靶(ba)(ba)(ba)標(biao)(biao)相互(hu)無遮擋，將變(bian)焦(jiao)視覺位移計上電后即可智能識別(bie)視野范圍內的(de)(de)(de)靶(ba)(ba)(ba)標(biao)(biao)，即可實(shi)現邊(bian)(bian)坡整排臺階的(de)(de)(de)水(shui)平位移、沉降的(de)(de)(de)自動化監(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)。監(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)儀(yi)(yi)為非(fei)接觸式測(ce)(ce)(ce)(ce)量，測(ce)(ce)(ce)(ce)點只需(xu)要(yao)安(an)裝靶(ba)(ba)(ba)標(biao)(biao)即可，無需(xu)拉(la)線布線安(an)裝傳(chuan)感器，節省勞(lao)動力、成本，方便快(kuai)捷，巡回(hui)掃描(miao)(miao)監(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)。若(ruo)需(xu)對(dui)某測(ce)(ce)(ce)(ce)點高頻采集，則其他測(ce)(ce)(ce)(ce)點巡回(hui)掃描(miao)(miao)會暫時停止。通過編碼(ma)靶(ba)(ba)(ba)標(biao)(biao)對(dui)邊(bian)(bian)坡的(de)(de)(de)表面(mian)位移監(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)，可以了解邊(bian)(bian)坡的(de)(de)(de)穩定性(xing)(xing)和安(an)全性(xing)(xing)。

（2）監(jian)測(ce)儀安裝(zhuang)(zhuang)在邊(bian)坡(po)(po)前(qian)方，該(gai)安裝(zhuang)(zhuang)方式(shi)對于邊(bian)坡(po)(po)較小、測(ce)點較為(wei)集(ji)中(zhong)，或者邊(bian)坡(po)(po)臺階無穩(wen)定區(qu)域的(de)情況(kuang)，運用也較為(wei)廣(guang)泛，可(ke)以選(xuan)擇在邊(bian)坡(po)(po)正前(qian)方（對面(mian)）穩(wen)固且視野開(kai)闊(kuo)的(de)地方安裝(zhuang)(zhuang)變(bian)焦視覺位(wei)移監(jian)測(ce)儀（無穩(wen)定地面(mian)需澆筑(zhu)砼基礎），無需現(xian)場(chang)人工調試，插(cha)電即可(ke)實(shi)現(xian)邊(bian)坡(po)(po)表面(mian)位(wei)移自(zi)動(dong)化監(jian)測(ce)，機器自(zi)動(dong)可(ke)識別變(bian)焦視野范圍內的(de)所有靶標。

 這(zhe)(zhe)種安裝方(fang)式也(ye)(ye)可(ke)以監(jian)測(ce)邊(bian)坡(po)的(de)水平位(wei)移、豎(shu)向位(wei)移，但其水平位(wei)移不是(shi)邊(bian)坡(po)正前方(fang)最不利(li)的(de)水平位(wei)移，而是(shi)左右(you)側的(de)位(wei)移（監(jian)測(ce)方(fang)向如圖所(suo)示），一(yi)般參考意義不大，但豎(shu)向位(wei)移也(ye)(ye)可(ke)直接(jie)反映出邊(bian)坡(po)的(de)實際位(wei)移，這(zhe)(zhe)種安裝方(fang)式一(yi)般選擇定焦版單斷(duan)面(mian)的(de)即可(ke)實現自動化監(jian)測(ce)，無需選擇高配(pei)版的(de)變焦監(jian)測(ce)功(gong)能，節省成本。

4.2 邊坡裂縫監測

 裂(lie)縫(feng)(feng)監(jian)(jian)測(ce)(ce)時(shi)，監(jian)(jian)測(ce)(ce)儀(yi)(yi)的(de)(de)安裝(zhuang)(zhuang)監(jian)(jian)測(ce)(ce)方(fang)向(xiang)建(jian)議與裂(lie)縫(feng)(feng)的(de)(de)發展方(fang)向(xiang)一致，這(zhe)樣監(jian)(jian)測(ce)(ce)的(de)(de)測(ce)(ce)點(dian)數量是(shi)最多(duo)的(de)(de)，且(qie)(qie)相對(dui)的(de)(de)監(jian)(jian)測(ce)(ce)精(jing)度(du)是(shi)最高的(de)(de)。若裂(lie)縫(feng)(feng)是(shi)水平時(shi)，一般監(jian)(jian)測(ce)(ce)儀(yi)(yi)安裝(zhuang)(zhuang)在(zai)邊坡(po)臺(tai)階(jie)穩固且(qie)(qie)視野開闊的(de)(de)地方(fang)（無(wu)穩定地面需(xu)澆筑砼(tong)基礎），若裂(lie)縫(feng)(feng)是(shi)垂直時(shi)，一般監(jian)(jian)測(ce)(ce)儀(yi)(yi)安裝(zhuang)(zhuang)在(zai)邊坡(po)正(zheng)前方(fang)或(huo)對(dui)面穩固的(de)(de)地方(fang)，盡(jin)量能看(kan)到裂(lie)縫(feng)(feng)所有(you)測(ce)(ce)點(dian)，然后(hou)在(zai)裂(lie)縫(feng)(feng)兩側安裝(zhuang)(zhuang)靶標，靶標應盡(jin)量正(zheng)對(dui)監(jian)(jian)測(ce)(ce)儀(yi)(yi)且(qie)(qie)靶標相互無(wu)遮擋，無(wu)需(xu)現(xian)場人(ren)工調試，插電即(ji)可實現(xian)邊坡(po)裂(lie)縫(feng)(feng)自動化監(jian)(jian)測(ce)(ce)，還可設(she)置高頻采(cai)集，獲取(qu)相應的(de)(de)振(zhen)動頻率。

4.3 邊坡環境監測

 變焦視(shi)覺位(wei)移(yi)監(jian)測儀(yi)可(ke)間接完成其他影響邊坡的(de)穩定性因素（降雨(yu)量、溫(wen)濕(shi)度、土壤含水率(lv)、土(tu)壓力(li)等），僅需(xu)在儀器接口接(jie)入環境監(jian)測傳感器（或其他(ta)監測項的傳感器）即可，無需外(wai)加(jia)網關采(cai)集器、重新拉線，實現環境監測和位移(yi)監測數據綜合分析(xi)，不同(tong)的(de)(de)角度剖析(xi)邊坡穩定(ding)性，更準確地評估(gu)邊坡的(de)(de)穩定(ding)性，從而采取有效的(de)(de)措施來預防地質(zhi)災害的(de)(de)發(fa)生。