[发明专利]一种冻土区地表形变连续自动监测装置

说明书

本发明公开了一种冻土区地表形变连续自动监测装置，应用于地理学与测绘领域，通过选择冻土区深钻孔作为参照点，利用高精度直线位移传感器测量周围地表相对于此参照点的高度变化，获取自然地表形变量，形变传感器通过电信号反应位移量，可使形变观测达到更高的精度，误差低至0.01mm级别；又因为传感器坚固耐用、环境适应能力强的特点，可以较好在冻土区这样环境恶劣复杂的地区进行长期监测任务；并基于物联网完成数据传输以及与传感器的采集通讯。该装置解决以往在冻土区监测形变精度差、时间分辨率低和代价高昂的问题，实现了地表形变高精度高时间序列持续监测与数据自动传输获取。

技术领域

本发明涉及地表形变量的监测，属于测绘、地理信息技术领域，尤其涉及一种冻土区地表形变连续自动监测装置。

背景技术

冻土区的地表具有以“冻胀融沉”为显著表征的地表形变现象，即冬季在水至冰呈冻结状态时，虽然压缩性变小并具有较高强度，但体积会膨胀，形成地面隆起和地基鼓胀；夏季在冰至水过程中岩土中冰屑的骨架支撑作用消失，体积缩小，压缩性增大，岩土体下沉陷落；此外，多年冻土上限一般存在地下冰，在当前气候变化影响下，地下冰融化会带来地表长期持续性融沉。因冻胀融沉的反复交替以及持续性融沉的发生，可使房屋、桥梁、涵洞等建筑沉陷、开裂、倾倒，铁路、公路凹凸不平甚至局部陷落，威胁冻土区的交通与运输安全。多年冻土区地表的冻胀融沉特征不仅与寒区工程密切相关，还是土壤冻融过程、冻土内部水热特征与气候变化的最敏感与直接的表征，因此长期持续监测冻土区地表形变具有重要意义。

目前冻土形变地面的监测方法有以下几种。1)水准测量，即通过工作人员实地观测，使用水准仪或全站仪等仪器，测量冻土地表的高程变化；2)GPS干涉反射测量技术(GPS-IR)，即从GPS接收机天线接收到的直射波和反射波信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)出发，分离出承载反射面物理信息的信噪比变化量(简称信噪比残差)，再由信噪比残差估计出反射波的振幅、频率和初始相位等干涉参数，最后由干涉参数求出高度变化即为地表变形；3)冻融管，即在冻土区用钻机打钻，钻孔中插入钢管，钢管漏出地表，再在钻孔钢管上套一个钢制格网架子和一个用以标记的刮刀，格网随着地表上升下降，在钢管上刮刀划出格网相对于钢管位置的改变；4)埋设沉降仪，在两断面的地基表面、基床底层、路基表面埋设沉降管，测试不同时期沉降管各点的沉降值，从而得到整个路基断面各点的沉降，或者在冻土上限埋设磁环沉降仪，观测冻土上限的变化及其引起的沉降。磁环式分层沉降仪主要由一根PVC沉降管、多个沉降磁环、测头、测试仪，以及连接测头和测试仪之间的钢尺电缆组成。采用磁环式分层沉降仪观测高填方场地地基沉降的工作过程是先在地基基岩上用钻机钻孔，然后清孔，将PVC沉降管按照在孔的中心部位，按设计要求在每节管子上套上磁环和定位环，并用螺丝固定定位环，把管子插入外接头内，拧紧螺丝，放到设计深度止，最后盖上盖子将地基土回填密实。埋设完成后，沉降磁环将会沿着沉降管随土体同步沉降。测量时，将测头放入导管内，手拿钢尺电缆，让测头缓慢地向下移动，当测头接触到磁环时，接收系统会发出蜂鸣声，这时测试人员从电缆上读出沉降管口对应的刻度，得到沉降磁环的沉降结果。但这些方法或者依赖人工实地获取，或者仪器昂贵，往往一次数据观测与采集都要花费大量的人力物力，数据获取间隔长，成本大。并且由于需要人为操作，其中带来的误差不可避免。或由于非接触性测量的原因，测量精度受天气或数据处理方法等因素的影响很大，无法满足精度需求。

由于现有的形变监测手段费时费力加之冻土区环境恶劣，国际上尚没有效的冻土区地表形变连续自动监测装置，尚没有一套完整的高时间序列与高精度的地表形变数据集。而形变不仅与寒区工程密切相关，还对冻土内部水热特征与气候变化与重要指针意义。在我国青藏高原与东北地区均有大量多年冻土分布，构建一种有效的地表形变连续自动监测装置至关重要。

发明内容

本发明目的是提供一种可以连续自动监测冻土区地表形变的装置，解决以往获取的数据时间分辨率低、精度差和代价高昂的问题，实现了数据的高时间序列持续监测与数据自动传输，降低了观测与采集的成本，同时也可避免人为操作的误差，使获取的数据更加真实准确。