基于空天地一体化的公路路基灾害隐患识别与服役状态监测是一种综合应用卫星遥感、无人机、地面监测等多种技术手段的监测体系，旨在实现对公路路基灾害隐患的识别与服役状态的全面监测。以下是对该体系的详细介绍：

一、体系概述

      空天地一体化监测体系通过综合利用不同空间尺度的监测手段，实现对公路路基及其周边环境的全方位、多层次、立体化监测。围绕早期识别、隐患排查、重点隐患监测3个层面开展工作。形成面-线-点、空-天-地协同的工作模式。这种监测方式基于以计算机技术、光电技术、网络通讯技术、测绘遥感科学、空间信息科学为基础，以北斗高精度定位技术为代表的全球卫星导航定位系统(GNSS)、合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术的雷达卫星遥感(RS)影像大地测量、三维可视化的地理信息系统(GIS)等为技术核心的综合性前沿科学，通过多源数据的融合分析，提高灾害隐患识别的准确性和监测预警的时效性。

二、监测内容

1、路基变形监测

      当路基长时间受到荷载和外部环境的影响时，会产生一系列的问题，如下沉、外挤、滑移以及塌陷等现象，这些问题统称为路基变形。为了确保道路的安全性和稳定性，在运营期间需要对路基进行持续的监测。我们需要对路堤和路堑的边坡变形、地基沉降以及过渡段沉降进行监测，同时还包括监测路基土壤的含水量变化。这种监测主要集中在以下几个方面：

（1）路堤和路堑边坡变形监测：通过持续监测路堤和路堑边坡的状态来评估其稳定性。这包括测量边坡的位移量、倾斜度以及裂缝的发展情况。

（2）路基沉降监测：利用卫星遥感技术来监测路基随时间的变化情况，特别是对于软土地基，需要密切关注其沉降速率，以防止过大的沉降导致路面损坏。

（3）过渡段沉降监测：桥梁与路基连接处（即过渡段）通常存在较大的沉降差异，因此需要特别关注这一区域的沉降情况，以保证桥路连接的安全稳定。

（4）路基土壤含水量变化监测：土壤含水量的变化会影响土体的力学性能，进而影响路基的稳定性。因此，监测土壤含水量的变化对于预测潜在的路基问题至关重要。

      针对土壤含水量的变化监测，可以采用先进的遥感技术，如利用合成孔径雷达（SAR）卫星的长波段全极化数据。通过解译数据处理，可以得到长距离和大范围内的土壤含水量数据信息。具体来说，SAR卫星能够在不同的天气条件下获取地表反射信号，通过分析这些信号的变化，可以解译出土壤含水量的变化趋势。这对于早期识别可能导致路基不稳定性的地区非常有用，从而为采取适当的维护措施提供依据。

2、结构健康监测

      在路基服役的过程中，多种因素会导致其性能逐渐劣化并最终影响到整个道路系统的安全性和耐久性。实时监测路基结构的应力、应变等状态参数，评估路基结构的健康状况和服役性能。这些因素主要包括水侵蚀、车辆高速行驶引起的振动、以及不良的排水系统等。以下是对这些因素及其对路基性能影响的介绍：

（1）水侵蚀

侵蚀过程：水侵蚀是指水流（如雨水、地表径流等）冲刷路基表面或渗透到路基内部的过程。长期的侵蚀作用会逐步破坏路基材料的结构完整性。

影响：侵蚀不仅会直接带走路基表面的材料，还会导致路基内部材料的流失，尤其是细颗粒物质，使得路基整体的稳定性下降。

结果：侵蚀严重时，会在路基表面形成沟槽或坑洞，进一步削弱路基的整体结构强度。

（2）车辆振动

振动来源：车辆高速行驶时，轮胎与路面接触会产生振动，尤其是在重型车辆经过时更为明显。

影响机理：振动会使得路基填料颗粒之间的相对位置发生变化，导致路基内部结构变得松散。

后果：长期受振动影响的路基会出现密实度下降，承载能力减弱，进而导致路基下沉等问题。

（2）排水不良

原因：路基排水系统设计不合理或维护不当，会导致雨水无法有效排出，从而滞留在路基内部。

含水异常病害：过多的水分会增加路基材料的体积，改变其物理性质，降低其承载能力和稳定性。

影响：含水量过高时，路基容易发生软化，甚至在重载车辆经过时出现局部塌陷或滑动。

（3）路基高架桥连接处异常

      路基与高架桥之间的连接部位（过渡段）是路基监测的重点之一，因为这里往往是路基变形最显著的地方。

异常表现：由于不同材料的物理特性差异，过渡段可能出现不均匀沉降，导致连接处出现裂缝或错位。

监测方法：通过对过渡段的沉降量、裂缝宽度和错位情况进行定期监测，可以及时发现潜在的问题。

3、路基沿线地质灾害隐患监测

       在公路建设和运营过程中，沿线地质条件的复杂性和不确定性给路基安全带来了严峻挑战。特别是在山区或者地质条件复杂的区域，路堑边坡、滑坡、崩塌落石和泥石流等自然灾害的发生往往会对路基造成严重影响。尽管一些路堑/堤边坡和路基沿线的山体边坡在宏观上可能没有表现出明显的变形或破裂迹象，但在强烈外力作用下，如地震、极端降水或其他荷载的影响下，仍然有可能引发灾害，对路基服役安全构成威胁。下面将详细介绍如何通过综合监测手段来提高对这些隐蔽性高、危害性大的地质灾害隐患的识别和预防能力。

（1）地质灾害隐患监测的重要性

       地质灾害隐患监测的主要目标是在灾害发生前及时发现潜在的风险点，以便采取相应的预防措施。这不仅可以减少人员伤亡，还可以最大限度地降低财产损失和社会影响。由于这些隐患往往具有一定的隐蔽性，传统的现场检查往往难以全面覆盖所有可能的风险点，因此需要借助现代技术手段进行更为全面和精准的监测。

（2）地质灾害隐患监测的具体内容

 1）路堑边坡监测

监测对象：重点监测位于不稳定岩土体上的路堑边坡。

监测指标：边坡的稳定性、裂缝发展情况、位移速度等。

 2）滑坡监测

监测对象：可能发生滑坡的区域，特别是那些地质条件复杂、地形陡峭的地段。

监测指标：地表位移、地下水位变化、裂缝扩展等。

3）崩塌落石监测

监测对象：位于不稳定岩体下方的路段，特别是那些有岩石松动迹象的区域。

监测指标：岩石裂缝发展、岩石移动速度等。

 4）泥石流监测

监测对象：易发生泥石流的流域或沟谷，特别是那些上游植被稀少、地形陡峭的区域。

监测指标：降雨量、土壤含水量、沟谷水流速度等。

5）采空区域监测

监测对象：路基的稳定性和采空区的沉降情况、桥梁与隧道结构的稳定性、边坡稳定性、周边环境变化情况。

监测指标：路基及周边地表的垂直位移、路基及边坡的水平位移、路基与边坡裂缝发展情况，地下水位变化、土壤含水量变化、桥梁墩台位移情况。   

6）人为活动监测

监测目的：采矿、采水、沿线施工等活动可能导致地面沉降，进而影响路基的稳定性。

监测内容：路基位移沉降（监测地面位移沉降的速度和范围），裂缝发展（监测裂缝的发展情况），地下水位变化（监测地下水位的变化，评估其对路基稳定性的影响）。

      路基沿线崩滑体可能会覆压路基，甚至冲毁路基。这类灾害隐蔽性强，危害性大，可以通过遥感技术建立地质灾害隐患识别体系。为了更有效地监测地质灾害隐患，需要采取综合监测策略，结合现场监测和遥感监测技术。如可以设立地面监测站点，用于监测位移、裂缝扩展等指标，并结合遥感技术进行宏观监测，实现从微观到宏观的全方位监测。

4、外部环境监测

      在高速公路建设和运营过程中，外部环境因素如降雨、河水位变化以及地震等自然事件对路基的稳定性构成了重大威胁。这些因素不仅能够直接导致路基的性能劣化，还可能诱发沿线山体、路堑及路堤边坡的变形，进而影响行车安全。因此，对这些外部环境信息的监测至关重要，有助于采取及时有效的应对措施。以下是对这些方面的介绍：

（1）降雨监测

监测目的：降雨是引起路基性能劣化的重要因素之一，特别是在浸水路基地段，过量的降雨会导致路基含水量急剧增加，从而降低其承载能力。

监测内容：降雨量(监测特定区域的降雨量，特别是短时强降雨的情况)。地表径流(监测地表径流的流向和流量，以防积水导致路基受损)。

(2)河水位变化监测

监测目的：河水位的骤升或骤降可能导致路基浸水或干燥，影响路基的稳定性。

监测内容：河水位(监测河水位的变化，特别是在汛期)。河流流量(监测河流的流量，以评估洪水风险)。

(3)地震监测

监测目的：地震会导致地表振动，可能引发山体滑坡、路堑和路堤边坡的变形。

监测内容：地震活动(监测地震发生的频率、震级和震源深度)。地面振动(监测地面振动的幅度和频率)。

三、路基灾害隐患识别与服役状态监测技术手段

       不同地区的地理环境对路基病害的形成和发展有着显著的影响。在高山峻岭地区，突发型灾害如地震和强降雨是路基病害的主要诱因，这些灾害往往具有较高的隐蔽性和极大的破坏力，且由于地形复杂，人们很难到达这些区域进行直接观测。而在丘陵地区，路基病害更多是由缓变型灾害引起的，如湖水位的变化和长时间的暴雨等，这些因素会导致路堤（堑）内部结构逐渐损伤，病害发展的过程比较缓慢，但分布广泛，规模相对较小，潜在的隐患不易被察觉。

       多次事故案例显示，大多数路基灾害并不发生在已知的灾害隐患点上，传统的依靠人工进行的巡视排查工作存在覆盖面窄、遗漏严重、工作效率低的问题，这使得路基病害难以得到及时准确的识别和判断。当路基病害已经发展到影响路基表面和结构的程度时，通常表明灾害已经非常严重了。此时，相关部门不得不采取车辆限速或禁止通行的措施来进行治理，这不仅会严重干扰正常的交通运输，还会带来巨大的经济损失。

       为了克服传统人工巡检和单一监测手段的局限性，我们构建了一个融合空基（利用光学遥感与SAR/InSAR技术）、天基（无人机搭载LiDAR及摄影测量设备）及地基平台（北斗高精度定位技术、地基SAR、探地雷达、气象监测、视频监控、物联感知设备等）的空-天-地一体化系统，旨在全方位识别路基灾害隐患并实时监测其服役状态。该系统通过区域到路段再到具体路域位置的分层次监测，实现从宏观面到具体线路，再到精确点的全方位覆盖，并借助星地协同工作机制，有效整合中长期与短时、实时监测预警功能，为路基病害防治策略的制定及监测预警资源的科学调配提供有力支持。

       路基灾害识别与服役性能监测朝多源技术协同化发展。交通行业关于防灾减灾的任务需求紧迫，需要回答路基灾害“隐患在哪”“什么时候发生”及“如何避免发生”等关键问题。仅依靠以往的人工巡视、大地测量手段等单一技术已经难以满足复杂孕灾环境下的路基安全服役监测需求。将光学卫星、SAR卫星/InSAR、机载LiDAR 、北斗/GNSS、地基SAR、探地雷达、气象监测、视频监控、地震监测、物联网感知等多手段、多平台技术进行综合交叉融合应用是未来发展方向，能够实现路基灾害“人防”+“技防”协同应用，保证交通（公路/铁路）营运安全。     

      基于空天地一体化的公路路基灾害隐患识别与服役状态监测是一个复杂的多学科交叉综合性的领域，它融合了先进的监测技术手段、数据处理技术和管理方法，目标是增强公路基础设施的安全性和持久性。未来的发展方向包括深化技术研究以提升监测数据的准确度和即时性，构建更加有效的数据共享与合作机制来实现多源数据的有效整合利用。此外，还需要注重专业人才的培养和团队建设，以推进监测预警工作的专业化和智能化进程。

       当前以北斗高精度定位技术为代表的全球卫星导航系统（GNSS）、合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）、物联网智能感知等技术是实现实时城市基础设施智能安全监测的重要手段，融合多种技术手段，实现自动化、全天候、高精度获取“从大尺度（大范围）到中尺度（区域）到小尺度（单体）”变形信息已经成为必然趋势。