滑坡一体化全维度监测预警技术进展与展望_程刚.pdf

第 卷 第 期 年 月中国安全科学学报 中文引用格式：程刚，王振雪，李刚强，等 滑坡一体化全维度监测预警技术进展与展望 中国安全科学学报，（）：英文引用格式：，（）：滑坡一体化全维度监测预警技术进展与展望程 刚，副教授，王振雪，李刚强 工程师，朱鸿鹄教授，施 斌教授（华北科技学院 计算机学院，河北 廊坊；南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京；南京大学（苏州）高新技术研究院，江苏 苏州；华北科技学院 矿山安全学院，河北 廊坊）中图分类号：文献标志码：.基金项 目：中 央 引 导 地 方 科 技 发 展 资 金 项 目（）；中 国 科 协 科 技 智 库 青 年 人 才 计 划 项 目（）；河北省自然科学基金面上项目资助（）；廊坊市科学技术研究与发展计划项目（）。文章编号：（）；收稿日期：；修稿日期：通信作者：李刚强（），男，山东枣庄人，硕士，工程师，主要从事矿山安全、应急管理与安全培训等方面研究。：。【摘 要】为应对我国复杂多变地质环境下工程活动与自然地质作用的叠加效应，突破单一化监测手段在表征滑坡灾变演化过程中的局限性，以实现滑坡隐患早期识别和灾害精准预警，首先概括性描述当前用于滑坡监测的天基、空基、地基与体基的天空地体一体化全维度监测预警技术的研究现状；然后从隐患早期识别与应急监测、多源多维一体化智能监测、新材料、新工艺交叉监测及基于分布式声学感测（）技术的海底滑坡监测等方面，总结近年来滑坡监测预警领域中理论、技术与应用方面取得的成果；最后基于多种监测技术的局限性，展望滑坡监测面临的挑战与发展趋势。研究表明：通过综述性对比滑坡一体化全维度监测预警技术，得出多种技术的适用条件和优缺点，然而由于这些技术的指标差异，往往会导致数据漏判与误判，未来应将研究重点聚焦于预警判据标准和系统建模方面。【关键词】滑坡灾害；天空地体一体化；全维度；监测预警；监测技术；隐患早期识别 ，（，；，；，；，）：，中国安全科学学报第卷年 ，（），：；引 言 我国幅员辽阔，地形地貌复杂多样，其中山地面积约占国土面积的.，且区域构造活动频繁，地质环境相对恶劣，是滑坡灾害较多的国家之一。据全国地质灾害通报，年全国共发生各类地质灾害 起、死亡 人，其中滑坡灾害 起，占地质灾害总数的.（图）。统计发现，这 年来滑坡灾害整体呈大幅下降趋势，但波动性仍相对较大，表明了滑坡灾害的监测预警与科学防治仍是当前充满挑战且亟需攻克的关键问题。图 年我国滑坡灾害统计 滑坡是指斜坡上的岩土体在重力作用下沿着软弱面（带）整体向下滑动的地质现象。滑坡通常是斜坡因降雨、地震、工程扰动等外界因素作用，引起其内部岩土体物理力学性质改变而产生失稳失衡的现象。一旦发生滑坡，可能造成重大人员伤亡和财产损失。滑坡监测作为滑坡灾害早期识别和预警的关键环节，受到国内外学者的广泛关注，其目的是利用各类监测手段即时获得滑坡表面和内部的物理和化学参量等特征信息，为正确分析评价、预警预报和治理滑坡提供可靠信息和重要依据。随着川藏铁路、雅下水电和“一带一路”等国家重大工程的相继建设与运营，人类工程活动和自然地质作用叠加效应不断增强，给上述区域的滑坡监测提出新的挑战。为精准厘清此类滑坡变形破坏机制，须从多维度、全空间、一体化的视角，实时获得滑坡变形状态信息，进而全面解译滑坡孕灾机制。鉴于此，笔者将从天、空、地、体 个层次，概括性描述当前滑坡监测技术现状，总结近年来我国在滑坡监测领域的理论、技术与应用方面取得的创新成果，并展望面临的挑战与发展趋势，以期为未来滑坡监测的研究与实践工作提供依据。滑坡天空地体全维度监测技术 世纪 年代，意大利土木工程部队开始滑坡监测研究，打开现代滑坡监测之门。早期的滑坡监测多依赖于观察地表物体变形、动植物表现以及水声气异常等定性手段。近 年来，随着信息技术与传统监测技术的深度融合，形成了多种可靠高效的滑坡监测方法技术，主要包括：全球定位系统（，）监测法、遥感监测法、合成孔径雷达干涉法、无人机测量法、三维激光扫描法、大地精密监测法、测量机器人法、钻孔测斜仪法、时域反射技术（，）、声发射法、光纤监测法等数十种定量监测技术，并建立了多类型滑坡的监测预警模型，有效降低第 期程刚等：滑坡一体化全维度监测预警技术进展与展望了滑坡灾害的发生次数与致灾效应。随着科技水平的不断发展与进步，特别是计算机与互联网技术的深度融合，推动滑坡监测从单一化技术方法到多元化方法的融合，从宏观到微观，从点到面再到体，从静态到动态的精细化实时。其中，基于天空地体一体化的滑坡监测技术已成为当前滑坡监测研究的创新方法，受到国内外学者的高度关注。天主要是指太空卫星遥感监测，空主要是指低空无人机监测，地主要是指滑坡地表监测，体主要是指滑坡地下监测（图）。图 天空地体一体化滑坡监测技术 .基于太空卫星遥感技术的滑坡天基监测 滑坡天基监测，主要是利用卫星遥感技术对滑坡表面的地貌特征和地物分布，以及温度、形变、植被、水文等要素进行遥测，这类技术主要包括全球导航卫 星 系 统（，）监测技术、热红外遥感、光学遥感、多光谱遥感、高 光 谱 遥 感 和 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量（，）等，其中 泛指所有卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的系统，全球目前主要有、全球卫星导 航 系 统（，）、北斗卫星导航系统（，）、伽利略卫星导航系统（，）大导航系统。系统主要由卫星星座、地表监控系统及接收机 部分组成。通过接收卫星向地表发射的电磁波信号，获取待测点的三维坐标，利用坐标差进行待测点位移计算。根据定位方式的不同，定位主要分为绝对定位和相对定位，该方法的主要缺点是易受大气和卫星轨道等因素的影响，从而使得监测结果产生一定的误差，而且无法获取滑坡深部变形的演化过程。朱建军等建立了基于滑坡有限元模型的 三维变形监测模型，通过分解卫星地面距离变化获取地表三维变化信息，进而识别滑坡隐患，有效解决了植被茂密、地形陡峭等因素对滑坡变形监测结果的影响。.基于航空观测技术的滑坡空基监测 滑坡空基监测，主要是利用近地航空器，特别是无人机、飞艇等，搭载测地摄影器和雷达等进行坡体图像采集。无人机根据起飞重量可划分为微型、轻型、小型、中型和大型，在滑坡监测过程中，基于便携性考虑，通常优选轻型无人机进行数据采集，利用中型无人机进行传感器的抛洒，在进行取水或表层土等样本时则需要选取大型无人机。随着高精度光学移动摄像技术和无人机技术的融合发展，小型无人机遥测在滑坡监测中取得广泛应用，其不仅拥有灵活性高、响应速度快、监测成本低等优点，还能弥补由于气象和时间等因素造成的成像困难、清晰度低和续航时间短等难题，同时还可解决地表摄像测量布点繁琐和视野有限等不足，尤其适用于中小型滑坡的监测。总之，空基监测技术主要是观测近地表的地貌与地物等，通过图像数据处理得到滑坡的三维模型，与天基监测技术相比，空基监测更接近地表，具有更高的探测空间分辨率，并可根据监测需要提高时间分辨率，因而适用于滑坡局部和环境因子的精细化监测，但仍存在无法监测滑坡地下深部地质体的缺点。.基于地表观测技术的滑坡地基监测 滑坡地基监测，主要是指在滑坡表面，利用地面标志物、观测站，观测滑坡局部区域内的地形、地物、环境因子及其变化特征，主要包括水准仪、全站仪、测量机器人、三维激光扫描仪、地基合成孔径雷达（，）、地球物理探测技术以及环境测量相关的传感器等（图）。该类技术主要适用于边界清晰的滑坡区域精细化测量，具有较高的测量精度和分辨率，且实时性较强，可较为准确地评价滑坡发生发展过程。近 年来，随着物联网与传感器技术的不断创新，滑坡地表监测技术与装备的智能化水平快速提升，形成一套集监测数据自动采集无线网络传输云平台实时处理于一体的滑坡地表监测预警预报系统。白正伟等研发了基于北斗的毫米级地表三维矢量变形实时智能监测技术与装备，将实时三维监测精度从厘米级提升至 ，可进行滑坡地中国安全科学学报第卷年图 滑坡地基一体化监测系统 表毫米级位移变化的实时监测，并将传感器成本从万元级降低至千元级，有效推动了滑坡地表变形实时监测技术的普适化发展。洪文等通过改进星载、机载雷达三维成像新技术，将地基 视场从小角度一维（）扩展为大视场三维（），填补了滑坡监测领域大视场地基 的技术空白，可用于滑坡全天候、大视场、高精度形变信息的实时获取。此外，许强等利用自主研发的采样频率自适应裂缝计和地质灾害实时监测预警系统，多次成功预警甘肃黑方台滑坡。等研发了滑坡多场动态关联监测与智能预测预警技术，并在长江三峡库区开展了示范应用，有力保障了我国重要水利工程的安全运营。.基于多源多场测量技术的滑坡体基监测 滑坡体基监测，主要是利用各种声光电磁技术，监测滑坡地下岩土体诸如温度、变形、水位、水质等物理状态的变化过程。目前常用的监测技术及传感器包括常规的埋入式传感器、钻孔测斜仪、仪、微 机 电 系 统（，）、磁电压电技术和微震技术等。上述技术中大都采用点式、金属器件传感器进行监测，由于传感器长期受滑坡地下渗流和变形的作用，常常造成其腐蚀失效；同时，单一监测手段获取的单一物理场（变形、渗流、温度、应力）数据往往具有一定的离散性，且未考虑多场耦合效应，从而难以对滑坡状态和演化发展趋势进行精准评估。近年来，光纤感测技术在滑坡中被广泛应用，为滑坡研究提供了海量的监测数据。国内外学者通过融合多种光纤感测技术开展滑坡地下多源多场监测，实现地下多源监测数据的感知与表征，以及多场间互馈关系的全面认知，为滑坡孕育机制判定与预警治理措施实施提供科学参考。、等融合超弱光纤光栅（，）、布里渊 光 时 域 反 射（，）、分 布 式 温 度 感 测（，）和分布式声学感测（，）等光纤感测技术，在三峡库区马家沟滑坡、新铺滑坡和藕塘滑坡开展了滑坡地下多源多场现场监测（图），通过大范围、精细化的光纤监测数据，完成了库岸滑坡运动模式及致灾机制的深度挖掘。图 滑坡地下多源多场监测 目前光纤感测技术应用于滑坡监测领域的主流商用化设备和各类型传感器，如图 所示。图 滑坡监测领域光纤感测设备及传感器 在基于地下多源多场测量技术的滑坡体基监测中，由于需要连续性监测滑坡地质体内部的物性和状态指标，因此，对传感器的鲁棒性、长期稳定性以及布设工艺要求较高。此外，监测结果的多解性对光纤感测技术在滑坡监测中的推广应用也会产生影第 期程刚等：滑坡一体化全维度监测预警技术进展与展望 响。为了更加明晰地展示出天空地体滑坡监测技术的互补优势，总结各类监测技术及其优缺点、适用条件，见表。表 天空地体一体化滑坡监测主要技术对比分析 监测技术原理适用条件优点局限性天空利用一组卫星实时获取监测站的位置适于较大区域内，滑坡不同变形阶段地表变形连续监测全天候实时监测、监测距离长、速度快、数据可靠性高监测站点选择自由度低、数据处理复杂利用 卫星获取滑坡影像，通过对其进行处理得到滑坡 三 维 地 形信息适于大区域滑坡边界划定、坡表沉降、裂缝、位移及动态演化的全覆盖式连续监测全天候、全时段实时监测、精度高、范围大选点困难、易受空间失相 关 和 大 气 延 迟 的影响无人机遥感无人机搭载相机，按照设计航线飞行拍摄，通过影像数据处理得到滑坡的三维模型适于小区域滑坡地貌与变化特征的三维快速测量；主要用于划定滑坡边界、识别地表结构异常和裂缝等精度 高、自 动 化、智 能化，且监测成本低续航时间有限，无法实时监测，恶劣天气下难以工作地表机器人测量通过自动全站仪和滑坡地表安置的棱镜对滑坡进行实时监测适于较小范围内，滑坡加速变形阶段前的坡体变形监测精度高，全自动实时监测，获取信息丰富监测周期长，受地形和气象限制，单台测量范围有限，多台成本高三维激光扫描通过发射和接收激光的时差获取被测对象表面的三维坐标数据适于滑坡不同变形阶段地表三维空间位移与沉降等地貌变形监测非接触性、快速性、主动性，实时获取的数据具有 高 密 度、高 精 度 等优点数据处理复杂、测量精度易受地表起伏和物体影响地基雷达在滑轨上运动并发射和接 收 微 波 信号，利用合成孔径雷达技术进行成像适于滑坡体不同变形阶段地表三维位移的全过程长期监测精度高，不受天气影响，测量面积广，可实现全天