滑坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展

馮 春，張 軍，李世海，許利凱

（1.中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190；2.重慶市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，重慶 400015）

0 引言

我國(guó)是滑坡災(zāi)害的多發(fā)國(guó)家，以2009年為例，共發(fā)生滑坡6657起，占當(dāng)年地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的61.4％［1］。2010年 1月 ～6月，全國(guó)共發(fā)生滑坡14614起，占同期地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的74.7％［2］?；聻?zāi)害往往造成人員傷亡，道路掩埋，房屋損毀，嚴(yán)重威脅著國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

為減少滑坡災(zāi)害帶來的嚴(yán)重危害，科學(xué)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是關(guān)鍵。目前的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型大都基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如齋藤模型、晏同珍模型、GM（1，1）灰色預(yù)測(cè)模型、卡爾曼濾波分析方法、BP/RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等［3-4］。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性及全面性，直接影響著滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)成果的可靠性、真實(shí)性。

滑坡的發(fā)生、發(fā)展、演化過程，伴隨著大量宏觀可測(cè)物理信息的改變，如地表位移、深部位移、地表傾角、巖土體壓力、聲發(fā)射等。通過實(shí)時(shí)捕捉上述物理信息，可以建立其與滑坡成災(zāi)演化階段的映射關(guān)系，進(jìn)而為滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在眾多可測(cè)物理量中，地表位移及深部位移因其能直接反映滑坡體的當(dāng)前狀態(tài)，其變形趨勢(shì)又與滑坡體所處階段存在良好的映射關(guān)系，且位移量施測(cè)相對(duì)簡(jiǎn)單方便，因而工程界普遍利用位移監(jiān)測(cè)對(duì)滑坡體的安全狀況進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。

文章將地表位移監(jiān)測(cè)技術(shù)及深部位移監(jiān)測(cè)技術(shù)按其施測(cè)方式分為測(cè)點(diǎn)型、測(cè)線型及測(cè)面型三大類，并簡(jiǎn)述了各自的基本原理及適用范圍。

1 地表位移監(jiān)測(cè)技術(shù)

地表位移監(jiān)測(cè)技術(shù)按其施測(cè)方式可以分為測(cè)點(diǎn)型、測(cè)線型及測(cè)面型等三大類。

1.1 測(cè)點(diǎn)型

測(cè)點(diǎn)型技術(shù)主要關(guān)注兩個(gè)點(diǎn)之間相對(duì)位移的變化，通過在滑坡體表面布設(shè)大量測(cè)點(diǎn)型監(jiān)測(cè)儀器，也可以監(jiān)測(cè)滑坡體某條線及面的位移狀況。測(cè)點(diǎn)型的設(shè)備精度較高，適合于精確探測(cè)滑坡體關(guān)鍵點(diǎn)位的位移狀況，為坡體穩(wěn)定狀態(tài)精確分析提供依據(jù)。測(cè)點(diǎn)型的設(shè)備主要包括GPS、全自動(dòng)全站儀、拉線式地表位移計(jì)等。

（1）GPS：全球定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，通過導(dǎo)航衛(wèi)星與地面接收機(jī)之間的信號(hào)交互可以獲知地面測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位移量。其監(jiān)測(cè)精度依賴于衛(wèi)星上的銫原子鐘，依賴于測(cè)量區(qū)域的組網(wǎng)方式及數(shù)據(jù)解算方法，依賴于GPS點(diǎn)同時(shí)接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星的數(shù)量。此類方法受天氣影響較大，雨霧天氣一般無法施測(cè)。GPS在滑坡地表變形監(jiān)測(cè)中已廣泛使用［5-8］，連續(xù)監(jiān)測(cè)精度（平差以后）可以達(dá)到毫米量級(jí)。此類方法功耗較大，野外作業(yè)需配備大型太陽(yáng)能電池板及蓄電池，一旦系統(tǒng)斷電且未能及時(shí)恢復(fù)，由于缺少斷電期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度將大打折扣。

（2）全自動(dòng)全站儀：俗稱測(cè)量機(jī)器人，由傳統(tǒng)全站儀集成步進(jìn)馬達(dá)、CCD影像傳感器構(gòu)成的視頻成像系統(tǒng)，并配置智能化的控制及應(yīng)用軟件發(fā)展而形成的。利用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行滑坡地表變形的測(cè)量已在多個(gè)滑坡實(shí)地應(yīng)用［9-11］，施測(cè)時(shí)只需第一次進(jìn)行學(xué)習(xí)測(cè)量，以后可根據(jù)學(xué)習(xí)記錄自動(dòng)定位對(duì)焦到預(yù)設(shè)測(cè)點(diǎn)。與GPS技術(shù)相比，測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)的點(diǎn)更多、速度更快。其缺點(diǎn)是需要地面通視、受外界條件的影響更大（如雨天、霧天不能觀測(cè)）、隨距離的增加精度降低較快等。

（3）拉線式地表位移計(jì)：在固定點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間通過鋼線相連，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鋼線的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)傳感探頭中角度傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)，線位移信息通過角位移記錄下來，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)無線傳輸至遠(yuǎn)程終端。雖然此類方法只能測(cè)量沿著鋼線方向的相對(duì)變形，且監(jiān)測(cè)精度易受鋼線長(zhǎng)度及野外溫度影響，但此類設(shè)備安裝方便、量程大（可以監(jiān)測(cè)幾米到十幾米的位移），且受天氣影響小，雨、霧天氣均可施測(cè)。拉線式地表位移計(jì)已在重慶市萬州區(qū)、北碚區(qū)、開縣、銅梁縣等區(qū)縣廣泛使用［12-13］。

1.2 測(cè)線型

測(cè)線型技術(shù)主要關(guān)注一條線上各點(diǎn)的變形狀況，此類設(shè)備的信號(hào)傳輸線就是數(shù)據(jù)傳感元件。與測(cè)點(diǎn)型設(shè)備相比，此類設(shè)備可以查明測(cè)線范圍內(nèi)任意位置的變形狀況，且傳感線路布設(shè)方便，但監(jiān)測(cè)精度比測(cè)點(diǎn)型的設(shè)備低。

BOTDR技術(shù)：布里淵散射光時(shí)域反射測(cè)量計(jì)的縮寫，典型的滑坡地表位移測(cè)線型監(jiān)測(cè)技術(shù)。其基本原理是利用光纖中的自然布里淵散射光的頻移變化量與光纖所受的軸向應(yīng)變之間的線性關(guān)系，得到光纖的軸向應(yīng)變，進(jìn)而求得軸向位移。此類方法雖然可以給出測(cè)線上任意位置的變形情況，但且由于距離分辨率的存在，所給出的任意位置的位移是該位置附近一個(gè)距離分辨率內(nèi)位移的平均值，因此對(duì)裂縫等突變位移變化不敏感。該項(xiàng)技術(shù)在滑坡地表變形監(jiān)測(cè)中有所應(yīng)用［14-15］，但大規(guī)模使用尚未見報(bào)道。

1.3 測(cè)面型

測(cè)面型技術(shù)主要指從空中進(jìn)行遙測(cè)的各類監(jiān)測(cè)儀器及施測(cè)技術(shù)，包括低空航拍技術(shù)，InSAR技術(shù)等。測(cè)面型的精度較測(cè)點(diǎn)型及測(cè)線型的低，但由于可以掌控整個(gè)滑坡的總體變形情況，普遍用于滑坡地表宏觀調(diào)查、成災(zāi)區(qū)域的確定等。

（1）低空航拍技術(shù)：通過無人飛機(jī)在低空的拍攝，形成當(dāng)前狀態(tài)下的影像數(shù)據(jù)，并與前次航拍得到的數(shù)據(jù)資料對(duì)比，參考相應(yīng)的地標(biāo)，從而給出滑坡體各點(diǎn)的變形情況。該技術(shù)的監(jiān)測(cè)精度只能達(dá)到厘米量級(jí)，且無人飛機(jī)操作復(fù)雜，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量［16］。

（2）InSAR技術(shù)：合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)是以同一地區(qū)的兩張SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖像，然后經(jīng)相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)的空間對(duì)地觀測(cè)新技術(shù)。合成孔徑干涉雷達(dá)具有全天候工作能力，具體測(cè)量方式包括衛(wèi)星、機(jī)載及地面測(cè)量等三種。與離散點(diǎn)測(cè)量技術(shù)相比，其測(cè)量結(jié)果具有連續(xù)的空間覆蓋優(yōu)勢(shì)，但要想獲得具有良好相關(guān)性的干涉圖有賴于季節(jié)和天氣條件，潮濕的天氣和高植被覆蓋率會(huì)明顯影響其相關(guān)性［17-18］。

2 深部位移監(jiān)測(cè)技術(shù)

深部位移監(jiān)測(cè)技術(shù)按其施測(cè)方式可以分為測(cè)點(diǎn)型、測(cè)線型等兩類。

2.1 測(cè)點(diǎn)型

鉆孔測(cè)斜儀及拉線式深部位移計(jì)是典型的測(cè)點(diǎn)型深部位移監(jiān)測(cè)技術(shù)。此類技術(shù)以固定探頭或可動(dòng)探頭為傳感元件，通過探頭感知測(cè)點(diǎn)位置位移的變化。

（1）鉆孔測(cè)斜儀：分為移動(dòng)式及固定式兩種。移動(dòng)式測(cè)斜儀需在測(cè)量管內(nèi)安裝導(dǎo)軌，每次測(cè)量時(shí)，通過帶有傾角傳感器的活動(dòng)探頭自上而下從導(dǎo)軌內(nèi)部劃過，逐點(diǎn)記錄各測(cè)點(diǎn)的角度變化量，并最終計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的側(cè)向位移。固定式鉆孔測(cè)斜儀在測(cè)管的特定位置埋設(shè)傾角傳感器，通過相鄰兩個(gè)傾角傳感器之間傾角的改變，計(jì)算出兩測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位移。移動(dòng)式測(cè)斜儀通過探頭在導(dǎo)軌內(nèi)的移動(dòng)可以精確探測(cè)每一測(cè)點(diǎn)的傾角變化，進(jìn)而給出更符合實(shí)際的深部位移曲線，但此種測(cè)斜儀無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；固定式測(cè)斜儀由于傳感器只布設(shè)在有限的幾個(gè)測(cè)點(diǎn)上，一般只能給出測(cè)點(diǎn)間相對(duì)位移的變化，主要用于捕捉滑動(dòng)面位置，但此種測(cè)斜儀能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。測(cè)斜儀已經(jīng)在滑坡體深部位移監(jiān)測(cè)中廣泛應(yīng)用［19-20］，但當(dāng)深部位移較大或滑面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)時(shí)，移動(dòng)式測(cè)斜儀的探頭容易發(fā)生卡位現(xiàn)象，而固定式測(cè)斜儀的傳感器無法反映過大的角度變化，因此上述兩種測(cè)斜儀均無法繼續(xù)施測(cè)。

（2）拉線式深部位移計(jì)：拉線的一端固定在測(cè)管內(nèi)壁的特定位置，另一端從測(cè)管內(nèi)部延伸至地表，并繞過角位移傳感器與一重物相連。深部測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)位移時(shí)，測(cè)管發(fā)生傾斜變形，固定在測(cè)管內(nèi)壁的鋼線也發(fā)生位移，進(jìn)而帶動(dòng)鋼線整體出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)信息被地表的角位移傳感器記錄，從而解析出深部某一點(diǎn)的側(cè)斜位移情況。如在測(cè)管內(nèi)每隔一定間距設(shè)置上述鋼線，則可和固定式測(cè)斜儀一樣，對(duì)兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)位移進(jìn)行捕捉，并可就此判斷出滑面的位置，由于鋼線價(jià)格低廉，與固定式測(cè)斜儀相比，可以在測(cè)管內(nèi)布設(shè)更多的鋼線，從而提高了精度。更為重要的是，當(dāng)坡體深部出現(xiàn)大位移或者滑面錯(cuò)動(dòng)較大距離，甚至測(cè)管被錯(cuò)斷后，拉線式深部位移計(jì)仍然可以通過拉線距離的變化準(zhǔn)確得出坡體內(nèi)部各點(diǎn)的側(cè)移情況?；诶€式深部位移計(jì)的基本原理，此類儀器的量程可以達(dá)到幾米至十幾米。此種傳感器已在重慶市的曬網(wǎng)壩滑坡、涼水井滑坡、西泉街滑坡等成功應(yīng)用［21］。

2.2 測(cè)線型

測(cè)線型監(jiān)測(cè)技術(shù)主要指通過分布式的傳感元件，準(zhǔn)確探測(cè)出測(cè)線內(nèi)任意點(diǎn)的側(cè)向位移情況。TDR技術(shù)是最典型的測(cè)線型深部位移監(jiān)測(cè)技術(shù)。

TDR技術(shù)：時(shí)域反射技術(shù)的簡(jiǎn)稱，應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)時(shí)，TDR系統(tǒng)采用廉價(jià)的同軸電纜作為傳感器來確定滑坡的剪切面或形變區(qū)域。TDR系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是可以快速采集到數(shù)字測(cè)量結(jié)果并傳送至接收端，從而實(shí)現(xiàn)滑坡監(jiān)測(cè)的智能化。但是，TDR系統(tǒng)不能用于監(jiān)測(cè)只存在傾斜不存在剪切作用的區(qū)域（即剛體轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域），且無法確定滑坡移動(dòng)的方向。TDR技術(shù)在滑坡中已經(jīng)有應(yīng)用實(shí)例，但大規(guī)模應(yīng)用未見報(bào)道［22-23］。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化傳輸技術(shù)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是滑坡監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)保證了數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時(shí)性，為判斷當(dāng)前滑坡體所處的安全狀態(tài)及進(jìn)行臨滑預(yù)報(bào)提供了準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)。

地表位移及深部位移的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電學(xué)量后，通過模-數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并以GSM方式、GPRS方式、3G方式或北斗導(dǎo)航衛(wèi)星通訊方式發(fā)送至遠(yuǎn)程終端。

GSM方式：GSM是全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，是第二代移動(dòng)通許技術(shù)（2G）。以GSM方式進(jìn)行信息傳輸，主要通過短信形式。數(shù)據(jù)采集儀定時(shí)采集數(shù)據(jù)后，會(huì)通過內(nèi)置手機(jī)卡將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以短信形式（文本）傳輸至遠(yuǎn)程終端。終端通過GSM MODEM接收短信，并送入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

GPRS方式：GPRS（2.5G）是通用分組無線服務(wù)技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是GSM的延伸和拓展，屬2.5代移動(dòng)通許技術(shù)（2.5G），其傳輸速率是GSM的10倍以上，理論峰值在120kbps左右。以GPRS方式進(jìn)行傳輸時(shí)，將基于TCP/IP協(xié)議，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以封包方式發(fā)送至遠(yuǎn)程終端［24］。

GSM方式是一種離線式數(shù)據(jù)傳輸方式，每次傳輸均需撥通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。GPRS方式是一種在線式數(shù)據(jù)傳輸方式，GPRS模塊上電后，自動(dòng)登錄到GPRS網(wǎng)絡(luò)，并長(zhǎng)期附在網(wǎng)絡(luò)上，不需要撥號(hào)上網(wǎng)的時(shí)間［25］。

3G傳輸方式：第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3G），是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù)。3G服務(wù)能夠同時(shí)傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，下行速度峰值理論可達(dá)3.6Mbit/s，上行速度峰值也可達(dá)384kbit/s。目前3G存在四種標(biāo)準(zhǔn)：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。3G技術(shù)的興起，為滑坡災(zāi)害地表位移的視頻監(jiān)控及遠(yuǎn)程傳輸帶來了希望，也為海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的快速傳輸提供了技術(shù)支撐。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星通訊方式：在移動(dòng)通訊設(shè)施不發(fā)達(dá)地區(qū)，采用北斗衛(wèi)星通訊技術(shù)進(jìn)行滑坡變形數(shù)據(jù)的傳輸是一種有效的方式?！氨倍穼?dǎo)航通信衛(wèi)星系統(tǒng)”是中國(guó)自行開發(fā)研制，能夠全天候、全天時(shí)提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息、授時(shí)和雙向通信服務(wù)的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。該系統(tǒng)是由空間衛(wèi)星、地面控制中心站和北斗用戶終端三部分構(gòu)成。與移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)不同，該系統(tǒng)在地面區(qū)域完全斷電的情況下，仍然可以利用衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測(cè)信息的有效傳輸，因此在很大程度上保證了監(jiān)測(cè)的連續(xù)性及有效性［26］。

4 結(jié)論與展望

為了科學(xué)地進(jìn)行滑坡的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，獲取準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是關(guān)鍵。測(cè)點(diǎn)型監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)精度較測(cè)線型及測(cè)面型的高，且已經(jīng)在滑坡變形監(jiān)測(cè)中廣泛應(yīng)用，是進(jìn)行滑坡變形監(jiān)測(cè)的首選監(jiān)測(cè)技術(shù)。

在眾多的測(cè)點(diǎn)型監(jiān)測(cè)技術(shù)中，基于拉線原理的測(cè)量技術(shù)，因其大量程及不受天氣制約等特點(diǎn)，較為適宜滑坡災(zāi)害的應(yīng)急監(jiān)測(cè)。測(cè)量機(jī)器人及鉆孔測(cè)斜儀，因其精度高，較為適宜滑坡災(zāi)害的中期監(jiān)測(cè)。GPS技術(shù)因其使用壽命長(zhǎng)，較為適宜滑坡災(zāi)害的長(zhǎng)期觀測(cè)。

此外，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，同時(shí)考慮到野外持續(xù)供電的技術(shù)要求，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸量較小的監(jiān)測(cè)方法可以采用GSM作為無線傳輸手段；而對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸量較大的監(jiān)測(cè)方法，宜采用GPRS或3G方式作為數(shù)據(jù)傳輸手段。對(duì)于重大滑坡或無移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋的滑坡，宜采用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

可以預(yù)見，隨著信息技術(shù)及傳感技術(shù)的快速發(fā)展，新型滑坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，滑坡監(jiān)測(cè)的“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代將不再遙遠(yuǎn)。

［1］國(guó)土資源部.全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害通報(bào)（2009年度）.http://www.cigem.gov.cn/ReadNews.asp？NewsID=21902.Ministry of Land and Resources.National Geological Hazards Bulletin（2009）http://www.cigem.gov.cn/ReadNews.asp？NewsID=21902.

［2］國(guó)土資源部.全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害通報(bào)（2009年 1月 -6月）.http://www.cigem.gov.cn/ReadNews.asp？NewsID=30769 Ministry of Land and Resources.National Geological Hazards Bulletin（1-6，2010）http://www.cigem.gov.cn/ReadNews.asp？NewsID=30769.

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