滑坡監(jiān)測系統(tǒng)在北長山島山后村山體滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用

周航，劉樂軍*，王東亮，李萍，高偉，周慶杰，楊慶樂

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滑坡監(jiān)測系統(tǒng)在北長山島山后村山體滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用

周航1，劉樂軍1*，王東亮2，李萍3，高偉3，周慶杰1，楊慶樂3

(1.國家海洋局第一海洋研究所 海洋工程與測繪研究中心，山東 青島 266061；2.煙臺海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報(bào)中心，山東 煙臺 264003；3.國家海洋局第一海洋研究所 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061)

摘要：為有效地監(jiān)測海島山體滑坡，找到滑坡的誘發(fā)因素，以達(dá)到海島地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)的目的。本文以北長山島為例，針對采石引起的滑坡，利用GPS、三維激光掃描、無人機(jī)遙感、位移傳感器4種滑坡監(jiān)測方法，聯(lián)合建立了北長山島山后村山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)。通過對比分析這4種方法發(fā)現(xiàn)，在三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)密集的滑坡體中、下部選擇三維激光掃描獲取的滑坡體形態(tài)數(shù)據(jù)，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀疏的滑坡體上部選擇無人機(jī)遙測獲取的滑坡體形態(tài)數(shù)據(jù)，精確獲取了不同時期滑坡體的挖方量、滑移量；位移傳感器獲取的實(shí)時位移監(jiān)測數(shù)據(jù)可得到滑坡體的實(shí)時滑移動態(tài)，發(fā)現(xiàn)在其監(jiān)測數(shù)據(jù)突變時滑坡存在滑動的風(fēng)險(xiǎn)。研究還發(fā)現(xiàn)采石和降雨是引起山后村滑坡體滑移的兩個最重要因素，采石導(dǎo)致滑坡體體積整體減小，降雨導(dǎo)致滑坡體上部拉張加速并引起碎石滑塌。由于監(jiān)測區(qū)環(huán)境條件的限制，該系統(tǒng)只能進(jìn)行滑坡體的表面變形監(jiān)測。研究成果可為其他海島滑坡的監(jiān)測乃至預(yù)警提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：北長山島；山體滑坡；滑坡監(jiān)測；采石

1引言

山體滑坡是常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，主要發(fā)生在山地的山坡、丘陵地區(qū)的斜坡、岸邊、路堤或基坑等地帶。山體滑坡不僅可以造成一定范圍內(nèi)的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]，還會給附近的橋梁、建筑等工程設(shè)施造成嚴(yán)重的危害[2—3]。由于海島的自然和社會條件相對特殊[4]，例如：海島相對孤立地散布于海上，交通不便；海島上各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，醫(yī)療、水、電、道路較差，經(jīng)濟(jì)相對落后[5]。如果海島發(fā)生山體滑坡，就將會給本就落后的海島造成巨大的損失，因此對海島山體滑坡進(jìn)行監(jiān)測具有十分重要的意義。

引起山體滑坡的主要外部因素有工程施工、采石、降雨等[6—9]。例如，2009年云南祿勸縣曾出現(xiàn)因修路引起山體滑坡的事件，2013年7月22日連續(xù)暴雨導(dǎo)致長島發(fā)生山體滑坡，而采石引起的山體滑坡事件更是比比皆是。近年來，隨著北長山島經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，島上采石活動日益加劇，進(jìn)而引發(fā)了一系列的地質(zhì)災(zāi)害問題，其中以山體滑坡最為嚴(yán)重。

傳統(tǒng)的山體滑坡監(jiān)測方法大致有：大地測量法，液體靜力水準(zhǔn)測量、重力測量法，近影攝影測量法、地下水位監(jiān)測法，電測法、地下鉆孔傾斜等[10]。雖然這些方法都可用于監(jiān)測山體滑坡，但由于海島條件的局限性，就需要采用更具有針對性的方法對海島山體滑坡進(jìn)行有效監(jiān)測。本文依托“國家海洋公益性行業(yè)專項(xiàng)”項(xiàng)目的支持，針對采石造成山體滑坡這一特殊案例，探討了多種監(jiān)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，采用了其中幾種監(jiān)測方法建立了北長山島山后村山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)，并分析了該監(jiān)測系統(tǒng)的合理性和存在的問題，從而為山后村山體滑坡監(jiān)測甚至預(yù)警提供充分的支持。

2研究區(qū)域概況

北長山島位于廟島群島南部，北為長山水道，南與南長山島相連，隸屬煙臺市長島縣管轄(圖1)。北長山島為基巖島[11]，島體主要由石英巖構(gòu)成，夾雜板巖和千枚巖[12]，巖體節(jié)理與層理垂直，且垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，造成島體北東部懸崖直立，崩塌落石頻發(fā)。山后村山體滑坡位于北長山島東南側(cè)(圖1)，為巖質(zhì)滑坡，是北長山島最為典型也是危害最大的滑坡體，滑坡區(qū)主要位于山后村采石場內(nèi)，現(xiàn)場調(diào)查時其仍在施工?；抡w寬度約320 m，平均高度80 m，總體積約為50×104m3(垂直投影體積)，坡度將近70°。滑坡區(qū)中部采石較少，狀態(tài)基本穩(wěn)定，而南北兩側(cè)由于持續(xù)采石，崖體下部形成采空面導(dǎo)致滑坡體處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，且該處石英巖中夾雜有不少的千枚巖，容易發(fā)生崩塌，并對采石場下人工修建的濱海公路及養(yǎng)殖大棚造成嚴(yán)重危害(圖2)。

圖1　北長山島山后村采石場位置Fig.1　The quarry position in Shanhou Village of the northern Changshan Island

3海島山體滑坡監(jiān)測方法比較

以陸地常用的山體滑坡監(jiān)測方法為依據(jù)，選取了幾種山體滑坡監(jiān)測的方法(表1)進(jìn)行了比較，以期選出適用于北長山島后山村山體滑坡的監(jiān)測方法。

表1　山體滑坡監(jiān)測方法比較

針對海島獨(dú)特的自然社會條件，結(jié)合各監(jiān)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)及對滑坡場址條件的要求，選擇合適的方法對不同類型的海島滑坡進(jìn)行有效監(jiān)測。

4不同監(jiān)測方法在北長山島山后村山體滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用

針對北長山島山后村山體滑坡的特點(diǎn)，應(yīng)用并對比分析了以上幾種山體滑坡監(jiān)測方法，發(fā)現(xiàn)宏觀地質(zhì)觀測法(精度太低、滑坡體巖石破碎嚴(yán)重?zé)o法進(jìn)行精確測量，且滑坡體高度、坡度不能滿足工作要求)、地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測方法(滑坡體坡度大、巖石破碎嚴(yán)重，地質(zhì)雷達(dá)無法在滑坡體傾斜面上進(jìn)行作業(yè)，僅能獲取滑坡體底部的少量內(nèi)部信息，意義不大[19])和鉆孔傾斜監(jiān)測方法(滑坡體巖石破碎程度過高不適合鉆機(jī)的鉆孔工作及鉆孔傾斜儀的安裝)在此處并不適用，于是最終選擇了以下幾種方法建立了北長山島山后村山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)對滑坡進(jìn)行表面變形監(jiān)測。

4.1GPS監(jiān)測方法

長島縣國土資源局每周派遣工作人員測量滑坡體上部兩個固定樁基的絕對高程，發(fā)現(xiàn)滑坡體整體呈向外滑移狀態(tài)。

4.2三維激光掃描監(jiān)測方法

2012年6月至2013年11月，先后對滑坡體進(jìn)行了5次三維激光掃描(圖3)，針對滑坡情況最為嚴(yán)重的北側(cè)主滑坡區(qū)，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)北側(cè)主滑坡體總體體積呈減小趨勢(圖4)，特別是2012年6-11月采石期，采石量達(dá)到山體的6.2%。而進(jìn)入禁采期(2012年11月)之后，山體向外拉張使其上部體積逐漸增大；而下部體積由于山體持續(xù)下滑和盜采而逐漸減小。其中2013年8月下部體積增大，主要是因?yàn)楸┯暝斐缮喜可襟w擴(kuò)張加速，碎石大量滑塌堆積。

圖3　2013年8月北長山島山后村滑坡體三維激光掃描結(jié)果示意圖Fig.3　3D laser scanning results of the landslide in Shanhou Village of the northern Changshan Island in August 2013

圖4　山后村北側(cè)主滑坡體體積變化趨勢Fig.4　Variation tendency of the main landslide volume in north side of Shanhou Village

4.3無人機(jī)遙感監(jiān)測方法

2012年6月和2012年8月利用低空四旋翼無人機(jī)遙感系統(tǒng)對滑坡區(qū)開展了無人機(jī)飛行作業(yè)，通過處理兩期的滑坡區(qū)三維高程信息，獲得滑坡區(qū)兩期高程分級變化圖像(圖5)，并對各個分級的區(qū)域面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。其主要特征為：該區(qū)高程變化明顯，高程降低幅度在5.0～10.0 m的區(qū)域約占統(tǒng)計(jì)區(qū)域3.9%，主要分布在北側(cè)主滑坡區(qū)和南側(cè)滑坡區(qū)內(nèi)側(cè)，主要是原有完整山體被采挖后引起的；高程降低幅度在1.0～5.0 m的區(qū)域約占統(tǒng)計(jì)區(qū)域的27.5%，主要分布于縱深不深的原有采挖區(qū)域。

圖5　北長山島山后村山體滑坡區(qū)2012年6月至2013年8月期間的三維高程變化圖Fig.5　Map of the landslide 3D changes in elevation from June 2012 to August 2013 in Shanhou Village of the northern Changshan Island

4.4位移傳感器監(jiān)測方法

針對該滑坡區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了位移傳感器監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)是利用滑坡周邊的相對穩(wěn)定點(diǎn)與滑坡監(jiān)測點(diǎn)的相對位置變化，得到每一個監(jiān)測點(diǎn)的相對位移量[20]。具體方法是在滑坡表面不動點(diǎn)處建一高臺，臺上安裝位移監(jiān)測設(shè)備，內(nèi)有位移傳感器和滑輪，在監(jiān)測點(diǎn)處錨樁固定，用銦瓦鋼絲將不動點(diǎn)設(shè)備與監(jiān)測點(diǎn)相連，鋼絲繞過滑輪與重錘相連(圖6)。當(dāng)兩點(diǎn)發(fā)生相對位移時，在重錘的恒力作用下，傳感器會感知其變化，通過變化量就可以計(jì)算出兩點(diǎn)間的位移量。在滑坡體表面布設(shè)一系列的監(jiān)測線就可以對整個滑坡表面進(jìn)行監(jiān)測，為后期的滑坡分析與預(yù)測提供可靠的數(shù)據(jù)。

圖6　位移傳感器示意圖Fig.6　Schematic of the displacement sensor

根據(jù)滑坡的實(shí)際情況，在山頂區(qū)布設(shè)了10組位移傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)克服了滑坡體惡劣地質(zhì)環(huán)境的影響，并且能夠?qū)崟r獲取滑坡體的位移量，為監(jiān)測該山體滑坡提供了實(shí)時可靠的位移數(shù)據(jù)(圖7)。

圖7　位移傳感器A10數(shù)據(jù)Fig.7　Data of the A10 displacement sensor

5不同監(jiān)測方法在北長山島山后村山體滑坡監(jiān)測應(yīng)用中的討論

5.1GPS監(jiān)測方法的局限性

GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)精度雖有毫米級，但無法在滑坡體頂部建立可實(shí)時監(jiān)測的GPS基站，只能定期派遣工作人員進(jìn)行測量。同時，受長山島山后村地區(qū)通訊環(huán)境較差及周邊雷達(dá)監(jiān)測站通訊干擾的影響，GPS時常出現(xiàn)連接不暢的情況，這給GPS監(jiān)測帶來了不小的阻力。

5.2三維激光掃描監(jiān)測結(jié)果與無人機(jī)遙測結(jié)果的比較與分析

以北側(cè)主滑坡區(qū)為例(圖5)，對比分析2013年8月獲取的三維激光掃描數(shù)據(jù)和無人機(jī)遙測數(shù)據(jù)反演結(jié)果的差異。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)反演的高程數(shù)據(jù)與三維激光掃描數(shù)據(jù)空間分布形態(tài)與特征基本一致(圖8)。

將無人機(jī)反演高程數(shù)據(jù)減去三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行空間網(wǎng)格差異分析，獲得高程變化圖像，來定量分析兩者差異(圖9)。其中，正值為無人機(jī)反演高程大于三維激光雷達(dá)掃描高程，負(fù)值反之。

通過分析高程數(shù)據(jù)單個網(wǎng)格上三維激光掃描和無人機(jī)提取的點(diǎn)云密度(圖10)，發(fā)現(xiàn)三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)從滑坡下部到上部數(shù)量不斷變少，在最上部單個網(wǎng)格點(diǎn)云數(shù)據(jù)在10個以內(nèi)，而在底部掃描儀區(qū)域，點(diǎn)云數(shù)量則在幾千個以上；同時由于三維激光掃描屬水平光學(xué)測量方式，某些凹形地形或前方有坡體遮擋的區(qū)域，三維激光無法掃描到，因此三維激光掃描數(shù)據(jù)存在較多的無點(diǎn)云數(shù)據(jù)。相對于三維激光的水平測量方式，低空無人機(jī)則是以俯瞰的方式進(jìn)行測量，克服了三維激光掃描的水平測量缺點(diǎn)，點(diǎn)云密度相對均勻，大部分單個網(wǎng)格的點(diǎn)云數(shù)量都在51～100個之間，但對垂直陡崖地形，則無法獲取更多的紋理信息。

圖8　三維激光掃描高程數(shù)據(jù)(a)無人機(jī)反演高程數(shù)據(jù)(b)Fig.8　Elevation data of 3D laser scanning(a) and UAV telemetering(b)

圖9　無人機(jī)反演高程與三維激光掃描高程差異分級顯示圖Fig.9　Display graph of the difference classification of UAV invention elevation and 3D laser scanning elevation

圖10　三維激光掃描(a)與無人機(jī)遙測(b)點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度分布圖Fig.10　Point cloud data density distribution map of 3D laser scanning(a) and UAV telemetering(b)

由此可知，在地形復(fù)雜區(qū)域和上部仰角較大區(qū)域，三維激光掃描高程數(shù)據(jù)精度差，導(dǎo)致與無人機(jī)反演高程數(shù)據(jù)之間的差異。因此，要根據(jù)滑坡區(qū)的實(shí)際情況綜合運(yùn)用兩種方法以獲得理想精度的高程數(shù)據(jù)。

雖然三維激光掃描和無人機(jī)遙測，可定期獲取滑坡區(qū)的高程數(shù)據(jù)，并得到不同時期滑坡體形態(tài)變化特征(圖11)，但兩種方法均不能起到實(shí)時監(jiān)測滑坡體動態(tài)的作用，因此還需采用一種實(shí)時監(jiān)測方法對滑坡體進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。

圖11　2012年6月至2013年11月山后村北側(cè)主滑坡體形態(tài)變化特征Fig.11　Morphology variation characteristics of the main landslide in Shanhou Village from June 2012 to November 2013

5.3位移傳感器實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

該方法應(yīng)用以來(2013年5月)獲得了一系列滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖7)，監(jiān)測結(jié)果表明，2013年7-8月，滑坡體發(fā)生快速滑動，最大累積滑動距離近20 cm；2013年8月至2014年9月，滑坡體仍呈現(xiàn)滑動趨勢，但活動距離較小，呈“穩(wěn)定”態(tài)勢。這與三維激光掃描監(jiān)測的第5期(2013年8月至2013年11月)數(shù)據(jù)表現(xiàn)的滑坡體整體呈現(xiàn)緩慢下滑趨勢相吻合。另外，監(jiān)測數(shù)據(jù)的突變可作為滑坡體有可能發(fā)生滑坡的一種可能性指標(biāo)，進(jìn)而達(dá)到了預(yù)警的目的。由于位移傳感器的量程有限以及銦瓦鋼絲繩獨(dú)特的剛性特質(zhì)，滑坡體瞬間和超量程的滑動都容易造成傳感器銦瓦鋼絲繩的斷裂；降雨給位移傳感器監(jiān)測系統(tǒng)帶來的銹蝕也極大影響了監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

6結(jié)語

根據(jù)不同山體滑坡監(jiān)測方法的特點(diǎn)，針對北長山島山后村山體滑坡的具體情況，最終選擇了GPS監(jiān)測、三維激光掃描監(jiān)測、無人機(jī)遙感監(jiān)測及位移傳感器監(jiān)測方法組成了北長山島山后村山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)對滑坡進(jìn)行系統(tǒng)地監(jiān)測。該系統(tǒng)分別定期和實(shí)時地獲取了不同的滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，在三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)密集的滑坡體中、下部選擇三維激光掃描獲取的滑坡體形態(tài)數(shù)據(jù)，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀疏的滑坡體上部選擇無人機(jī)遙測獲取的滑坡體形態(tài)數(shù)據(jù)，這就精確地獲取了不同時期滑坡體的挖方量、滑移量；位移傳感器獲取的實(shí)時位移監(jiān)測數(shù)據(jù)可得到滑坡體的實(shí)時滑移動態(tài)，在其監(jiān)測數(shù)據(jù)突變時滑坡存在滑動的風(fēng)險(xiǎn)。研究發(fā)現(xiàn)采石和降雨是引起山后村滑坡體滑移的兩個最重要因素，采石導(dǎo)致滑坡體體積整體減小，降雨導(dǎo)致滑坡體上部拉張加速并引起碎石滑塌。最后，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)有效地制止采石活動，防止滑坡體的擴(kuò)大和更大滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

雖然該監(jiān)測系統(tǒng)對監(jiān)測山后村滑坡體的滑動起到了至關(guān)重要的作用，但由于條件限制僅能獲取滑坡體外部形態(tài)的變化，如何根據(jù)外部形態(tài)變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)更好的模擬、分析并預(yù)測發(fā)生滑坡的時間仍是今后需要重點(diǎn)研究的方向。

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收稿日期：2015-03-29；

修訂日期：2015-05-18。

基金項(xiàng)目：國家海洋公益性行業(yè)專項(xiàng)——我國典型海島地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測及預(yù)警示范研究(201005010)；中央級公益科研院所基本研究基金項(xiàng)目：海洋粘性土微結(jié)構(gòu)的差異及其成因研究——以南黃海中部與浙閩近岸泥質(zhì)區(qū)粘性土為例(GY0213G04)。

作者簡介：周航(1990—)，男，山東省聊城市人，主要從事海洋災(zāi)害地質(zhì)和工程地質(zhì)研究。E-mail：chriszh11@163.com *通信作者：劉樂軍，研究員，主要從事海洋災(zāi)害地質(zhì)和工程地質(zhì)研究。E-mail：liulj@fio.org.cn

中圖分類號:P642.22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0253-4193(2016)01-0124-09

The application of landslide monitoring system in Shanhou Village of the northern Changshan Island in landslide monitoring

Zhou Hang1, Liu Lejun1, Wang Dongliang2, Li Ping3, Gao Wei3, Zhou Qingjie1, Yang Qingle3

(1.MarineEngineeringEnvironment&GeomaticCenter,FirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China; 2.YantaiMarineEnvironmentalMonitoringandForecastingCenter,Yantai264003,China; 3.KeyLaboratoryofMarineSedimentologyandEnvironmentalGeology,FirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China)

Abstract:In order to monitor the landslide which may occur in island effectively and find the induction factor of landslide to achieve the purpose of monitoring and preventing landslide hazard，we describe the compositions and monitoring projects of landslide monitoring system used in Shanhou Village of the northern Changshan Island. The monitoring system contains 4 different methods. By analyzing the 4 different methods we find that 3D laser scanning data is intensive in the lower part of landslide and UAV remote sensing data is intensive in the upper part of landslide. We should choose the dense data to compute the excavation volume and slippage of landslide in different period accurately. Displacement sensor can get real-time landslide slip data. Research also finds that the quarrying and rainfall are the two most important factors causing Shanhou Village landslide slip，quarrying decreases the whole volume of landslid and rainfall leads to landslide tensile and gravel slump. In the end，because of the limitation of monitoring area，the monitoring system can only monitor the surface deformation of the landslide. Research results can provide references for landslide monitoring and early warning in other islands．

Key words:northern Changshan Island；landslide；landslide monitor；quarrying

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