公路邊坡智能化監(jiān)測體系研究進展

凌建明，張玉，滿立，李想

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海，201804；2.同濟大學民航飛行區(qū)設施耐久與運行安全重點實驗室，上海，201804)

公路邊坡是在路基兩側筑成的具有一定坡度的斜面，對路基穩(wěn)定和防水、排水具有重要作用。由于應力狀態(tài)、濕度狀況變化，邊坡在運營期內可能會產(chǎn)生不同程度的變形，并在一定條件下失穩(wěn)，引發(fā)破壞性較強的滑坡、崩塌等災害[1]。邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生機制復雜，影響因素眾多，發(fā)展規(guī)律多變，難以通過統(tǒng)一數(shù)學模型對其進行準確描述和預估。此外，邊坡失穩(wěn)亦受到邊坡巖土體材料特性和所處水文、地質、環(huán)境因素的影響，導致其發(fā)生時間、地點、強度和影響范圍具有不確定性，難以在設計時精準預測。在這一背景下，邊坡監(jiān)測應運而生。邊坡監(jiān)測理念最早產(chǎn)生于20世紀60年代，針對邊坡災害的各類誘因，應用不同監(jiān)測手段對邊坡物理性質參數(shù)和應力狀態(tài)進行識別和監(jiān)測，對邊坡整體狀態(tài)進行合理分析和評估，并對潛在的失穩(wěn)風險進行預警[2-4]。通過邊坡監(jiān)測，不僅可保障邊坡工程的安全建設，盡可能減小邊坡災害造成的人身傷害和財產(chǎn)損失，也有利于深入了解邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生和發(fā)展的本質，為相關工程建設提供寶貴經(jīng)驗參考[5-6]。

在邊坡監(jiān)測工作中，監(jiān)測指標的合理選擇和準確獲取、監(jiān)測設備的科學布設、監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效利用是實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性準確分析和預估的關鍵[7-9]。在邊坡監(jiān)測理念被提出伊始，主要對邊坡失穩(wěn)的宏觀前兆現(xiàn)象如崩塌落土、地面裂縫等進行預測，進而對其發(fā)展規(guī)律進行預測[10]。1965年，齋藤迪孝根據(jù)監(jiān)測結果提出滑坡預報經(jīng)驗公式，可看作系統(tǒng)化邊坡監(jiān)測工作的起點[11]。自20世紀80年代起，邊坡失穩(wěn)和災變的機理逐漸得到重視，并用于指導邊坡監(jiān)測工作。學者們先后提出了多種邊坡位移-時間曲線擬合模型，對邊坡病害發(fā)展規(guī)律的認識逐漸深入[12]。自90年代起，學者們意識到準確、可靠監(jiān)測的重要性，動態(tài)跟蹤監(jiān)測法開始應用于邊坡監(jiān)測[13-14]。這一階段的監(jiān)測指標仍以位移為主，在實際問題求解中引入非線性、隨機性，使計算條件與實際情況更接近。進入21世紀后，伴隨著科技的快速發(fā)展，國內外涌現(xiàn)出一批新型邊坡監(jiān)測技術與方法，監(jiān)測系統(tǒng)涵蓋了位移、裂縫、地下水、氣象等多項監(jiān)測指標，監(jiān)測過程呈現(xiàn)出“數(shù)字化”“自動化”“集成化”等新特點。由此，邊坡監(jiān)測逐步邁向智能化、自動化。

本文作者總結近10余年國內外邊坡監(jiān)測技術、監(jiān)測體系的發(fā)展和應用情況，歸納傳統(tǒng)邊坡直接、間接監(jiān)測中常用監(jiān)測技術設備和監(jiān)測體系，分析對比光纖傳感技術、數(shù)字化近景攝影測量技術、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)、三維激光技術與合成孔徑雷達干涉技術五大類邊坡智能化監(jiān)測技術的特點和適用性，對智能化邊坡監(jiān)測體系的發(fā)展現(xiàn)狀、難點和前景進行論述和展望。

1 傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測技術及監(jiān)測體系

1.1 傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測技術

傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測主要依靠實地勘察進行，借助全站儀等測量設備，掌握邊坡表面狀況及位移變形，結合周圍環(huán)境變化，合理評價邊坡穩(wěn)定狀況。監(jiān)測對象主要包括位移、土體內部應力、地下水位和外部誘發(fā)因素，監(jiān)測手段主要有傳統(tǒng)人工監(jiān)測、原位監(jiān)測和遠程監(jiān)測。常用的傳統(tǒng)邊坡直接監(jiān)測技術和監(jiān)測設備見表1[15-18]。

表1 傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測技術與設備Table 1 Slope monitoring method and equipment

除上述技術之外，傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測中也發(fā)展出一些間接監(jiān)測手段，地電技術是其中應用最廣泛的一種。該技術以降雨這一影響最為顯著的環(huán)境因素入手，通過邊坡內部巖土體電阻率的變化來反映雨水滲入情況，進而分析坡體內部裂縫和軟弱夾層分布狀態(tài)[19-20]，對滑移面發(fā)展趨勢進行預測[21]。地電技術兼具剖面和深測功能，具有點距小、數(shù)據(jù)采集密度大的優(yōu)點，不僅可以獲得邊坡的縱、橫向發(fā)育及展布的情況，還能得出降雨條件與邊坡失穩(wěn)發(fā)生機制間的關系，其應用實例見表2[22-23]。

表2 地電技術在邊坡監(jiān)測中的應用Table 2 Application of geoelectric technology in slope monitoring

1.2 傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測體系

在傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測中，監(jiān)測體系的發(fā)展整體處于起步階段，典型運行流程如圖1所示。20世紀60年代前，一般通過邊坡風險和災害情況的資料記錄，依靠對災前宏觀現(xiàn)象的觀測進行邊坡災害預警[10]。邊坡監(jiān)測手段應用之初，邊坡監(jiān)測以單一項目數(shù)據(jù)記錄為主。隨著多種監(jiān)測手段的聯(lián)合應用，數(shù)據(jù)量逐漸增加，統(tǒng)計學方法也逐步被運用于邊坡監(jiān)測工作中。20世紀80年代，學者們將現(xiàn)代數(shù)學理論中的一些新方法應用于滑坡預測中，將監(jiān)測數(shù)據(jù)用于標定邊坡災害預測模型，使其預測效能逐漸提升[12]。自20世紀90年代初以來，非線性理論的發(fā)展使人們認識到邊坡災害的發(fā)生是一個復雜的過程。因此，現(xiàn)代數(shù)學科學方法開始全面應用于滑坡監(jiān)測和多方法的集成研究與應用[13]。然而，受傳統(tǒng)監(jiān)測方法限制，數(shù)據(jù)匯總、處理過程仍然主要依靠人工錄入、匯總和傳輸，邊坡監(jiān)測和預警的時效性和準確程度受限。

圖1 傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測體系流程Fig.1 Process of traditional slope monitoring system

2 智能化邊坡監(jiān)測技術

傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測技術通常選取一些災害易發(fā)的關鍵點進行監(jiān)測，以監(jiān)測點的力學指標推算整個邊坡的運營狀態(tài)和災害風險。該方法操作較為簡便，成本可控，適用于規(guī)模較小，地質、工程條件簡單的邊坡。然而，對于規(guī)模較大、地質環(huán)境復雜的邊坡工程，由于地質條件多樣，災害誘因復雜，合理選取監(jiān)測點位難度很高，且通過單一指標的監(jiān)控難以得到理想的預警效果。伴隨著新技術、新思想的涌現(xiàn)，邊坡監(jiān)測逐步發(fā)展為多層次、多視角、多技術、自動化的立體體系。邊坡監(jiān)測技術逐漸由全形態(tài)、多維度的連續(xù)、實時監(jiān)測代替人工點式監(jiān)測。在這些技術的支持下，邊坡監(jiān)測逐步走向智能化。

2.1 光纖傳感技術

隨著光纖傳感技術的發(fā)展，光纖傳感器在邊坡監(jiān)測中得到了越來越多的應用，如表3所示[33-41]。光纖本身既是傳感器又是傳輸線，因此，使分布式監(jiān)測成為可能[42-43]。光纖技術成熟、成本低廉、布設靈活，易于實現(xiàn)大規(guī)模部署，同時又具有防水防潮、耐高溫、防雷擊、抗腐蝕能力強、抗電磁干擾性能強等特點，適于在野外邊坡惡劣環(huán)境下使用[44]。在現(xiàn)有光纖傳感技術中，布里淵光時域反射技術(BOTDR)、布里淵光時域分析技術(BOTDA)與光纖布拉格光柵(FBG)在公路邊坡監(jiān)測中應用較多，效果良好[45]；與其相比，光時域反射技術(OTDR)受探測光脈沖寬度及空間分辨率與動態(tài)范圍之間矛盾的限制，難以同時滿足較大動態(tài)范圍和較高空間分辨率，監(jiān)測效果不夠理想；布里淵頻域分析技術(BOFDA)、相位敏感光時域反射技術(Φ-OTDTR)與相干光時域反射技術(COTDR)技術不夠成熟，因而在邊坡監(jiān)測中應用較少。

表3 不同光纖技術在邊坡監(jiān)測中的工程應用Table 3 Engineering application of different optical fiber technology in slope monitoring

在邊坡監(jiān)測中應用光纖傳感技術，需注重以下3點：1)光纖選型。光纖傳感技術以光纖作為傳感元件，合理的光纖選型不僅是實現(xiàn)監(jiān)測目的的前提，也可顯著延長監(jiān)測系統(tǒng)的服務年限。2)光纖布設和組網(wǎng)。根據(jù)不同的監(jiān)測指標，合理選擇黏結、布網(wǎng)形式布置監(jiān)測網(wǎng)絡，才能得到預期的公路邊坡“點—線—面”全覆蓋監(jiān)測信息。3)變形協(xié)調性。光纖與邊坡土體、巖體變形模量不一致，且其界面接觸狀態(tài)對變形協(xié)調性影響很大。采取適當布設方式，盡可能保證測試光纖和邊坡良好接觸、協(xié)同變形，才能獲得真實有效的監(jiān)測結果。除以上3點外，研發(fā)適用于不同目的和監(jiān)測條件特種光纖傳感器、推廣光纖傳感器健康監(jiān)測和診斷、開發(fā)配套監(jiān)測系統(tǒng)也有助于顯著提升該監(jiān)測技術的泛用性和可靠度。

2.2 數(shù)字化近景攝影測量技術

伴隨計算機和數(shù)字化技術的快速革新，近景攝影測量技術逐步發(fā)展成為邊坡監(jiān)測的新手段，馮文灝[46]介紹了該技術的基本方法與攝影測量衍生拓展理論，李德仁[47]提出粗差定位驗后方差選權迭代法。此外，DPA和TRITOP等系統(tǒng)的成功研發(fā)也不斷提高攝影測量的自動化和精確程度[48]。王秀美等[49]利用數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)，采用虛擬照片法和攝影法進行邊坡監(jiān)測，演示了該技術可達到的精度。李彩林等[50]利用普通數(shù)碼相機開展邊坡監(jiān)測并提出一種無需二次控制、非接觸、快速的滑坡監(jiān)測方法。研究表明，疊加計算得到的區(qū)域變化量與實測結果大致相同，其精度可達毫米級，證明了近景攝影測量方法的可行性。馬翼翔[51]以變形期的皖江城市帶大通鎮(zhèn)和悅洲邊坡為例，探究如何在邊坡上布置控制點并對控制網(wǎng)模型進行優(yōu)化，證明了將數(shù)字化近景攝影測量技術運用到邊坡監(jiān)測中的可行性與優(yōu)越性。

近景攝影測量技術主要應用于邊坡形態(tài)機理[52]、邊坡邊界演化過程[53]、邊坡空間發(fā)育[54]和邊坡變形監(jiān)測[55]這4個方面。WOLTER等[56]采用近景攝影測量對意大利Vaiont邊坡發(fā)育的形態(tài)學特征及底層發(fā)育進行研究，對其滑坡機理進行總結，如圖2所示。LATO 等[57]通過測量結果對融合拓撲坡度變化的橫斷面進行分析(見圖3)，指出近景攝影測量不受邊坡形狀約束，在自然邊坡監(jiān)測中可取得良好的成效。數(shù)字化近景攝影測量技術具備非接觸遙感式觀測的特點，能夠測量整個視野內邊坡上所有觀測點的運動情況，成本較低、時效性強、安全性高、工作量小、信息量大，已成功應用于實際工程，但仍有一些問題亟待解決，如：1)對于大型邊坡，難以對整個邊坡進行攝影測量，應考慮如何選取具有代表性的坡體進行監(jiān)測；2)數(shù)字化近景攝影測量只能對邊坡表面的位移進行監(jiān)測，要獲得邊坡全空間位移狀態(tài)，需與邊坡土體深層位移監(jiān)測相結合；3)在干擾物較多的情況下，數(shù)字化近景攝影測量技術發(fā)揮情況尚不理想，需借助后期的圖像處理技術深入開展相應研究。

圖2 低空攝影測量在滑坡形態(tài)研究中的應用[56]Fig.2 Application of low altitude photogrammetry in landslide morphology research[56]

圖3 融合基線數(shù)據(jù)間拓撲坡度變化的橫斷面分析(據(jù)文獻[57]修改)Fig.3 Cross section analysis of topological slope change between fused baseline data(Modified from Ref.[57])

2.3 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術通過掃描儀對目標整體或局部進行完整的三維坐標數(shù)據(jù)測量，得到完整、全面、連續(xù)、關聯(lián)的全景點坐標數(shù)據(jù)[58-59]，其工作原理如圖4所示：三維激光掃描儀發(fā)射一束激光脈沖，打在地面、樹木、水面等地形地物上，經(jīng)過散射后一部分激光會反射回來，被掃描儀接收。根據(jù)激光測距原理，可求出掃描儀與掃描物體之間的距離[60]。董秀軍等[61-62]使用三維激光掃描儀對邊坡工程進行監(jiān)測，掃描得到的數(shù)據(jù)拼接、坐標轉換、消噪后生成DEM 模型。陳曉雪[63]利用三維激光掃描技術對山西平朔露天礦邊坡進行監(jiān)測，利用時間序列方法對邊坡的穩(wěn)定性進行分析，并使用灰色模型預測了標志點的位移。謝謨文等[64]利用三維激光掃描技術并結合GIS平臺，通過固定點比較、斷面分析和DEM 比較3 種方法全面地對金坪子滑坡進行了監(jiān)測研究。韓亞等[65]利用三維激光掃描技術得到了邊坡的土方量、坡度和等高線，結合這3個因子提出了一種邊坡狀態(tài)評價方法。由于無法近距離接觸高陡邊坡的危巖體，勘測精度遠遠不夠，鑒于此，劉昌軍等[66]結合三維激光掃描技術獲取高陡邊坡的空間巖體結構面和優(yōu)勢產(chǎn)狀，根據(jù)極限平衡理論和不同類型危巖體的破壞機制及作用荷載，建立危巖體錨固計算方法。該方法被成功應用于山東東平縣白佛山南側的高陡山坡危巖體調查和治理，為邊坡危巖體的治理和設計提供了新的技術和理論指導。此外，岳沖等[67]通過高陡邊坡點云數(shù)據(jù)多尺度維度特征，利用SVM 算法構建二元分類器，實現(xiàn)高陡邊坡坡面激光點云的植被與地面的高精度分類，利用多種復雜條件下高陡邊坡數(shù)據(jù)檢驗了算法的實用性及分類精度。

圖4 三維激光掃描儀工作原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of working principle of 3D laser scanner

同樣，該技術在國外邊坡監(jiān)測也得到了廣泛應用[68-69]。JOHANSSON[70]利用三維激光掃描技術構建邊坡和周圍地形的三維模型，為邊坡監(jiān)測提供支持。2004年，日本新潟縣400多個邊坡受到地震影響存在安全隱患，KAYEN 等[71]使用三維激光掃描技術極大提高了震后的災害評價的工作效率。

近年來，三維激光掃描技術在邊坡監(jiān)測中得到了廣泛應用，但其監(jiān)測過程及后期數(shù)據(jù)處理仍存在一些問題：1)監(jiān)測前需布設數(shù)多個控制點以確定坐標位置，工序復雜，且不同期點云數(shù)據(jù)的坐標統(tǒng)一困難。2)不同點云配準方法有很多，基于點的配準會造成區(qū)域誤差較大，從而影響配準精度。若利用無標靶配準則會造成配準效率低，不僅影響監(jiān)測效率，也會影響監(jiān)測精度。3)數(shù)據(jù)提取方法上，采用點對點提取或點對面提取仍未取得廣泛一致，數(shù)據(jù)橫向對比困難。

2.4 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)

全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)是利用衛(wèi)星對地面上的用戶進行導航定位。目前，世界4大GNSS系統(tǒng)分別是美國的GPS系統(tǒng)[72-73]、歐盟的GALILEO系統(tǒng)[74-75]、俄羅斯的GLONASS 系統(tǒng)[76-77]以及中國的北斗衛(wèi)星導航BDS系統(tǒng)[78]。除此之外，其他部分國家也研發(fā)了區(qū)域性或增強系統(tǒng)，例如日本的QZSS區(qū)域導航定位系統(tǒng)、印度的GAGAN增強系統(tǒng)等。應用GNSS技術進行滑坡變形監(jiān)測已有多年歷史，較為典型的有西班牙Vallcebre古邊坡的變形監(jiān)測[79]和三峽庫區(qū)滑坡變形監(jiān)測[80]。

對于BDS系統(tǒng)，2012年12月正式提供導航服務[81]，被廣泛應用于橋梁、大壩等工程[82]，并實現(xiàn)了全天候、自動化監(jiān)測[83]。對于邊坡監(jiān)測，學者們依據(jù)北斗技術設計研發(fā)了一系列監(jiān)測系統(tǒng)并取得了很好的監(jiān)測效果[84-85]。李家春等[86]對貴州都安高速邊坡實時動態(tài)監(jiān)測，結合北斗云監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到結果顯示的全過程自動化。吳浩等[87]研發(fā)了露天礦邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)并將其應用于陜西省露天礦高邊坡監(jiān)測，實現(xiàn)了實時快速監(jiān)測。喻小等[88]利用北斗云檢測儀對陜西省周至邊坡進行實時監(jiān)測，基于變形速率實現(xiàn)了邊坡的臨滑預報。趙信文等[89]對清江隔岸巖庫區(qū)偏山邊坡進行連續(xù)監(jiān)測，充分檢驗了滑坡實時監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。黃觀文等[90]基于北斗技術研究出一套監(jiān)測系統(tǒng)，將其監(jiān)測結果與全站儀測得數(shù)據(jù)對比，證明其邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)準確，效果良好。

GNSS 在線監(jiān)測技術可實現(xiàn)全天候在線監(jiān)測，且可將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)娇刂浦行模瑢崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動化傳輸、管理和分析處理，大大減輕人工現(xiàn)場監(jiān)測的工作量。同時，GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)質量較高，有益于實現(xiàn)邊坡臨滑預報。然而，GNSS技術所需接收機設備價格昂貴，動態(tài)測量精度僅為厘米級，且其監(jiān)測精度在高山峽谷、地下、建筑物密集地區(qū)和密林深處等復雜環(huán)境區(qū)域將大幅下降。這些缺點限制了其應用范圍。

2.5 合成孔徑雷達干涉技術(InSAR)

合成孔徑雷達(SAR)誕生于20世紀50年代，是一種高分辨率成像雷達。普通SAR 只能產(chǎn)生二維雷達圖像，難以直接以用于地表變形監(jiān)測。近30年發(fā)展興起的合成孔徑雷達干涉測量技術(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)為解決區(qū)域地表三維信息提供了有效途徑[91]。InSAR技術原理是利用合成孔徑雷達2次觀測中雷達波相位差與空間距離之間的關系，提取區(qū)域地表三維變形信息[92]。該技術1974年首次被應用于地形高度測量[93]。時至今日，InSAR已被成功應用于邊坡失穩(wěn)過程跟蹤、分析評估及災害預警等方面，進行有效監(jiān)測的邊坡通常位于城鎮(zhèn)地區(qū)或公路附近，尤其是規(guī)模較大的土體變形[94]。

CATANI 等[95]對意大利博爾扎諾附近的1 處滑坡進行了短期測量，驗證了InSAR 技術在邊坡監(jiān)測中的可行性，InSAR 可在短時間內實現(xiàn)高精度、高分辨率觀測并進行變形區(qū)識別[96-97]。RAUCOULES 等[98]對法國阿爾卑斯山區(qū)La Valette滑坡進行監(jiān)測(見圖5)，提出高精度數(shù)據(jù)的獲取需要對可能發(fā)生的位移變形進行提前預估，因此，對于具有不同運動狀態(tài)的滑坡，應采用不同的數(shù)據(jù)采集策略。NISHIGUCHI等[99]采用InSAR對日本中部山區(qū)Koshio 滑坡進行探測并與GNSS 觀測獲得的滑坡位移測量結果進行比較，探測到的區(qū)域對應于滑坡引起的地表變化位置，如圖6所示。在此基礎上發(fā)展的差分干涉測量(DInSAR)、永久散射體干涉測量(PSInSAR)和小基線集干涉測量(SBAS-InSAR)等方法能探測到地表毫米級變形，展示出強大的優(yōu)勢和應用潛力[100-103]。PSInSAR 技術在舟曲的泥石流前緩慢移動的山體滑坡監(jiān)測中已得到成功應用，該項目結合軌道和大氣相位斜坡建模方法得出了各地區(qū)平均變形率和變形時間序列，如圖7所示[100]。

圖5 La Valette滑坡監(jiān)測圖(據(jù)文獻[98]修改)Fig.5 Monitoring map of La Valette landslide(Modified from Ref.[98])

圖6 InSAR與GNSS位移對比(據(jù)文獻[99]修改)Fig.6 Comparison of InSAR and GNSS displacement(Modified from Ref.[99])

圖7 PS-InSAR在舟曲地區(qū)的監(jiān)測應用(據(jù)文獻[100]修改)Fig.7 Application of ps-insar in Zhouqu(Modified from Ref.[100])

目前InSAR 技術已在邊坡監(jiān)測中得到成功應用，但其受邊坡類型、位移的速度和方向、地表覆蓋物、衛(wèi)星飛行軌道、精度要求及現(xiàn)存SAR 數(shù)據(jù)量等條件制約較為顯著。整體而言，地基雷達技術可克服測量手段中精度低、獲取信息量不足的劣勢，為邊坡安全監(jiān)測提供有力的技術支撐。

2.6 智能化邊坡監(jiān)測技術適用性分析

各類智能化監(jiān)測技術的技術參數(shù)與主要優(yōu)缺點見表4。光纖傳感技術具有監(jiān)測范圍廣、精度高、靈敏性高、經(jīng)濟性好的優(yōu)點，其中OTDR，BOTDR，BOTDA 和BOFDA 四類解析技術較為成熟，光纖成本低廉便于大范圍布設，但其監(jiān)測系統(tǒng)建設和運行維護成本相對偏高，適用于環(huán)境條件較為簡單、易維護的邊坡監(jiān)測工程。數(shù)字化近景攝影測量技術具有成本較低、操作簡便、非接觸測量及獲取三維坐標信息等優(yōu)點，但易受環(huán)境因素干擾，常作為其他邊坡監(jiān)測技術的輔助手段。GNSS具有監(jiān)測精度高、技術成熟、商業(yè)化水平高的優(yōu)點，但只能用于點式測量，覆蓋范圍有限，適用于小范圍、高風險、需重點監(jiān)測的邊坡工程。三維激光掃描、InSAR具有覆蓋范圍廣、非接觸遠程監(jiān)測、精度高的特點，但成本也相對較高，且兩類技術監(jiān)測精度易受地形條件和環(huán)境條件的影響，數(shù)據(jù)采集頻率常受載具條件限制而偏小，適用于技術標準高、地形環(huán)境相對簡單的公路邊坡監(jiān)測系統(tǒng)。

表4 智能化監(jiān)測技術參數(shù)與特點匯總Table 4 Summary of technical parameters and characteristics of of intelligent monitoring technology

3 智能化邊坡監(jiān)測體系

3.1 智能化邊坡監(jiān)測體系的構成

進入21世紀后，隨著智能化邊坡監(jiān)測技術的發(fā)展和應用，邊坡監(jiān)測體系從利用單一方法預測向系統(tǒng)化和智能化的方向發(fā)展，采用新技術獲取的邊坡信息種類和信息量的急劇增加，對數(shù)據(jù)的儲存、傳輸和分析應用提出了更高的要求。同時，交通運輸行業(yè)全面智能化的發(fā)展激發(fā)了公路邊坡監(jiān)測體系的改良與變革，邊坡監(jiān)測的概念逐漸發(fā)展為多層次、全時域、點式監(jiān)測與廣域監(jiān)測有機融合的智能化監(jiān)測體系。智能化邊坡監(jiān)測體系是指在自主控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能算法等先進技術支持下，可實現(xiàn)邊坡狀態(tài)自主感知、監(jiān)測信息集成融合、災變風險過程實時預警的邊坡工程智能應用集合。該系統(tǒng)由各監(jiān)測技術集成的硬件采集設備和數(shù)據(jù)處理中心管理下的數(shù)據(jù)流2部分組成，見圖8[104]和圖9。采集數(shù)據(jù)經(jīng)由遠程傳輸裝置發(fā)送至云端服務器，通過監(jiān)測平臺進行解算、前端發(fā)布，可實時調取各類監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)監(jiān)測中數(shù)據(jù)流的傳輸過程，邊坡智能監(jiān)測系統(tǒng)通常包括信息采集、數(shù)據(jù)傳輸與儲存、數(shù)據(jù)融合與分析及信息的應用，同時還應具有保證監(jiān)測系統(tǒng)有效運行的管理體系。

圖8 智能化邊坡監(jiān)測體系構成[104]Fig.8 Composition of intelligent slope monitoring system[104]

圖9 智能化邊坡監(jiān)測體系流程Fig.9 Process of intelligent slope monitoring system

智能化邊坡監(jiān)測體系的主要功能包括：1)對狀態(tài)變化的感知和探測；2)對數(shù)據(jù)信息的匯集和傳輸；3)對數(shù)據(jù)進行融合分析處理、狀態(tài)變化解析及變化趨勢預測；4)按照危險級別進行狀態(tài)預警和信息發(fā)布；5)根據(jù)需求進行狀態(tài)查詢、信息反饋等一系列活動。在邊坡監(jiān)測系統(tǒng)設計中，需要結合邊坡工程需求，確定監(jiān)測系統(tǒng)功能，且應考慮可靠性、多層次、關鍵部位優(yōu)先、整體性控制、遵照工程需要、方便適用經(jīng)濟合理等設計原則[105]。

智能化邊坡監(jiān)測體系綜合考慮邊坡失穩(wěn)的內、外部作用的全因素集，開展多技術手段聯(lián)合監(jiān)測，建立“全因素作用-邊坡內部狀態(tài)-坡體表觀狀態(tài)”的分析鏈，可實現(xiàn)邊坡實際狀態(tài)感知與失穩(wěn)過程機理闡釋。構建邊坡智能監(jiān)測體系后，可在公路邊坡“建—養(yǎng)—運—維”全過程中發(fā)揮重要作用，主要包括以下4點：1)合理評價邊坡施工及運營期邊坡的穩(wěn)定程度，跟蹤和控制施工進程，對原有設計和施工組織的改進提供最直接的依據(jù)，對可能出現(xiàn)的險情及時提供報警值，做到信息化施工和動態(tài)設計；2)為預防可能出現(xiàn)的滑坡及滑動、變形提供技術支撐，預測和預報邊坡位移、變形的發(fā)展趨勢，對邊坡巖土體的時效特性進行相關研究；3)對已發(fā)生滑動破壞或加固處理后的邊坡，檢驗其失穩(wěn)風險評估及治理措施和處治效果；4)基于大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，應用邊坡熱-水-力耦合本構模型進行參數(shù)反演，為邊坡狀態(tài)演變規(guī)律的精細化數(shù)值模擬計算提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 智能化邊坡監(jiān)測體系的發(fā)展方向

為使智能化邊坡監(jiān)測體系得到更好的發(fā)展和應用，學者們基于不同工程實踐和理論研究對其進行了不斷驗證、完善和拓展。其主要發(fā)展方向如下。

1)應用更先進的數(shù)學工具。在邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和應用中，各類監(jiān)測方法的數(shù)據(jù)結構優(yōu)化和多元監(jiān)測數(shù)據(jù)的協(xié)同融合是提高邊坡監(jiān)測系統(tǒng)工作效益的重要環(huán)節(jié)，加強監(jiān)測技術的集成性與協(xié)調性，利用先進的計算機技術對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整合，搜索邊坡的安全隱患并對滑坡進行預測預報，成為新階段邊坡監(jiān)測的發(fā)展方向[106]。黃耀英等[107]綜合極限分析與反演分析，對滑坡體強度參數(shù)及黏滯系數(shù)進行優(yōu)化。王峰等[108]綜合考慮粒子群算法與凹函數(shù)權值遞減策略相結合，驗證了反演參數(shù)的合理性。康飛等[109]綜合考慮了多種較強非線性擬合的智能機器學習理論，提出邊坡體系可靠性分析智能響應面法及基于群體智能的模型參數(shù)優(yōu)化流程，大幅度提高了分析效率。引入計算機視覺技術[110-111]，結合高分辨率遙感影像建立災害損毀評估模型，準確識別滑坡點與損毀區(qū)域，可為應急救災提供信息支持。伴隨算法上的進步，邊坡狀態(tài)評估和災變預測模型不斷更新，向響應更快速、預測更準確的方向發(fā)展。

2)充分掌握和表征邊坡災變機理。公路邊坡監(jiān)測和預警領域研究至今，學者們已逐漸認識到，邊坡的失穩(wěn)問題絕非簡單的巖土模型，而是一個復雜、開放，充滿了隨機性及不確定性的系統(tǒng)[112-114]。只有將變形監(jiān)測數(shù)據(jù)與破壞機理分析兩者結合起來，考慮邊坡失穩(wěn)過程中多因素的耦合作用，才能更準確地進行風險評估與災害預警。蔣水華等[115]對考慮土體多參數(shù)空間變異性及降雨入滲下的邊坡失穩(wěn)機理進行研究，發(fā)現(xiàn)滑動面位置不確定性和濕潤鋒的推進分別是降雨初期和后期影響邊坡穩(wěn)定性的關鍵因素。王述紅等[116]建立均質多層土質邊坡模型探究邊坡內入滲雨水方向的演變特征、影響因素及水流與有效應力關系?？傮w來說，選取一些反映邊坡內在變形機理和本質特征的指標作為預警參數(shù)，基于力學本構關系建立預估模型，最終實現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的預估、預警，是該方向研究的主線。

3)開展“天-空-地”一體化聯(lián)合監(jiān)測。為有效反映邊坡狀態(tài)變化特征，找出隱藏在隨機性、不確定性之后的發(fā)展規(guī)律，保證在邊坡出現(xiàn)異常情況前及時預警，應嘗試將多種智能監(jiān)測技術有機融合。隨著遙感技術的愈發(fā)成熟與逐步推廣，將InSAR面監(jiān)測手段、GNSS點監(jiān)測以及高分辨率遙感衛(wèi)星手段聯(lián)合運用，“空-天”識別與地面調查復核相結合的“天-空-地”一體化監(jiān)測體系成為邊坡監(jiān)測的未來發(fā)展方向。劉善軍等[117]對撫順西露天煤礦、鞍鋼鞍千鐵礦排土場及鞍鋼弓長嶺鐵礦邊坡進行了點面結合、時空互補、參數(shù)增強的天-空-地協(xié)同觀測，結合地基點式監(jiān)測與天基星面式監(jiān)測、在線監(jiān)測與離線監(jiān)測、變形監(jiān)測與溫度場監(jiān)測和現(xiàn)場監(jiān)測與力學數(shù)值模擬，推導和掌握了邊坡滑移的形成與時空發(fā)育規(guī)律。彭大雷[118]通過地質判識法和“天-空-地”一體化技術識別方法，建立了黃土邊坡滑坡風險智能化判別技術方法體系，通過研究確定了黃土高原依托工程的滑坡潛在隱患點，并結合2015—2018 間30 余起滑坡的現(xiàn)場調查數(shù)據(jù)進行了方法可靠性驗證。CIAMPALINI 等[119]對意大利圣弗拉泰羅市建筑基礎滑坡問題開展了“天-空-地”一體化監(jiān)測，如圖10所示。結合建筑物變形情況現(xiàn)場調研、圖像識別和高分辨率位移監(jiān)測，對比了建筑物變形速率與邊坡?lián)p傷評估結果，證明了該技術的有效性。

圖10 “天-空-地”監(jiān)測與驗證(據(jù)文獻[119]修改)Fig.10 "Sky-air-ground"monitoring and verification(Modified from Ref.[119])

4 智能化邊坡監(jiān)測的難點與前景展望

1)隨著邊坡監(jiān)測體系的智能化，監(jiān)測精度、時空覆蓋度和數(shù)據(jù)的處理效率均有大幅提高，但監(jiān)測能級的增加尚不能完全轉化為風險預警可靠度的提升。這是由于邊坡變形直至失穩(wěn)是一個復雜的力學過程，不僅基于其獨特的地域、地質等內在特征，而且與外部誘因密切相關，普適性的邊坡災變機理難以有效指導差異度較高的災變過程。目前較為完整的研究體系包含調查總結、理論分析、參數(shù)試驗、數(shù)值仿真、模型或現(xiàn)場試驗、反分析與結論驗證等步驟，這一過程較長，花費較高，對于大部分工程應用較難完全實現(xiàn)。如何加強指導理論與現(xiàn)場監(jiān)測結果之間的聯(lián)系，是提升智能化邊坡監(jiān)測準確性的重點和難點。建議研究制定具有可行性的規(guī)范、標準、工法等，深化對隨機有限元、可靠度算法等技術理論的研究，從理論層面實現(xiàn)風險預警準確性的提升。

2)自動化監(jiān)測體系的應用是實現(xiàn)公路基礎設施智能化的措施之一。就邊坡工程而言，由先進設備與技術所組成的系統(tǒng)成本高昂，在一定程度上限制了邊坡智能化監(jiān)測的大規(guī)模應用，如何降低成本是實際應用過程中的一個難點。常見的解決途徑主要有兩類：一類是降低單體設備成本，通過監(jiān)測設備的研發(fā)與改進，結合材料科學、光電科學、通信科學的研究成果，使用輕質復合材料、長壽命構件、模塊化更替組件等，降低監(jiān)測設備布設和運營成本，當然，技術創(chuàng)新不應以降低監(jiān)測設備的使用性能和魯棒性為代價；另一類則是合理界定邊坡監(jiān)測需求，即降低系統(tǒng)整體造價?，F(xiàn)有規(guī)范、規(guī)程對監(jiān)測體系的構建已有較為清晰的表述，但相關條文適用于以原位監(jiān)測為主的傳統(tǒng)監(jiān)測技術，尚缺乏對智能化監(jiān)測技術，特別是空天類、光纖類等新興監(jiān)測技術布設的說明，因此，在不同監(jiān)測技術手段的有效整合、監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)的動態(tài)調整等方面仍有較大的研究空間。

3)智能化監(jiān)測體系一般集成有不同類型監(jiān)測指標，由于技術原理的差異，不同指標反映出的邊坡狀態(tài)可能存在差異，加之邊坡失穩(wěn)過程高度不確定，如何基于多源監(jiān)測信息準確判斷邊坡狀態(tài)成為邊坡風險預警過程中突出的難點。究其根本，上述問題是判別標準的研究滯后于監(jiān)測技術造成的，長期以來，不同類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)難以形成有效融合，以致監(jiān)測結果“各自為戰(zhàn)”，對實際工程的指導作用大打折扣。目前的解決思路多停留在“極限狀態(tài)”“加權平均”等上，在復雜決策模型的引入，人工智能、機器學習等先進算法的結合等方面相對薄弱，如何有效利用類型和體量日益豐富的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將成為提高邊坡風險預警準確性的關鍵。