滑坡監測方法綜述與展望

許威 ，李鵬輝 ，盛玉興 ，胡陽 （合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

滑坡通常是指斜坡巖土沿著貫通的剪切面所發生的地質位移現象，是一種廣泛分布且十分具有危害性的地質災害。滑坡經常給人類社會帶來眾多的人員傷亡和巨大的經濟損失。1989年四川溪口遭遇史上罕見的特大暴雨襲擊，產生滑坡并形成泥石流，該事件導致221余人死亡，直接經濟損失達600多萬元；2010-2013年，云南多處鄉鎮經歷山體滑坡的噩夢，毀滅性災害造成大量人員損失；2019年貴州省水城縣坪地村岔溝組發生特大山體滑坡，造成人員損失42人[1-3]。除在我國發生的滑坡事件之外，世界各地滑坡事件也給他們造成了巨大的損失，1963年意大利北部威尼斯省瓦伊昂河下游水庫庫岸山體滑下超巨型坡體，導致近3000人死亡，經濟損失不計其數[4]；2009年西西里島東北部墨西拿省發生強降雨事件造成洪水，引發了數百起滑坡，造成31人死亡，7人失蹤以及數百人受傷[5]。

為了減輕滑坡這種危害巨大的地質災害帶來的損失，人們很早就嘗試了各種滑坡監測方法，并取得了一定的成效。如1991年采用設站儀器及自動連續觀測成功預報瑞士阿爾卑斯山滑坡；1985年長江西陵峽新灘滑坡通過設站儀器的監測預報減少直接經濟損失5700萬元[6]；1996年中鐵西北科學研究院成功預報焦家村滑坡，隨后又成功預報青藏線上的關角隧道滑坡[7]。這些監測成功的案例為滑坡監測預報的研究積累了珍貴的經驗。

滑坡運動具有其復雜性，同時受多種因素影響，目前難以透徹了解每一個滑坡內部特征，但是滑坡監測有助于對滑坡體的演變及特征進行掌握和分析，隨著滑坡監測技術的不斷進步，使得人們獲得更加詳實的滑坡數據，對滑坡的了解更加深入。滑坡監測技術為滑坡分析、預測提供有效的數據信息，同時也用來檢驗滑坡治理效果。因此，滑坡監測在滑坡的研究和治理中具有十分重要的作用。

1 滑坡監測方法

隨著滑坡監測技術的發展，監測方法逐漸由以前的人工操作轉變為自動化智能監測，監測內容、監測范圍也不斷擴大，對于不同的滑坡發育階段及類型也采用不同的滑坡監測方法，在實際運用中，通常聯合采用多種滑坡監測技術，獲得更加詳實準確的數據。目前，常用的滑坡監測方法如下表所示。

1.1 宏觀地質監測法

宏觀地質監測法屬于常規地質調查方法，通過對滑坡等地質災害的宏觀變形及相關異常現象進行觀測，如裂縫的發生與發展、局部坍塌、樹木傾斜等，從而掌握滑坡的變形特征和發展趨勢，以達到科學預測。該方法獲取信息簡單經濟，實用性強，適用于各種不同變形階段的滑坡，監測內容豐富、監測范圍廣，但其監測精度低，投入人力成本大，一般用于輔助監測。

1.2 大地測量法

大地測量法是應用高精度測角、測距的光學和光電儀器配合適當的大地測量方法實現對滑坡的監測任務。常用的高精度儀器包括經緯儀、水準儀、全站儀等，通常采用前方交會法、視準線法、小角法、測距法及幾何水準測量法等。該方法不僅可以對重點區域進行定點變形監測，而且監控面積大，能確定滑坡范圍及變形狀態，同時只要儀器量程滿足要求，就可以觀測滑坡演變全過程。這些優點使其備受測量人員的青睞，但也往往受到地形和氣象條件限制，且外業工作量大，測量周期長，不能連續觀測。

測量機器人技術的出現大大彌補了這些缺點，測量機器人是在全站儀基礎上集成激光、精密機械、微型計算機、CCD傳感器以及人工智能技術的電子全站儀，能夠代替人進行自動搜索、跟蹤、識別和精準識別目標并獲取角度、距離、三維坐標以及影像信息。在金坪子滑坡變形中的應用體現了測量機器人的優點，它不僅能夠自動快速檢測，且時效性強，觀測精度高，能夠大大減輕工作人員的工作量，提高了工作效率[8]。

1.3 近景攝影測量法

近景攝影測量法是將近景攝影儀放在兩個不同位置的測點，同時對滑坡觀測點攝影構成立體影像，利用立體坐標儀測量相片上各觀測點三維坐標的一種方法。該方法適用于地表位移變化速率較大的滑坡，其測量時信息容量高，信息易于儲存，可遠離攝影對象從而避開危險區域，可同時測量多點目標。但其缺點在于測量精度受測量設備影響誤差較大，從而導致測量精度低，除此之外，該方法易受天氣影響，專業化程度要求也較高，因而在滑坡監測技術中應用不夠廣泛[9]。

1.4 遙感監測法（Remote Sensing,RS）

遙感技術是20世紀新興的測量技術，其觀測時效性好，宏觀性強，信息量豐富，在諸多領域中被廣泛利用，隨著技術的不斷進步，遙感技術的觀測精度也越來越高，從而在滑坡監測中發揮著更為重要的作用[10]。遙感監測法能夠快速獲取大范圍的滑坡信息，比起常規監測手段，其監測范圍更廣，監測效率更高，同時經濟消耗也更低，是滑坡等地質災害不可或缺的監測手段之一。遙感圖像用于滑坡地質災害的測量中，可以評價滑坡產生的地質背景、地理分布和強度，同時在災害發生后，利用遙感技術進行評估是一種直觀而有效的方法，這是因為滑坡體的圖像總是比四周穩定的山體要低，從而導致雙方之間有一定色差，較好的顯示了滑坡的存在[11]。

但是普通遙感技術受氣候影響，且空間分辨率有限，可能錯過某些地質構造，具有一定的局限性，但是隨著科技的發展，雷達遙感的出現能夠更好的解決這些問題，其中合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar,SAR）在監測地質災害方面有著巨大的潛力，如常用的合成雷達干涉系統（Interferometry SAR.InSAR）、差分干涉雷達系統（Differential InSAR.DInSAR）等，通過這些技術發射的雷達波能夠穿透云霧，具有全天候工作能力，通過其產生的干涉圖能夠更為精確的獲取地面信息。

四川茂縣特大型滑坡發生后，許強教授等國內知名地災防治專家提出“利用InSAR等技術開展四川高海拔地區山體滑坡識別與隱患排查”的建議；巨能攀教授等人利用InSAR等技術對西山村滑坡進行分析，得出可能失穩的結論，為滑坡防治提出了預警[12]；在意大利Tessina滑坡采用地面InSAR技術成功進行監測，并且與其他方法的監測數據進行對比證明了該技術的有效性[13]。這些實際案例充分說明了InSAR技術用于滑坡監測的廣泛性與有效性，但是遙感技術也會受到季節，天氣條件，地形等諸多因素的影響，因而需要與其他監測方法結合使用。

1.5 全球衛星導航系統（The Global Navigation Satellite System,GNSS）

GNSS是指包括GPS在內的全球導航衛星系統，起初用于軍事行動，現在已廣泛用于對地質災害的監測。利用GNSS技術進行滑坡監測的方法具有高精度，數據采集速度快、效率高，自動化程度高，不受天氣影響，觀測站無需通視等諸多優點，是滑坡等地質災害監測預警的強有力手段之一。GNSS系統中應用最為廣泛的就是GPS系統，如在三峽庫區設立多個GPS監測點，利用GPS技術替代常規外觀觀測方法對三峽庫區進行全天候監測，預防可能出現的崩塌滑坡[14]；利用GNSS技術可以對區域內地震導致的地質位移進行長期監測，以幫助調查地質位移的空間變異性[15]。但是GNSS技術受地形影響時精度不夠高，在高山等復雜地形區域，衛星信號容易被阻擋，導致測量精度受到影響，從而在使用時具有一定的局限性，但是隨著GNSS技術的不斷進步，GNSS逐漸從靜態測量，后處理高精度測量，發展到了動態的實時測量模式，測量精度也在不斷提高[16]。

1.6 時域反射監測方法（Time Domain Reflectometry,TDR）

時域反射監測方法（TDR）是一種電子測量技術。一個完整的TDR監測系統，由同軸電纜、電纜測試儀、數據記錄儀、遠程通信設備及數據分析軟件組成。使用TDR技術進行監測時，首先根據需要在滑坡位置鉆孔，并將TDR同軸電纜置于鉆孔中。然后，將TDR電纜連接到電纜測試儀。電纜測試儀作為信號源發出脈沖波信號，當電纜在孔中發生變形時就會反射信號。數據記錄器連接到電纜測試儀，用于記錄和存儲從電纜反射的脈沖，對其進行分析與處理。確定電纜發生形變的程度與位置，從而監測地質變形[17]。

該方法經濟安全，監測時間短，可連續進行遠程監測，數據獲取周期短，由于這些優點，TDR技術在滑坡監測中有著廣泛的應用，帶有TDR設備的系統可以提供多通道測量，利用TDR技術可連續定位剪切平面、捕捉具有高時空分辨率的剪切變形區域，有利于滑坡防治。但是，該方法只對于剪切作用敏感，不能用于監測無剪切作用的區域，也不能確定滑坡滑移的方向[18]。

1.7 分布式光纖

分布式光纖傳感技術是利用光波在光纖中傳輸的特性，可沿光纖長度方向連續測量環境參數，該技術同時具有光纖及光學測量的優點，如測量精度高、電絕緣性好、抗電磁干擾能力強、非入侵性、高靈敏性及遠距離監測等。分布式光纖傳感技術又分為分布式傳光型（準分布式）和分布式傳感型，準分布式光纖技術是多個光纖傳感器的復用系統，光纖僅傳遞光路而不起傳感作用，如光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating,FBG），而分布式傳感技術類型最具代表性的技術為布里淵光時域反射傳感技術(Brillouin Optic Time Domain Reflectometry,BOTDR)[19]。

分布式光纖傳感技術在滑坡監測領域已有一定的使用經驗，如重慶市利用FBG傳感器及BOTDR光纖網絡對殘聯滑坡進行監測，以及利用分布式光纖傳感監測網絡對馬家溝滑坡進行監測，完善馬家溝預警體系[20，21]。然而該技術也有其自身缺點，BOTDR技術成本及運行費用高昂，而FBG技術雖然更為低廉，但光線在滑坡監測中可能由于位移過大而損毀。雖然有著一些不足，但是分布式光纖技術在監測方面的重要性日益凸顯，高性價比的分布式光纖傳感監測系統是未來研究的熱點。

監測方法綜合對比表

2 滑坡監測研究展望

滑坡變形監測技術是滑坡預警的前提條件，精確且行之有效的滑坡監測技術是不可或缺的，然而單一的監測技術總是有其缺陷，因此組合使用不同滑坡監測技術對滑坡演變過程及特征進行分析是大勢所趨，除此之外，對所收集的數據的分析結果也影響著對滑坡穩定性的評價，因此準確的數據處理能夠更加精確確定區域的穩定性。

2.1 多種方法融合的滑坡監測系統

滑坡演變的不同階段其穩定性不一，因此所選用的監測方法不一致，如當滑坡處于萌芽階段時，滑坡變形較慢，采用測量機器人技術能夠對監測區域進行長周期監測，當滑坡進入加速期是則采用GNSS進行檢測，便于快速捕捉突發的滑動體[22]。

除了在不同階段采用不同的監測手段，利用互補的監測技術對同一區域進行監測，從而獲得更加立體的數據是更為巧妙的方法，如GNSS技術可以進行準確和高頻地觀測，而InSAR技術則可以以高分辨率進行空間分布的觀測，將兩者融合進入同一個監測系統中，能夠以高空間密度以及高分辨率監視觀測區域[23]；在印度，首次采用了由地面激光掃描儀、全球衛星導航系統（GNSS）、機器人總站以及合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）組成強效的測量框架，在不同空間范圍對Sirobagarh地區的滑坡進行監測，獲得了更為詳實的數據，為滑坡預防提供了更多信息[24]。由這些案例可知，多技術融合使用能夠更為具體、詳實地獲得不同時空被監測區域的數據，更有利于滑坡防治。

2.2 滑坡監測數據挖掘

滑坡監測經常受到多種因素的影響，如氣候、降雨、地形地貌、人類活動等，因此對監測所得數據需要進行一定的處理，剔除異常數據，減少其他信息的干擾。常用的分析方法有比較法、作圖法以及特征值統計法，隨著研究的不斷深入，對數據的處理也越來越準確，如考慮傳感器監測數據間顯式和隱式的關系，再結合滑坡形變與降雨等影響因素的相關知識，從而對相關數據模型進行約束，達到剔除誤差的目的[25]；對斜坡表面的傾斜程度進行分析，提煉出坡面傾斜與位移的關系方程，從而通過表面傾斜測量預測滑坡的潛在發展，對新型的數據進行分析利用而提出了一種新的可能有效的滑坡監測方案[26]。對監測所得數據進行深入挖掘，通過數據挖掘剔除數據中的誤差，得到更為準確的監測數據，就能實現更為精確的滑坡預警，除此之外，發掘監測區域其他物理特征，分析可能影響滑坡產生的因素，能夠構建更為完整的數據模型，向精確進行滑坡預警的目標進步。

3 結語

本文對滑坡變形監測方法的應用和研究現狀做了系統性的總結，綜述了包括宏觀地質法、大地測量法及測量機器人技術、遙感技術、GNSS技術、TDR技術和分布式光纖監測技術，對比分析了這些技術的優點與缺點，闡述了單一監測技術的局限性以及通過多種方法結合對滑坡進行監測的優越性。隨著研究的不斷進步，應注重多種監測方法的融合使用，以及對監測所采集數據的深入挖掘處理，從而使得滑坡預警結果更加準確，為滑坡等地質災害的防治提供強有力的技術保障。