數字監測技術在礦山滑坡災害中的應用

薛 浩

滑坡現象是廣泛指位于斜坡上的濕滑土體或主要巖體，受山川河流洪水沖刷、地下水風化活動等導致土體在自然重力運動作用下，向較柔弱地帶整體分散的一種地址地貌現象。我國目前是全球地質災害較為多發的國家之一，尤以礦山滑坡地質災害的影響相較有些國家較為嚴重。據統計，在我國近年來所遭受的地質滑坡災害威脅的礦山工程現場約有70 多處，在治理災害上每年經濟投入較多。早期的災害預警能最大程度減少災害產生所造成的損失。因此，監測技術既是我國礦山滑坡災害調查、研究和災害防治基礎工程的重要技術組成環節，又是滑坡崩塌區和滑坡自然災害風險預測以及預報分析信息收集獲取的一種有效技術手段。

1 礦山滑坡監測的內容

礦山滑坡監測的內容主要是坡體形態動態變化的監測、物形態變化的監測、地下暗河流量監測和坡體整體形態變化的監測。目前，國內外用于礦山滑坡坡道動態現象監測的監控技術處理方法，已經初步發展并達到一個較高端的水平，已由過去的人工手動監測逐漸逐步過渡發展到采用儀器自動檢測，并且一步一步在向高精度的全自動監測系統發展。

2 數字滑坡技術的概況

當斜坡上的巖石和埃土受到水源沖刷和地震后遺癥的介入，常常會導致嚴重的山體滑坡自然現象。這種現象在對生態環境和人民生命財產安全造成嚴重影響的同時，人為監測的過程也十分艱難。為了加快監測效率，減輕滑坡對于環境和人的直接影響，數字化監測技術被應用到滑坡監測中，并在近年來蓬勃發展，為滑坡研究做出巨大貢獻。

數字滑坡監測技術，就是以RS（遙感）和GPS（定位系統）兩種方法為主，同時通過GIS 對數字信息進行儲存和管控，并且結合其他滑坡勘探手段并進行模擬試驗，從而可以獲取大量數字形式數據。同時利用得到的數據進行數字分析并存貯和管理這些滑坡信息；數字化的滑坡災害技術將能夠使我們現有的信息獲取、處理、預測及開展滑坡災害理論基礎研究相關工作。數字化滑坡技術對我國防治礦山滑坡自然災害起到了至關重要的作用。從上世紀80 年代開始，數字滑坡技術開始試驗，尤其在煤田地質上獲得一定的成就，而在20 世紀末開始廣泛應用并取得一定成效。

2.1 數字化滑坡監測技術的必要性

作為一種常見且破壞性極強的地質災害，人們對滑坡的重視和預防工作從未停息。但滑坡本身可控性極低，多為偶然觸發，人工監測難以清晰地判斷滑坡的具體信息，進而由于低效而不準確的人工信息造成難以預料的直接間接危害。所以，在信息時代，將數字化技術應用到滑坡檢測工作中成了大勢所趨。

2.2 數字化監測技術的主要任務和效果

數字化監測技術在滑坡的主要作用在于，通過高效準確的數字化技術，諸如GPS、傳感器等，將相關設備深埋地下或直接追蹤巖土體的穩定性，根據巖土體發生的細微的結構變化，進而對可能造成的不良后果進行預判。而數字化監測技術與人工監測的主要任務和效果，往往不盡相同。數字化監測技術往往通過高端的數字化方法，除了對巖土體進行實時監測外，還會對各類信息數據進行細化的分析處理，進而為更為高效和及時的預防工作提供可靠的信息資源，減輕滑坡的實在危害。

2.3 數字化監測技術的設計注意點

在設計滑坡檢測技術對滑坡進行預判時，應注意一定要在滑坡的整個時空領域進行，同時盡可能減少對數字化設備的浪費和重復。在具體操作過程中，應注意遠離工程實施的位點，以免造成相互的干擾，引來不必要的麻煩。同時加上不可或缺的人為輔助監測，在使用數字化監測的同時，進行必要的宏觀管理調控，預防數字化技術可能出現的漏洞，并對監測的結果進行詳盡刻畫分析。

3 礦山滑坡常見數字監測的方法

隨著科學技術的飛速發展，人類進入了數字化時代，數字化技術在科學研究中的地位和便捷作用日益突出?；伦鳛榈刭|研究中相對復雜的部分，人工監測效率低下工作量巨大，而數字化技術的運用大大促進了滑坡研究的高效進行。滑坡作為一個破壞性極大的一項地質災害，對環境和人民生命財產安全產生極大的影響。但過去的監測方式，效率低下不夠準確，難以有效降低滑坡的危害。而數字化時代的到來，給了滑坡監測新的機遇。在運用數字化技術時，應關注一些注意事項來提高精度和效率。隨后，本文詳盡介紹了GPS 技術、RTK 技術、三維激光掃描技術以及它們應用的原理和細節。正是這些數字化技術的投入使用，使得滑坡監測工作更上一層樓。

3.1 GPS 自動化監測

GPS 技術，主要通過相關的定位功能，將追蹤的物體進行時空位置的把握和定型。該技術在特殊的變形監測中應用十分廣泛和便捷。GPS 技術取代從前的大地測量法，不再需要通過復雜繁瑣的水準測量，無需視野通視便可實現遠距離觀測，只需通過其釋放信號的反饋直接高效完成。在構建GPS 監測網時，可自行設計穩妥的坐標定位，同時需在相關基巖上假設預定多個基準點，并安排具體人員進行精準測量和估算。在監測網的布局過程中，應尋找便于大范圍觀測的監測點，而在設備上也應講究高效和精準。在采取野外作業時，應格外防范圖形強度因子，相關人員應通過對天線高的精準測量和定位，對該因子進行衡量，從而讓觀測結果更為準確及時。在對GPS 監測網進行經典自由網平差時，應盡可能減少粗差對于觀測結果的實在影響。而為了取得更為精準的測量結果，往往也需要對觀測時間進行更為細化的要求和管控。GPS 監控系統目前作為幫助我國進行災害監測的一種重要技術手段，可以直接自動實現三維度的坡體測量，操作方法簡單，具有直接確定測量點與基站間距離并且實時傳送數據、能同時自動測定多個點的三維位移、不會受到外界各種氣候變化的影響，沒有時間限制、易于直接實現全部系統測量過程的自動化、可高效率地消除或很大程度上削弱系統的誤差產生的不良影響等許多優點。因此，GPS 滑坡監測技術在礦山滑坡變形過程中，其時效性被迅速得到應用，并得到了推廣。

對于這種新型GPS 全自動化滑坡監測系統，在實際監控礦山施工區域中的應用，由于接收GPS 信號的接收機造價非常昂貴，導致系統的前期礦山基礎建設以及使用管理成本很大。因此，高昂的技術成本在很大程度上也制約了其在我國礦山區域與滑坡區的路況分析監測中得廣泛應用。而新型GPS 天線陣列監測技術，就是在每個串口監測點上分別自動安置一個新的新型GPS 通用串口監測天線，通過一個串口監測天線陣列上的電纜，與各個監測接收機設備進行自動連接，系統操作人員也就能夠按照一個監測天線陣列設置，自動將其進行連接并監測，同時，獲取各個使用監測串口天線的發射衛星的信號，以及各個接收機的發射信號。因此在具體考慮是否增加一個天線硬件監測器的天線點數時，只根據實際需要同時考慮增加一個用于接收機的兩個天線之互相獨立連接的硬件通信設備電纜，從而可以使得設備使用成本大幅度的得到降低。另外一個由于監測重點區域只有一臺小型化的GPS 天線移動監測接收機，減少該監測系統的天線數據在處理上的成本和時間，從而降低了在數據處理上的工作復雜度，而基于小型GPS 陣列天線應用監測技術在礦山滑坡災害中得到廣泛應用，這種大型數據處理系統的應用監測方式與連續同時監測運行數據處理系統的應用監測方式一樣，使得整個系統同時獲取監測點位的數據精度也比較高。

RTK 技術，作為GDP 技術動態測量方法的特殊應用，首先，RTK 系統具有自身的一套系統。在這個系統內部，以兩個單頻GPS 接收機為中心部件，兩個接收機位置稍有區隔，一個安放在周圍穩定的坐標以備后續參照，另一個直接安放于準備監測的巖土體上。而在具體操作過程中，處在巖土體上的接收機將開始時的相關情況通過數據的傳送至附近穩定坐標的接收機，隨后將兩個接收機的相關情況分別導入計算機中進行詳細的分析處理。在接收觀測數據時，通常利用差分定位的基本原理，精確測算出監測點的位置，并對精度進行確切壓縮。在GPS 進行定位時，由于精度的結果受到幾何圖形空間結構的直接影響，所以在選取衛星時也具有十分的講究。在選星過程中，應格外關注GDOP 的數值，盡可能篩出數值較小的星作為最終的定位星，通常選5 個。

3.2 TDR 監測技術

時域反射方法監測是一種遠程高速遙感地形測試應用技術，產生于20 世紀30 年代，現在，在礦山滑坡災害監測技術應用研究方面也已經取得了很大成效。TDR 技術相比于常規的滑坡監測技術，在方法運用上更為新鮮，同時簡潔、減少經費的開支，基本原理也并不復雜，能夠有效減小工作量和勞動力成本。TDR技術對坡面的位置變化和形變的動態衡量具有極高的效率，在短時間內能夠完成人力難以企及的工作量。

同軸傳輸電纜中的TDR 與采用雷達傳播技術的電纜工作運動原理幾乎相同，其間的區別主要在于雷達傳播用的介質不同。在采用同軸傳輸電纜TDR 的測試工作過程中，采用這種同軸傳輸電纜具有一定傳輸能量的瞬時電脈沖的一種傳播介質，電脈沖信號在采用同軸傳輸電纜中增加傳播的速度同時，能夠準確反映出來同軸傳輸電纜的脈沖阻抗特性。當有線電纜結構發生重大變形時，它的阻抗特性將發生變化。

3.3 分布式光纖傳感技術

光纖傳感檢測技術主要是通過最具國際代表性的兩種新型分布式無線光纖反射傳感控制技術。在礦山滑坡路況監測中，光纖的選擇更為重要。因為各種滑坡體的溫度應變往往都比較大，恰當的滑坡光纖電纜選擇方案能夠促使滑坡監測器的壽命，從而提高后期施工效率。選用緊湊的套型救災專業專用光纖網絡布置可大大提高災害監測網的使用壽命，因此對于礦山滑坡發生災害抗測應用套型專業光纖，套型光纖網絡布置形式一般認為主要有兩種光纖網絡布置形式：一維套型光纖網絡形式布置形式，這種光纖網絡布置方式特別適合于同時進行監測一個不同運動方向的災害物體的響應表現情況；二維套型光纖網絡形式布置形式，這種方式適合于同時進行監測兩個不同運動方向的災害物體及其位移運動速度響應變化及其響應表現情況。在設計鋪設典型光纖時，應根據不同礦山施工區域的地質特點和滑坡體的狀態的特點決定，在確定具體的光纖鋪設方式。

3.4 基于無線傳感器網絡的滑坡監測

在大數據范圍檢測監控、預警的技術基礎上，以局域網為基礎研究技術平臺，主要研究致力于提高數據采集和信息發送技術的有效性及數據處理上的技術精確性，監測監控預警系統的技術層面結構大致分為兩個方面：上層的檢測監控預警中心和下層的檢測監控預警服務基站。監控器將基站和整個監控數據中心通過以太網連接起來，此外網絡管理人員也同樣可以通過自定義監控網絡來監控每個基站。監控節點基站和眾多的無線監控傳感器網絡節點一起連接組成無線監控傳感器節點網絡。無線監控傳感器中的網絡結構具有很好的可擴展性，隨意地添加增減監測節點對網絡無影響。因而用戶可以方便地根據實際應用情況隨意增加或盡量減少無線監控監測節點的網絡數量。

3.5 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術作為一項實景復制的高端數字化技術，也在滑坡的監測工作中廣泛應用。該技術可對坡面周圍進行大范圍全方位的掃描，精度和效率遠遠高于傳統測量方法。掃描完成后，將數據儲存記錄后進行進一步的去噪去干擾的深度處理，以防不必要的環境因素對最終結果的精確度產生不良影響。該技術對于滑坡的監測方面，最為便捷的地方便在于可以通過激光掃描儀對坡面的移動過程進行實時詳細無死角的掃描和監測，同時可以形成圖像信息，可通過對具體圖像的微妙變對坡面的適時情況和動態變化過程進行及時和準確的反饋，進而對滑坡的發生進行合理預測和及時預防。

4 數字化監測概述

數字化質量監測主要含義對企業數據庫，與企業數字化數據測量管理系統中，對相關數據進行采集并分析和自動檢測，同時，改系統能夠對其質量進行自動操控的一種智能化測量綜合監測系統。該安全系統不僅能夠有效實現企業計算機安全技術與企業數字化安全設備的有機緊密結合，在企業數字安全監測與數據處理系統中的廣泛應用及其效果也將變得更加顯著。通常這種情況下，數字化生產監測主要原理是按照相應的技術要求實時進行監測數據采集，然后將數據采集后的監測數據進行存儲存放到應的相應數據空間當中，為生產管理人員的生產測量管理工作活動提供數據分析參考。數字化采集監測分析系統在具有采集監測數據分析功能的基礎上，還需要能夠通過以往的監測數據備份對目前國內現有的監測數據功能進行綜合分析，其中最為重要的一點便是具有人機交互分析功能和監測數據信息傳輸處理功能，二者在監測信息處理的全過程實踐中都分別發揮了突出了十分重要的積極推動作用。

5 數字滑坡技術的應用

5.1 滑坡監測的數字化

在礦山滑坡運動監測中需要融入一種數字化滑坡監測信息系統，該技術保障監測數據采樣的同時，存儲讀取中不會受到其他特定因素的影響，便于對兩個模塊之間進行日常維護和監督管理，有效率地減少高山滑坡系統監測數據在采樣讀取中錯誤產生或者傳輸鏈路錯誤損壞現象的可能性?，F階段，我國的全套數字化滑坡監測管理系統，在西部礦山滑坡地區數字化管理監測技術中的廣泛應用，使西部滑坡地區監測管理系統的重要作用已經得到能夠充分發揮，使西部滑坡管理監測的測量精度水平得到顯著的提升，極大地程度促進到了我國西部礦山滑坡地區數字化管理監測技術的快速發展。

5.2 應用案例

2002 年4 月9 日西藏自貢地區發生的這次滑坡事故是一次搜救規模較大的大型滑坡災害。由于滑坡區地處青藏高原東南部的一座高山的大峽谷中，交通十分不便，所以當時采用中國衛星高空遙感技術實時監測該滑坡地區所有滑坡群體活動及調查周圍環境。先后成功使用了兩次滑坡前后及5 個不同軌道類型的11 個不同時相的太空衛星觀測數據，如下表。以一種數據交互的技術方式對此次滑坡后的當地滑體運動狀態的持續變化，及此次滑坡可能造成的自然災害發生情況等等進行了實時監測，避免后續危險的產生。

表1 礦山滑坡監測衛星數據

6 結語

隨著科學監測技術的不斷進步發展，我們的圖像監測技術已經越來越多，技術的不斷發展也越發完善。隨著我國遙感監控衛星探測科技的不斷進步，我們發展利用高科技探測手段作為遙感監測衛星的發展趨勢已經日趨明顯。我們仍然需要從日新月異的信息科技產業發展中去尋找到一個適合我們的專業的解決方法。目前的礦山滑坡早教監測不能只是單個滑坡監測技術方法就可以能做到完成的，需要我們通過綜合分析運用各種滑坡監測技術手段，將他們有效的應用結合在一起。每個滑坡監測處理方法都應該有自己的一個優點和一些缺點，幾個監測方法如果綜合研究使用就一定能優勢互補，更好地為礦山滑坡災害監測提供服務。從而有效減少滑坡災害帶來的環境危害與經濟損失。