滑坡监测方法综述与展望

许威 ，李鹏辉 ，盛玉兴 ，胡阳 （合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 前言

滑坡通常是指斜坡岩土沿着贯通的剪切面所发生的地质位移现象，是一种广泛分布且十分具有危害性的地质灾害。滑坡经常给人类社会带来众多的人员伤亡和巨大的经济损失。1989年四川溪口遭遇史上罕见的特大暴雨袭击，产生滑坡并形成泥石流，该事件导致221余人死亡，直接经济损失达600多万元；2010-2013年，云南多处乡镇经历山体滑坡的噩梦，毁灭性灾害造成大量人员损失；2019年贵州省水城县坪地村岔沟组发生特大山体滑坡，造成人员损失42人[1-3]。除在我国发生的滑坡事件之外，世界各地滑坡事件也给他们造成了巨大的损失，1963年意大利北部威尼斯省瓦伊昂河下游水库库岸山体滑下超巨型坡体，导致近3000人死亡，经济损失不计其数[4]；2009年西西里岛东北部墨西拿省发生强降雨事件造成洪水，引发了数百起滑坡，造成31人死亡，7人失踪以及数百人受伤[5]。

为了减轻滑坡这种危害巨大的地质灾害带来的损失，人们很早就尝试了各种滑坡监测方法，并取得了一定的成效。如1991年采用设站仪器及自动连续观测成功预报瑞士阿尔卑斯山滑坡；1985年长江西陵峡新滩滑坡通过设站仪器的监测预报减少直接经济损失5700万元[6]；1996年中铁西北科学研究院成功预报焦家村滑坡，随后又成功预报青藏线上的关角隧道滑坡[7]。这些监测成功的案例为滑坡监测预报的研究积累了珍贵的经验。

滑坡运动具有其复杂性，同时受多种因素影响，目前难以透彻了解每一个滑坡内部特征，但是滑坡监测有助于对滑坡体的演变及特征进行掌握和分析，随着滑坡监测技术的不断进步，使得人们获得更加详实的滑坡数据，对滑坡的了解更加深入。滑坡监测技术为滑坡分析、预测提供有效的数据信息，同时也用来检验滑坡治理效果。因此，滑坡监测在滑坡的研究和治理中具有十分重要的作用。

1 滑坡监测方法

随着滑坡监测技术的发展，监测方法逐渐由以前的人工操作转变为自动化智能监测，监测内容、监测范围也不断扩大，对于不同的滑坡发育阶段及类型也采用不同的滑坡监测方法，在实际运用中，通常联合采用多种滑坡监测技术，获得更加详实准确的数据。目前，常用的滑坡监测方法如下表所示。

1.1 宏观地质监测法

宏观地质监测法属于常规地质调查方法，通过对滑坡等地质灾害的宏观变形及相关异常现象进行观测，如裂缝的发生与发展、局部坍塌、树木倾斜等，从而掌握滑坡的变形特征和发展趋势，以达到科学预测。该方法获取信息简单经济，实用性强，适用于各种不同变形阶段的滑坡，监测内容丰富、监测范围广，但其监测精度低，投入人力成本大，一般用于辅助监测。

1.2 大地测量法

大地测量法是应用高精度测角、测距的光学和光电仪器配合适当的大地测量方法实现对滑坡的监测任务。常用的高精度仪器包括经纬仪、水准仪、全站仪等，通常采用前方交会法、视准线法、小角法、测距法及几何水准测量法等。该方法不仅可以对重点区域进行定点变形监测，而且监控面积大，能确定滑坡范围及变形状态，同时只要仪器量程满足要求，就可以观测滑坡演变全过程。这些优点使其备受测量人员的青睐，但也往往受到地形和气象条件限制，且外业工作量大，测量周期长，不能连续观测。

测量机器人技术的出现大大弥补了这些缺点，测量机器人是在全站仪基础上集成激光、精密机械、微型计算机、CCD传感器以及人工智能技术的电子全站仪，能够代替人进行自动搜索、跟踪、识别和精准识别目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像信息。在金坪子滑坡变形中的应用体现了测量机器人的优点，它不仅能够自动快速检测，且时效性强，观测精度高，能够大大减轻工作人员的工作量，提高了工作效率[8]。

1.3 近景摄影测量法

近景摄影测量法是将近景摄影仪放在两个不同位置的测点，同时对滑坡观测点摄影构成立体影像，利用立体坐标仪测量相片上各观测点三维坐标的一种方法。该方法适用于地表位移变化速率较大的滑坡，其测量时信息容量高，信息易于储存，可远离摄影对象从而避开危险区域，可同时测量多点目标。但其缺点在于测量精度受测量设备影响误差较大，从而导致测量精度低，除此之外，该方法易受天气影响，专业化程度要求也较高，因而在滑坡监测技术中应用不够广泛[9]。

1.4 遥感监测法（Remote Sensing,RS）

遥感技术是20世纪新兴的测量技术，其观测时效性好，宏观性强，信息量丰富，在诸多领域中被广泛利用，随着技术的不断进步，遥感技术的观测精度也越来越高，从而在滑坡监测中发挥着更为重要的作用[10]。遥感监测法能够快速获取大范围的滑坡信息，比起常规监测手段，其监测范围更广，监测效率更高，同时经济消耗也更低，是滑坡等地质灾害不可或缺的监测手段之一。遥感图像用于滑坡地质灾害的测量中，可以评价滑坡产生的地质背景、地理分布和强度，同时在灾害发生后，利用遥感技术进行评估是一种直观而有效的方法，这是因为滑坡体的图像总是比四周稳定的山体要低，从而导致双方之间有一定色差，较好的显示了滑坡的存在[11]。

但是普通遥感技术受气候影响，且空间分辨率有限，可能错过某些地质构造，具有一定的局限性，但是随着科技的发展，雷达遥感的出现能够更好的解决这些问题，其中合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）在监测地质灾害方面有着巨大的潜力，如常用的合成雷达干涉系统（Interferometry SAR.InSAR）、差分干涉雷达系统（Differential InSAR.DInSAR）等，通过这些技术发射的雷达波能够穿透云雾，具有全天候工作能力，通过其产生的干涉图能够更为精确的获取地面信息。

四川茂县特大型滑坡发生后，许强教授等国内知名地灾防治专家提出“利用InSAR等技术开展四川高海拔地区山体滑坡识别与隐患排查”的建议；巨能攀教授等人利用InSAR等技术对西山村滑坡进行分析，得出可能失稳的结论，为滑坡防治提出了预警[12]；在意大利Tessina滑坡采用地面InSAR技术成功进行监测，并且与其他方法的监测数据进行对比证明了该技术的有效性[13]。这些实际案例充分说明了InSAR技术用于滑坡监测的广泛性与有效性，但是遥感技术也会受到季节，天气条件，地形等诸多因素的影响，因而需要与其他监测方法结合使用。

1.5 全球卫星导航系统（The Global Navigation Satellite System,GNSS）

GNSS是指包括GPS在内的全球导航卫星系统，起初用于军事行动，现在已广泛用于对地质灾害的监测。利用GNSS技术进行滑坡监测的方法具有高精度，数据采集速度快、效率高，自动化程度高，不受天气影响，观测站无需通视等诸多优点，是滑坡等地质灾害监测预警的强有力手段之一。GNSS系统中应用最为广泛的就是GPS系统，如在三峡库区设立多个GPS监测点，利用GPS技术替代常规外观观测方法对三峡库区进行全天候监测，预防可能出现的崩塌滑坡[14]；利用GNSS技术可以对区域内地震导致的地质位移进行长期监测，以帮助调查地质位移的空间变异性[15]。但是GNSS技术受地形影响时精度不够高，在高山等复杂地形区域，卫星信号容易被阻挡，导致测量精度受到影响，从而在使用时具有一定的局限性，但是随着GNSS技术的不断进步，GNSS逐渐从静态测量，后处理高精度测量，发展到了动态的实时测量模式，测量精度也在不断提高[16]。

1.6 时域反射监测方法（Time Domain Reflectometry,TDR）

时域反射监测方法（TDR）是一种电子测量技术。一个完整的TDR监测系统，由同轴电缆、电缆测试仪、数据记录仪、远程通信设备及数据分析软件组成。使用TDR技术进行监测时，首先根据需要在滑坡位置钻孔，并将TDR同轴电缆置于钻孔中。然后，将TDR电缆连接到电缆测试仪。电缆测试仪作为信号源发出脉冲波信号，当电缆在孔中发生变形时就会反射信号。数据记录器连接到电缆测试仪，用于记录和存储从电缆反射的脉冲，对其进行分析与处理。确定电缆发生形变的程度与位置，从而监测地质变形[17]。

该方法经济安全，监测时间短，可连续进行远程监测，数据获取周期短，由于这些优点，TDR技术在滑坡监测中有着广泛的应用，带有TDR设备的系统可以提供多通道测量，利用TDR技术可连续定位剪切平面、捕捉具有高时空分辨率的剪切变形区域，有利于滑坡防治。但是，该方法只对于剪切作用敏感，不能用于监测无剪切作用的区域，也不能确定滑坡滑移的方向[18]。

1.7 分布式光纤

分布式光纤传感技术是利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续测量环境参数，该技术同时具有光纤及光学测量的优点，如测量精度高、电绝缘性好、抗电磁干扰能力强、非入侵性、高灵敏性及远距离监测等。分布式光纤传感技术又分为分布式传光型（准分布式）和分布式传感型，准分布式光纤技术是多个光纤传感器的复用系统，光纤仅传递光路而不起传感作用，如光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG），而分布式传感技术类型最具代表性的技术为布里渊光时域反射传感技术(Brillouin Optic Time Domain Reflectometry,BOTDR)[19]。

分布式光纤传感技术在滑坡监测领域已有一定的使用经验，如重庆市利用FBG传感器及BOTDR光纤网络对残联滑坡进行监测，以及利用分布式光纤传感监测网络对马家沟滑坡进行监测，完善马家沟预警体系[20，21]。然而该技术也有其自身缺点，BOTDR技术成本及运行费用高昂，而FBG技术虽然更为低廉，但光线在滑坡监测中可能由于位移过大而损毁。虽然有着一些不足，但是分布式光纤技术在监测方面的重要性日益凸显，高性价比的分布式光纤传感监测系统是未来研究的热点。

监测方法综合对比表

2 滑坡监测研究展望

滑坡变形监测技术是滑坡预警的前提条件，精确且行之有效的滑坡监测技术是不可或缺的，然而单一的监测技术总是有其缺陷，因此组合使用不同滑坡监测技术对滑坡演变过程及特征进行分析是大势所趋，除此之外，对所收集的数据的分析结果也影响着对滑坡稳定性的评价，因此准确的数据处理能够更加精确确定区域的稳定性。

2.1 多种方法融合的滑坡监测系统

滑坡演变的不同阶段其稳定性不一，因此所选用的监测方法不一致，如当滑坡处于萌芽阶段时，滑坡变形较慢，采用测量机器人技术能够对监测区域进行长周期监测，当滑坡进入加速期是则采用GNSS进行检测，便于快速捕捉突发的滑动体[22]。

除了在不同阶段采用不同的监测手段，利用互补的监测技术对同一区域进行监测，从而获得更加立体的数据是更为巧妙的方法，如GNSS技术可以进行准确和高频地观测，而InSAR技术则可以以高分辨率进行空间分布的观测，将两者融合进入同一个监测系统中，能够以高空间密度以及高分辨率监视观测区域[23]；在印度，首次采用了由地面激光扫描仪、全球卫星导航系统（GNSS）、机器人总站以及合成孔径雷达干涉测量（InSAR）组成强效的测量框架，在不同空间范围对Sirobagarh地区的滑坡进行监测，获得了更为详实的数据，为滑坡预防提供了更多信息[24]。由这些案例可知，多技术融合使用能够更为具体、详实地获得不同时空被监测区域的数据，更有利于滑坡防治。

2.2 滑坡监测数据挖掘

滑坡监测经常受到多种因素的影响，如气候、降雨、地形地貌、人类活动等，因此对监测所得数据需要进行一定的处理，剔除异常数据，减少其他信息的干扰。常用的分析方法有比较法、作图法以及特征值统计法，随着研究的不断深入，对数据的处理也越来越准确，如考虑传感器监测数据间显式和隐式的关系，再结合滑坡形变与降雨等影响因素的相关知识，从而对相关数据模型进行约束，达到剔除误差的目的[25]；对斜坡表面的倾斜程度进行分析，提炼出坡面倾斜与位移的关系方程，从而通过表面倾斜测量预测滑坡的潜在发展，对新型的数据进行分析利用而提出了一种新的可能有效的滑坡监测方案[26]。对监测所得数据进行深入挖掘，通过数据挖掘剔除数据中的误差，得到更为准确的监测数据，就能实现更为精确的滑坡预警，除此之外，发掘监测区域其他物理特征，分析可能影响滑坡产生的因素，能够构建更为完整的数据模型，向精确进行滑坡预警的目标进步。

3 结语

本文对滑坡变形监测方法的应用和研究现状做了系统性的总结，综述了包括宏观地质法、大地测量法及测量机器人技术、遥感技术、GNSS技术、TDR技术和分布式光纤监测技术，对比分析了这些技术的优点与缺点，阐述了单一监测技术的局限性以及通过多种方法结合对滑坡进行监测的优越性。随着研究的不断进步，应注重多种监测方法的融合使用，以及对监测所采集数据的深入挖掘处理，从而使得滑坡预警结果更加准确，为滑坡等地质灾害的防治提供强有力的技术保障。