曹阳威，马亚楠

(华北科技学院 计算机学院，北京 东燕郊 101601)



滑坡远程实时监测预警技术面临的问题和挑战

曹阳威，马亚楠

(华北科技学院 计算机学院，北京 东燕郊 101601)

为了更加深入的研究滑坡监测预警技术目前存在的问题并提出相应的改进措施，本文采用系统分析法分析了滑坡监测预警系统的组成及其各部分的作用，从数据采集子系统、数据传输子系统和数据处理子系统三方面对目前滑坡监测预警技术的发展现状进行了分析对比，最终归纳了现有滑坡监测预警技术三个子系统需要进一步解决的问题，为滑坡监测预警技术进一步的发展和其他研究工作者指明了方向。

滑坡；监测预警；问题和挑战

0 引言

我国地域辽阔、气候环境多样化是世界上地质灾害最严重的国家之一，根据国土资源部统计，崩塌、滑坡和泥石流的分布范围占国土陆地面积的44.8%，其中滑坡灾害是我国主要的地质灾害类型[1]。2005～2009年上半年的数据分析表明，每年滑坡的数量所占比重分别为52.7%、86.1%、61.0%、53.0%、55.5%[2]。2010年全国共发生地质灾害30670，其中滑坡有22329起，占总数的72.8%。滑坡具有数量大、分布广、发生频繁、缓慢性和隐蔽性等特点，一旦发生除了直接导致灾害外，还可造成诸多次生灾害，如中断交通，阻塞河道，摧毁厂矿，淹没村庄，造成人员伤亡和巨大的经济损失，同时能够产生重大的政治和社会影响[3]。据不完全统计，近10年来，因为滑坡、泥石流造成的死亡和失踪的人员平均月1000人，造成直接经济损失平均38.6亿元[4]。舟曲特大泥石流地质灾害众所周知，到2010年9月4日共造成1478人遇难，287人失踪[5]。然而随着我国位于高山峡谷地区的大型工程项目的日益增加和环境恶化的不断加剧，滑坡的危害日益突出[6]。

国内外普遍采用基于卫星定位的监测技术、基于物联网的技术和其他监测技术如次声监测、激光测距、遥感技术等来监测滑坡体的位移变化、降雨量变化和山体次声的变化。随着监测仪器的发展，监测精度不断的提高，但是由于监测设备昂贵的价格、安装不便、降雨量临界值不具有普适性等特点使得相关技术的推广和大面积使用十分困难；另外虽然监测精度在不断的提高和改善，但是预警效果还不算很理想，如2015年我国成功预报地质灾害481起，而2015年全国共发生地质灾害8223起，共造成229人死亡、58人失踪、138人受伤，直接经济损失高达24.9亿元，由此可知滑坡监测覆盖率、预警成功率相对较低，滑坡监测预警技术的推广应用和系统可靠性的提高是不得不解决的问题。

综上，为了尽可能多的减少人员伤亡和降低经济损失进一步提高滑坡监测预警系统的可靠性，系统的分析和总结目前滑坡监测预警系统中存在的问题和可以进一步需要改善的技术具有重要的意义。

1 滑坡监测预警系统

对于滑坡等边坡地质灾害最有效的防灾减灾手段就是对滑坡体进行有效的监测，把监测数据传输到监控中心并综合运用各种参数采用适当的预测模型对滑坡可能发生的情况进行有效可靠的预测预警。滑坡监测预警系统主要包括数据采集子系统、数据传输子系统和数据处理子系统，三者之间的关系和作用如图1所示。

图1 滑坡监测预警系统子系统之间的关系和作用

其中，数据采集子系统是系统成功的起点，决定了采集斜坡体的什么数据、采用什么监测技术采集数据和采用什么监测方案采集数据等问题；数据传输子系统是系统成功的桥梁，负责把数据采集子系统采集到的数据从监测现场完整地、实时地、有效地传递到监控中心；监测数据处理子系统负责把监测数据传输子系统传输到监控中心的数据进行存储、统计和分析，进而进行准确有效的预测预警。

2 滑坡监测预警系统研究现状

2.1 数据采集子系统

数据采集子系统需要解决监测和采集滑坡体什么数据的问题，其中监测要素的确定取决于滑坡发育情况的研究。目前滑坡发育特征和规律的研究主要以滑坡发育阶段为主线，以滑坡变形为重要依据，如许领等[7]研究了泾阳南塬黄土滑坡发育过程中裂缝的发育情况，李文彦等[8]通过研究得出滑坡裂缝月位移量与月降雨量之间具有较好的对应关系，何晓磊等[9]研究表明滑坡滑动过程其表面总体呈多级阶梯状，同时得出牵引式滑坡的过程论证；雍睿等[10]完成了推移式滑坡演化全过程的模拟，试验结果表明推移式滑坡表现出明显的演化阶段特征，许强等[11]等研究了滑坡时空演化规律，总结并提出斜坡变形时间演化的三阶段规律和斜坡裂缝空间演化的分期配套特性，孔纪名等[12]对滑坡发育的阶段性特征进行了观测并得出同样的结论，另外肖诗荣[13]、罗先启[14]、刘横秋[15]、王志强[16]等研究了不同类型滑坡的滑坡发育特征和规律，研究表明各种类型的滑坡发育特征都会伴随裂缝的发育，并且具有明显的阶段性特征，如图2所示。

图2 滑坡变形阶段演化图示

滑坡发育受到地形地貌、地层岩性、地质构造、植被作用、水的作用、地震作用和人为作用的影响，滑坡发育影响因素复杂多变与滑坡监测要素的之间的关系如图3所示错种复杂，因此不同地区不同类型不同时段的滑坡其变形阶段的阈值不尽相同甚至差异很大。

图3 滑坡发育过程

2.1.1 滑坡监测技术的发展现状

目前滑坡监测技术层出不穷、蓬勃发展，包括常规大地测量法、全球定位系统法、测量机器人监测法等等。常规大地测量方法监测地表变形采用经纬仪、水准仪、全站仪等常规光学仪器或电子测量仪器周期性地测量角度、距离、高差等，具有技术成熟、精度高、资料可靠、信息量大等优点适用于不同变形阶段的水平位移和垂直位移，是一切监测工作的基础，但是测量效率低、时间长，需要人力大，易受地形、通视和气候等条件的影响，不能连续观测；全球定位系统方法监测地表变形采用GPS接收机监测滑坡变形，具有精度高、不受地面通视和距离限制、可实现全天候、全自动化监测，适用于滑坡体不同变形阶段地表水平位移和垂直位移监测，但是一部分滑坡，会受到监测点顶空通视条件的影响，监测点多时费用较高；测量机器人技术监测地表变形监测精度高、自动化程度高、方便灵活、速度快、效益好，但是要求地面通视且范围不超过1500 m，受气候影响大；三维激光扫描技术监测地表变形法属于无合作目标主动遥感测量技术，事先不需要布置任何测量标志，直接对变形体进行扫描，但是得到的数据量大，没有实体特征参数，直接利用监测到的数据比较困难，还需要深入的研究，如三维激光扫描变形监测理论和数据处理方法等，价格高，目前普及推广有一定的难度；地面数字摄影测量方法监测地表变形发是采用多种图像摄取和像点量测方法，融合处理分析，能适应二中精度要求及各种应用场合的需求，省人力、投入快、安全，但是监测精度低、受环境条件影响大，主要适用于变形速率较大的滑坡水平位移和危险岩体陡壁裂缝变化的监测；地面裂缝张合监测方法采用钢卷尺、游标卡尺等监测属于人工监测，简单直观、资料可靠、但是精度低、速度慢、非自动化连续观测；地面倾斜法采用地面倾斜仪监测滑坡地表倾斜变化及其方向，主要适用于倾倒和角度变化的滑坡，不适用于顺层滑坡的监测；深部横向位移监测法采用钻孔倾斜仪，适用于所有滑坡、崩塌的变形监测、特别适用于变形缓慢、匀速变形监测的监测，是深部变形监测的主要和重要方法；声发射监测法采用声发射仪、地表仪等监测岩音频度岩音能率等参数来判断岩质滑坡变形情况和稳定情况，主要适用于岩质滑坡加速变形、邻近崩塌阶段的监测，不适用于土质的滑坡监测；应力应变监测法把地应力计等仪器埋设在钻孔、平硐、竖井中监测滑坡内不同深度应力、应变情况，用于区分压力区和拉力区，适用于不同滑坡的变形监测，综上各种滑坡监测预警技术优缺点对照表1所示。

表1 滑坡监测技术优缺点对照图

滑坡监测技术适用范围精度高低环境影响全天候否自动化度监测速度点位多少价格高低外业工作推广难易可靠性常规大地测量法大高大否低慢多低多易高全球定位系统法大高小是高快少高少难高测量机器人监测小高大否高快多低少难中三维激光扫描技术小高大否高慢少高多难中地面数字摄影测量小低大否高快多低少难中遥感监测方法大低大否低慢多高少难中地表裂缝张合监测小高是低低慢多低少难高滑坡体深部位移大高否是高快少高多易高

由表1可知，要想得到一种可大范围适用、受环境影响小、全天候、高自动化、监测快速精准有效、价格适当、操作简单、系统可靠性高的监测预警技术有待进一步的研究和论证。

2.1.2 数据采集子系统问题分析

(1) 滑坡地质灾害相关理论方面。对于滑坡地质灾害的种类、规模大小、发育机理和过程还未完全了解和掌握，滑坡初始阶段、等速阶段、加速阶段等发育过程相关临界值有待进一步的研究论证。

(2) 监测点方面。监测点的位置的选择容易受到地形和施工条件的限制，从而导致所选监测点的代表性存在一定的隐患；另外由于价格的原因，绝大多数滑坡监测技术监测点的数量有限，那么根据这少量且存在不能代表整个滑坡发育情况风险的监测点，监测到的数据是否接近滑坡发育的真实情况，而这些数据用在预测预警中是否准确可靠。

(3) 监测技术融合方面。为了保证获得真实有效、可靠高精度的监测数据，需要对相关监测技术进行组合使用，然而滑坡类型多种多样，滑坡监测技术优缺点各有不同，如何针对特性类型的滑坡进行怎样的监测技术组合才能保证整个监测方案达到监测精度高、速度快、价格适中需要进一步的研究确定。

(4) 监测仪器和设备方面。监测仪器和设备本身的精度和监测误差问题，也会对监测数据造成不同程度的影响，因此在数据分析中必须把监测仪器的误差和灵敏度等相关的因素考虑进去。

2.2 数据传输子系统

滑坡监测数据传输子系统一般分为监测现场传输和远程实时传输两部分，如图4所示。

图4 监测现场传输和远程实时传输示意图

监测现场传输就是把监测现场各个监测点采集到的数据汇聚到一起的过程，监测现场普遍采用GPRS分级传输机制，监测数据从最底层的监测点(二级监测点)传输到上一级监测点(一级监测点)，然后经由一级监测点集中传输到远程传输设备；远程实时传输就是把监测现场汇聚到远程传输设备的数据通过远程传输机制传输到监控中心。数据传输子系统需要达到的标准是数据传输不中断、数据完整不缺失、关键数据及时传和数据安全且有效。

2.2.1 数据传输技术对比分析

目前在滑坡监测预警系统中常用的数据传输技术有ZigBee技术、GPRS技术和北斗报文通讯技术[17-25]。其中ZigBee技术通讯距离为10～1000 m，带宽为250 kbps最大可扩展至65000个子节点，主要应用于传感器网络中；GPRS通信距离超过1000 m，带宽为10～1000 kbps，适用于远距离通信；北斗报文通信通过卫星通信，不受移动信号限制，一次传送多达120个汉字，通讯定位频率<1次/min，接口传输速率达到1200～115200 bit/s。三者之间的性能与特点比较如表2所示。

表2 滑坡监测系统数据传输技术性能与特点对比

项 目ZigBeeGPRS/GSM北斗通信传输速率传输速率一般传输速率一般传输速率低覆盖范围覆盖大部分区域覆盖大部分区域覆盖范围大建设成本建设成本低建设成本低建设成本高通信费用通信费用低通信费用低通信费用高实时性实时性差实时性稍差实时性好可靠性可靠性低可靠性较低可靠性好安全性安全性不高安全性一般安全性能高

2.2.2 数据传输子系统问题分析

(1) 数据传输的缺失和中断问题。传输能量的消耗导致的监测点失效，假如某个三级监测点失效造成的结果是监测数据的少量缺失，假如某个二级监测点失效造成的结果是监测数据的部分缺失，假如一级监测点失效造成的结果就是监测数据全部缺失;如何防止监测点失效导致的数据传输的缺失和中断，如怎样保证7*24小时的供电问题，如何防止监测现场的设备被破坏(恶劣环境、人为破坏)或者被盗窃。

(2) 数据传输的效率问题。如基于北斗报文的远程实时监测预警系统如何提高北斗传输内容的效率，增加数据传输量。

(3) 数据传输的优先性问题。对于数据传输队列的控制问题，一般情况下是先到先服务即先到先传输的原则，但是在数据拥堵或者紧急情况的时候如何对数据进行智能的排队传输，从而保证高重要度的数据能够及时快速地传递到监控中心。

(4) 数据传输过程的安全问题。网络数据安全问题是任何时候都不应该被忽略的问题，在滑坡等地质灾害的监测系统中，监测现场的监测数据必须要经过网络传输到监控中心才能得到存储、分析和利用。监测数据在网络传输中就可能会受到黑客攻击、病毒、网络瘫痪等威胁，如何对监测数据加密传输同样值得进一步的研究。

2.3 数据处理子系统

数据处理子系统包括数据的存储、显示和分析。合理有效的数据库有助于数据的高效存储和使用、丰富的数据显示内容和格式有利于得出更多更可靠的结论，及时准确的数据分析对于监测预警至关重要。

2.3.1 数据处理技术

数据处理子系统的最终目的是对滑坡发育尽可能作出准确的预测预报，滑坡预测预报可以分为空间预测和时间预测[25-29]。

空间预测是指对滑坡发生的地点规模等的预测，步骤如下：1)相关参数分析，如工程条件参数、滑坡特征参数、运动特征参数、区位特征参数和滑坡体材料参数；2)预测方法选择，包括可能发生地点预测预报、稳定性评价预报、活动强度预测预报。

目前使用较多的方法有传统的稳定系数预测法、神经网络法、信息模型法、模糊综合评判法。

时间预报是指对边坡失稳发生具体时间的预报，步骤如下：1)根据因子分析法对滑坡时间预测预报参数进行分析，找出主要的变量；2)利用模糊概率分析模型、置信度分布模型以及参数数据可靠性分析模型对滑坡预测预报参数进行置信度分析及其可靠性检验；3)根据相应原则选择相应的预测预报参数。常用的方法有斋藤法、灰色理论模型、非线性动力学模型和多参数报法。

2.3.2 数据处理子系统问题分析

(1) 预测预警理论方面。随着数学的不断发展，目前国内外学者已经提出40多种滑坡预测预报模型和方法，大致可以分为确定性预报模型、统计预报模型、非线性预报模型三类，然后这些模型和方法都是基于对滑坡变形-时间曲线的拟合推理，一般用于“后验性”检验。在实际预报中存在的问题，如同一滑坡的变形监测数据，采用不同的预报模型，可能会得出差别很大的预报结果；同一滑坡，采用不同时间段的监测数据用同一种模型进行预报，也会得出不同的预报结果。

(2) 定性分析方面。根据滑坡体裂缝分期配套系统对滑坡体进行推移式滑坡、渐进后退式滑坡等类型的定性判断的准确性，直接影响到选取哪些监测点作为更具有代表性的监测数据进行预测预报工作。一般情况下，对于渐进后退式滑坡选择位于滑坡后缘弧形拉裂缝附近的监测点作为代表整个滑坡监测的变形特征，而推移式的滑坡选择前缘隆起部位的监测点作为具有代表的关键监测点，但是收到地形地貌、地质结构和外界因素的影响，同一滑坡不同部位不同区段的变形规律会有所差别，这就给滑坡变形分区定性判断带来了一定的风险。

(3) 定量分析方面。大部分研究通过斜坡变形-时间曲线切线角Q的大小把斜坡变形分为初始变形阶段(Q<45°)、等速变形阶段(Q近似于45°)、加速变形阶段(Q>45°)，但是由于滑坡成因的差异性和环境的多边形，滑坡变形阶段的位移速度大小和位移加速度大小(相关临界值)很难做到定量分析，滑坡的定量预报适应性差、预报准确度不高、预报不具有针对性。

(4) 关键数据的选择。在多个监测点中，究竟选取哪个监测点的监测数据作为预报依据？在一个监测时间序列中，究竟选取哪个时间段、多长时间段的监测数据作为预报依据等等相关问题直接影响了预报的准确性和可靠性。

3 结论

滑坡监测预警系统包括数据采集子系统、数据传输子系统和数据处理子系统，数据采集子系统是系统成功的起点、数据传输子系统是系统成功的桥梁、数据处理子系统是系统成功的终点，三者相辅相成同等重要，从滑坡发育情况、滑坡监测要素确定、滑坡监测技术发展、滑坡监测方案设计、数据传输的可靠性和滑坡预测理论的研究现状都可能影响系统最终的可靠性，因此相关的细节需要更多的研究实践和证明。除此之整个系统的供电问题、节能问题、设备保护问题、系统维护等问题都需要进一步的研究和完善。

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Challenges and Issues of Remote Monitoring and Warning Technology on Landslides in Real Time

CAO Yang-wei，MA Ya-nan

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao,101601,China)

In order to study the problems of the landslide monitoring and early warning technology more deeply and propose measures for improvement，this article analyzes the composition of landslide monitoring and early warning system and the effect of each part with System Analysis Method，and conducts comparative analysis of the technology development status from three terms：data collection subsystem，data transmission subsystem and data analysis subsystem, finally summarizes the problems and challenges existing in landslide monitoring and early warning technology development, which indicates the directions for the future studies in landslide monitoring technology and other researchers.

landslide; monitoring and early warning; challenges and issues

2016-01-13

中央高校基本科研业务基金资助项目(3142015056)

曹阳威(1988-)，男，河南杞县人，硕士，华北科技学院计算机学院在读硕士研究生,研究方向：物联网技术和地质灾害监测技术。E-mail：942882451@qq.com

P642.22

A

1672-7169(2016)02-0098-07