滑坡监测系统在北长山岛山后村山体滑坡监测中的应用

周航，刘乐军*，王东亮，李萍，高伟，周庆杰，杨庆乐



滑坡监测系统在北长山岛山后村山体滑坡监测中的应用

周航1，刘乐军1*，王东亮2，李萍3，高伟3，周庆杰1，杨庆乐3

(1.国家海洋局第一海洋研究所 海洋工程与测绘研究中心，山东 青岛 266061；2.烟台海洋环境监测预报中心，山东 烟台 264003；3.国家海洋局第一海洋研究所 海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室，山东 青岛266061)

摘要：为有效地监测海岛山体滑坡，找到滑坡的诱发因素，以达到海岛地区防灾减灾的目的。本文以北长山岛为例，针对采石引起的滑坡，利用GPS、三维激光扫描、无人机遥感、位移传感器4种滑坡监测方法，联合建立了北长山岛山后村山体滑坡监测系统。通过对比分析这4种方法发现，在三维激光扫描点云数据密集的滑坡体中、下部选择三维激光扫描获取的滑坡体形态数据，在点云数据稀疏的滑坡体上部选择无人机遥测获取的滑坡体形态数据，精确获取了不同时期滑坡体的挖方量、滑移量；位移传感器获取的实时位移监测数据可得到滑坡体的实时滑移动态，发现在其监测数据突变时滑坡存在滑动的风险。研究还发现采石和降雨是引起山后村滑坡体滑移的两个最重要因素，采石导致滑坡体体积整体减小，降雨导致滑坡体上部拉张加速并引起碎石滑塌。由于监测区环境条件的限制，该系统只能进行滑坡体的表面变形监测。研究成果可为其他海岛滑坡的监测乃至预警提供借鉴和参考。

关键词：北长山岛；山体滑坡；滑坡监测；采石

1引言

山体滑坡是常见的地质灾害之一，主要发生在山地的山坡、丘陵地区的斜坡、岸边、路堤或基坑等地带。山体滑坡不仅可以造成一定范围内的人员伤亡和财产损失[1]，还会给附近的桥梁、建筑等工程设施造成严重的危害[2—3]。由于海岛的自然和社会条件相对特殊[4]，例如：海岛相对孤立地散布于海上，交通不便；海岛上各项基础设施建设滞后，医疗、水、电、道路较差，经济相对落后[5]。如果海岛发生山体滑坡，就将会给本就落后的海岛造成巨大的损失，因此对海岛山体滑坡进行监测具有十分重要的意义。

引起山体滑坡的主要外部因素有工程施工、采石、降雨等[6—9]。例如，2009年云南禄劝县曾出现因修路引起山体滑坡的事件，2013年7月22日连续暴雨导致长岛发生山体滑坡，而采石引起的山体滑坡事件更是比比皆是。近年来，随着北长山岛经济的迅猛发展，岛上采石活动日益加剧，进而引发了一系列的地质灾害问题，其中以山体滑坡最为严重。

传统的山体滑坡监测方法大致有：大地测量法，液体静力水准测量、重力测量法，近影摄影测量法、地下水位监测法，电测法、地下钻孔倾斜等[10]。虽然这些方法都可用于监测山体滑坡，但由于海岛条件的局限性，就需要采用更具有针对性的方法对海岛山体滑坡进行有效监测。本文依托“国家海洋公益性行业专项”项目的支持，针对采石造成山体滑坡这一特殊案例，探讨了多种监测方法的优缺点，采用了其中几种监测方法建立了北长山岛山后村山体滑坡监测系统，并分析了该监测系统的合理性和存在的问题，从而为山后村山体滑坡监测甚至预警提供充分的支持。

2研究区域概况

北长山岛位于庙岛群岛南部，北为长山水道，南与南长山岛相连，隶属烟台市长岛县管辖(图1)。北长山岛为基岩岛[11]，岛体主要由石英岩构成，夹杂板岩和千枚岩[12]，岩体节理与层理垂直，且垂直节理裂隙发育，造成岛体北东部悬崖直立，崩塌落石频发。山后村山体滑坡位于北长山岛东南侧(图1)，为岩质滑坡，是北长山岛最为典型也是危害最大的滑坡体，滑坡区主要位于山后村采石场内，现场调查时其仍在施工。滑坡整体宽度约320 m，平均高度80 m，总体积约为50×104m3(垂直投影体积)，坡度将近70°。滑坡区中部采石较少，状态基本稳定，而南北两侧由于持续采石，崖体下部形成采空面导致滑坡体处于极不稳定状态，且该处石英岩中夹杂有不少的千枚岩，容易发生崩塌，并对采石场下人工修建的滨海公路及养殖大棚造成严重危害(图2)。

图1　北长山岛山后村采石场位置Fig.1　The quarry position in Shanhou Village of the northern Changshan Island

3海岛山体滑坡监测方法比较

以陆地常用的山体滑坡监测方法为依据，选取了几种山体滑坡监测的方法(表1)进行了比较，以期选出适用于北长山岛后山村山体滑坡的监测方法。

表1　山体滑坡监测方法比较

针对海岛独特的自然社会条件，结合各监测方法的优缺点及对滑坡场址条件的要求，选择合适的方法对不同类型的海岛滑坡进行有效监测。

4不同监测方法在北长山岛山后村山体滑坡监测中的应用

针对北长山岛山后村山体滑坡的特点，应用并对比分析了以上几种山体滑坡监测方法，发现宏观地质观测法(精度太低、滑坡体岩石破碎严重无法进行精确测量，且滑坡体高度、坡度不能满足工作要求)、地质雷达监测方法(滑坡体坡度大、岩石破碎严重，地质雷达无法在滑坡体倾斜面上进行作业，仅能获取滑坡体底部的少量内部信息，意义不大[19])和钻孔倾斜监测方法(滑坡体岩石破碎程度过高不适合钻机的钻孔工作及钻孔倾斜仪的安装)在此处并不适用，于是最终选择了以下几种方法建立了北长山岛山后村山体滑坡监测系统对滑坡进行表面变形监测。

4.1GPS监测方法

长岛县国土资源局每周派遣工作人员测量滑坡体上部两个固定桩基的绝对高程，发现滑坡体整体呈向外滑移状态。

4.2三维激光扫描监测方法

2012年6月至2013年11月，先后对滑坡体进行了5次三维激光扫描(图3)，针对滑坡情况最为严重的北侧主滑坡区，分析监测数据发现北侧主滑坡体总体体积呈减小趋势(图4)，特别是2012年6-11月采石期，采石量达到山体的6.2%。而进入禁采期(2012年11月)之后，山体向外拉张使其上部体积逐渐增大；而下部体积由于山体持续下滑和盗采而逐渐减小。其中2013年8月下部体积增大，主要是因为暴雨造成上部山体扩张加速，碎石大量滑塌堆积。

图3　2013年8月北长山岛山后村滑坡体三维激光扫描结果示意图Fig.3　3D laser scanning results of the landslide in Shanhou Village of the northern Changshan Island in August 2013

图4　山后村北侧主滑坡体体积变化趋势Fig.4　Variation tendency of the main landslide volume in north side of Shanhou Village

4.3无人机遥感监测方法

2012年6月和2012年8月利用低空四旋翼无人机遥感系统对滑坡区开展了无人机飞行作业，通过处理两期的滑坡区三维高程信息，获得滑坡区两期高程分级变化图像(图5)，并对各个分级的区域面积进行统计。其主要特征为：该区高程变化明显，高程降低幅度在5.0～10.0 m的区域约占统计区域3.9%，主要分布在北侧主滑坡区和南侧滑坡区内侧，主要是原有完整山体被采挖后引起的；高程降低幅度在1.0～5.0 m的区域约占统计区域的27.5%，主要分布于纵深不深的原有采挖区域。

图5　北长山岛山后村山体滑坡区2012年6月至2013年8月期间的三维高程变化图Fig.5　Map of the landslide 3D changes in elevation from June 2012 to August 2013 in Shanhou Village of the northern Changshan Island

4.4位移传感器监测方法

针对该滑坡区的地质特点，设计了位移传感器监测系统。该系统是利用滑坡周边的相对稳定点与滑坡监测点的相对位置变化，得到每一个监测点的相对位移量[20]。具体方法是在滑坡表面不动点处建一高台，台上安装位移监测设备，内有位移传感器和滑轮，在监测点处锚桩固定，用铟瓦钢丝将不动点设备与监测点相连，钢丝绕过滑轮与重锤相连(图6)。当两点发生相对位移时，在重锤的恒力作用下，传感器会感知其变化，通过变化量就可以计算出两点间的位移量。在滑坡体表面布设一系列的监测线就可以对整个滑坡表面进行监测，为后期的滑坡分析与预测提供可靠的数据。

图6　位移传感器示意图Fig.6　Schematic of the displacement sensor

根据滑坡的实际情况，在山顶区布设了10组位移传感器监测系统，该系统的设计克服了滑坡体恶劣地质环境的影响，并且能够实时获取滑坡体的位移量，为监测该山体滑坡提供了实时可靠的位移数据(图7)。

图7　位移传感器A10数据Fig.7　Data of the A10 displacement sensor

5不同监测方法在北长山岛山后村山体滑坡监测应用中的讨论

5.1GPS监测方法的局限性

GPS监测数据精度虽有毫米级，但无法在滑坡体顶部建立可实时监测的GPS基站，只能定期派遣工作人员进行测量。同时，受长山岛山后村地区通讯环境较差及周边雷达监测站通讯干扰的影响，GPS时常出现连接不畅的情况，这给GPS监测带来了不小的阻力。

5.2三维激光扫描监测结果与无人机遥测结果的比较与分析

以北侧主滑坡区为例(图5)，对比分析2013年8月获取的三维激光扫描数据和无人机遥测数据反演结果的差异。经过数据处理发现，无人机反演的高程数据与三维激光扫描数据空间分布形态与特征基本一致(图8)。

将无人机反演高程数据减去三维激光扫描数据进行空间网格差异分析，获得高程变化图像，来定量分析两者差异(图9)。其中，正值为无人机反演高程大于三维激光雷达扫描高程，负值反之。

通过分析高程数据单个网格上三维激光扫描和无人机提取的点云密度(图10)，发现三维激光扫描的点云数据从滑坡下部到上部数量不断变少，在最上部单个网格点云数据在10个以内，而在底部扫描仪区域，点云数量则在几千个以上；同时由于三维激光扫描属水平光学测量方式，某些凹形地形或前方有坡体遮挡的区域，三维激光无法扫描到，因此三维激光扫描数据存在较多的无点云数据。相对于三维激光的水平测量方式，低空无人机则是以俯瞰的方式进行测量，克服了三维激光扫描的水平测量缺点，点云密度相对均匀，大部分单个网格的点云数量都在51～100个之间，但对垂直陡崖地形，则无法获取更多的纹理信息。

图8　三维激光扫描高程数据(a)无人机反演高程数据(b)Fig.8　Elevation data of 3D laser scanning(a) and UAV telemetering(b)

图9　无人机反演高程与三维激光扫描高程差异分级显示图Fig.9　Display graph of the difference classification of UAV invention elevation and 3D laser scanning elevation

图10　三维激光扫描(a)与无人机遥测(b)点云数据密度分布图Fig.10　Point cloud data density distribution map of 3D laser scanning(a) and UAV telemetering(b)

由此可知，在地形复杂区域和上部仰角较大区域，三维激光扫描高程数据精度差，导致与无人机反演高程数据之间的差异。因此，要根据滑坡区的实际情况综合运用两种方法以获得理想精度的高程数据。

虽然三维激光扫描和无人机遥测，可定期获取滑坡区的高程数据，并得到不同时期滑坡体形态变化特征(图11)，但两种方法均不能起到实时监测滑坡体动态的作用，因此还需采用一种实时监测方法对滑坡体进行动态监测。

图11　2012年6月至2013年11月山后村北侧主滑坡体形态变化特征Fig.11　Morphology variation characteristics of the main landslide in Shanhou Village from June 2012 to November 2013

5.3位移传感器实时监测数据分析

该方法应用以来(2013年5月)获得了一系列滑坡监测数据(图7)，监测结果表明，2013年7-8月，滑坡体发生快速滑动，最大累积滑动距离近20 cm；2013年8月至2014年9月，滑坡体仍呈现滑动趋势，但活动距离较小，呈“稳定”态势。这与三维激光扫描监测的第5期(2013年8月至2013年11月)数据表现的滑坡体整体呈现缓慢下滑趋势相吻合。另外，监测数据的突变可作为滑坡体有可能发生滑坡的一种可能性指标，进而达到了预警的目的。由于位移传感器的量程有限以及铟瓦钢丝绳独特的刚性特质，滑坡体瞬间和超量程的滑动都容易造成传感器铟瓦钢丝绳的断裂；降雨给位移传感器监测系统带来的锈蚀也极大影响了监测的准确性。

6结语

根据不同山体滑坡监测方法的特点，针对北长山岛山后村山体滑坡的具体情况，最终选择了GPS监测、三维激光扫描监测、无人机遥感监测及位移传感器监测方法组成了北长山岛山后村山体滑坡监测系统对滑坡进行系统地监测。该系统分别定期和实时地获取了不同的滑坡监测数据，通过对比分析发现，在三维激光扫描点云数据密集的滑坡体中、下部选择三维激光扫描获取的滑坡体形态数据，在点云数据稀疏的滑坡体上部选择无人机遥测获取的滑坡体形态数据，这就精确地获取了不同时期滑坡体的挖方量、滑移量；位移传感器获取的实时位移监测数据可得到滑坡体的实时滑移动态，在其监测数据突变时滑坡存在滑动的风险。研究发现采石和降雨是引起山后村滑坡体滑移的两个最重要因素，采石导致滑坡体体积整体减小，降雨导致滑坡体上部拉张加速并引起碎石滑塌。最后，当地政府应有效地制止采石活动，防止滑坡体的扩大和更大滑坡灾害的发生。

虽然该监测系统对监测山后村滑坡体的滑动起到了至关重要的作用，但由于条件限制仅能获取滑坡体外部形态的变化，如何根据外部形态变化的监测数据更好的模拟、分析并预测发生滑坡的时间仍是今后需要重点研究的方向。

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收稿日期：2015-03-29；

修订日期：2015-05-18。

基金项目：国家海洋公益性行业专项——我国典型海岛地质灾害监测及预警示范研究(201005010)；中央级公益科研院所基本研究基金项目：海洋粘性土微结构的差异及其成因研究——以南黄海中部与浙闽近岸泥质区粘性土为例(GY0213G04)。

作者简介：周航(1990—)，男，山东省聊城市人，主要从事海洋灾害地质和工程地质研究。E-mail：chriszh11@163.com *通信作者：刘乐军，研究员，主要从事海洋灾害地质和工程地质研究。E-mail：liulj@fio.org.cn

中图分类号:P642.22

文献标志码：A

文章编号：0253-4193(2016)01-0124-09

The application of landslide monitoring system in Shanhou Village of the northern Changshan Island in landslide monitoring

Zhou Hang1, Liu Lejun1, Wang Dongliang2, Li Ping3, Gao Wei3, Zhou Qingjie1, Yang Qingle3

(1.MarineEngineeringEnvironment&GeomaticCenter,FirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China; 2.YantaiMarineEnvironmentalMonitoringandForecastingCenter,Yantai264003,China; 3.KeyLaboratoryofMarineSedimentologyandEnvironmentalGeology,FirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China)

Abstract:In order to monitor the landslide which may occur in island effectively and find the induction factor of landslide to achieve the purpose of monitoring and preventing landslide hazard，we describe the compositions and monitoring projects of landslide monitoring system used in Shanhou Village of the northern Changshan Island. The monitoring system contains 4 different methods. By analyzing the 4 different methods we find that 3D laser scanning data is intensive in the lower part of landslide and UAV remote sensing data is intensive in the upper part of landslide. We should choose the dense data to compute the excavation volume and slippage of landslide in different period accurately. Displacement sensor can get real-time landslide slip data. Research also finds that the quarrying and rainfall are the two most important factors causing Shanhou Village landslide slip，quarrying decreases the whole volume of landslid and rainfall leads to landslide tensile and gravel slump. In the end，because of the limitation of monitoring area，the monitoring system can only monitor the surface deformation of the landslide. Research results can provide references for landslide monitoring and early warning in other islands．

Key words:northern Changshan Island；landslide；landslide monitor；quarrying

周航，刘乐军，王东亮，等. 滑坡监测系统在北长山岛山后村山体滑坡监测中的应用[J]. 海洋学报，2016，38(1): 124-132，doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.01.012

Zhou Hang，Liu Lejun，Wang Dongliang，et al. The application of landslide monitoring system in Shanhou Village of the northern Changshan Island in landslide monitoring[J]. Haiyang Xuebao，2016，38(1): 124-132，doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.01.012