山体滑坡监测预警系统研究

陈羽玲 韩祖丽

摘要：我国是一个山体滑坡频发的国家，经济建设和人民的生活因此遭受了严重的影响。本文主要基于滑坡监测预警技术和岩石破裂理论，深入研究滑坡监测数据的采集、传输、利用机理，按照“指标智能监测、信号自主传输、险情自动预警”的设计理念，通过滑坡监测预警设备的集成创新，研究一款由滑坡探测器、数据采集中转站、监控中心监测系统三部分构成的滑坡智能监测预警系统，解决目前滑坡监测预警设备集成度和智能化程度低、功耗大等难题，为抵御滑坡灾害提供一种新的监测手段。

关键词：滑坡;智能监测;预警系统

一、研究背景

（一）我国地质灾害频发

我国疆域辽阔，地质环境复杂多样，且地质灾害具有分布广、类型多、频度高、强度大等特点， 地震、崩塌、滑坡及泥石流等已经成为对我国危害最大的地质灾害，给人们的生命和财产带来了重大威胁。根据2006年—2015年的全国地质灾害公报，我国平均每年发生滑坡与泥石流地质灾害2万余起、伤亡1千余人、受灾人口90多万，直接经济损失10亿元以上。

（二）防灾减灾是国计民生

党的十九大报告中明确提出要“加强地质灾害防治”。2018年10月，习近平总书记主持召开中央财经委员会第三次会议，专门研究提高我国自然灾害防治能力问题，提出加强自然灾害防治关系国计民生，建立高效科学的自然灾害防治体系，提高全社会自然灾害防治能力。2011年国务院发布《国务院关于加强地质灾害防治工作的决定》，指出地质灾害的防治要加强监测预报预警，完善监测预报网络，加强预警信息发布手段建设。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》，将构建重大地质灾害保障体系作为重点领域。2003年国务院发布《地质灾害防治条例》，使地质灾害防治有法可依。这些都为我们做好地质灾害防治工作提供了依据，指明了工作方向。

（三）当前我国山体滑坡监测技术需进一步改进

我国近年来大力推动地质灾害的专业监测预警工作，大量的地质灾害专业监测示范点得以建立，为防灾减灾发挥其监测预警作用。目前，国内外在山体滑坡监测方面上主要监测手段包括有：宏观地质监测法、设站观测法、全球定位系统法、遥感方法、钻孔测斜仪法，以及新兴的光电传感监测技术。虽然说这些方法、技术和仪器现在已经比较成熟，但是都存在各种问题，有些测量精度不够、有些需要人定期到现场进行，使得滑坡监测缺乏实时性。在很多情况下，不稳定边坡处于边远地区，而暴雨、地震等诱发的滑坡也使得人员很难到达，尤其是在滑坡的临发阶段，人员到现场监测可能存在危险。同时，由于我国地质灾害众多，受制于相关专业技术人员的欠缺，地质灾害专业监测在实施过程中也存在一些问题，如监测设备不够智能、监测方案不够科学、预警模型无法满足需求等，使专业监测预警的作用没有完全发挥出来。2006～2015年10年间，我国成功预报滑坡等地质灾害发生累计仅9812次，成功预测率仅3.76%。

二、国内外研究现状

近年来，为了提高滑坡预警的准确性、时效性和降低监测设备成本，国内学者和技术人员对滑坡监测系统开发进行了深入的研究，并公布了很多具有实用性的专利和研究成果。

王念秦等[1]公开了一种坡体点位移运动方位监测装置及其监测方法，该监测仪包括方位监测仪和数据处理模块，方位监测模块包括壳体电子线路板、微控制器、第一无线通信模块、三轴陀螺仪、三轴磁场传感器和温度传感器;方位监测模块设置第一无线通信模块，数据处理模块设置第二无线通信模块，方位监测模块监测到的数据通过第一无线通信模块和第二无线通信模块无线发送至计算机，实现数据的无线传输，便于方位监测仪的安装。实现坡体监测点的方位动态监测，操作简单，监测精度高。

张晓华[2]公开了一种山洪地质灾害综合监测预警系统及实现方法，系统包括预警平台和无线传感器网络，无线传感器网络包括智能网关和多个监测桩，监测桩包括洪水监测桩和振动监测桩，洪水监测桩用于对洪水水位报警等级和桩体自身的倾斜角度进行监测，振动监测桩用于对桩体自身受冲击导致的加速度和倾斜角度进行监测，监测桩还具有现场告警功能，所述監测桩的数据通过智能网关发送到预警平台;通过RS485通信模块采集现地雨量计的降雨量数据，根据现地降雨量的监测数据动态调整轮询的时间;预警平台将监测数据信息实时在GIS信息地图中展示，同时还以Web形式对大众进行实时预警展示。

张飙、周叔一等[3]公开了一种实用的滑坡预警装置，包括一个主控单元和多个滑坡传感器。主控单元由无线接收模块、微处理器、短息模块、存储模块、声光报警器、状态指示模块和接收天线构成。滑坡传感器由机械式双轴倾角检测模块，无线发射模块，天线和电池构成。多个滑坡传感器垂直于水平面埋入可能出现滑坡的现场的不同位置，各滑坡传感器可设置不同的倾角阈值，且平时处于断电状态。主控单元安装在滑坡点附近的人员家中或企事业单位内或其它能够不间断供电的地方。机械式双轴倾角检测模块兼做电源开关，平时不耗电，只有滑坡迹象出现时倾角阈值达到才触发供电。采用长寿命碱性干电池供电，未出现滑坡时，滑坡传感器可保证五年不用换电池;每个滑坡传感器中的机械式双轴倾角检测模块可以预设不同的倾角检测阈值，在滑坡的蠕动变形阶段、急剧变形阶段和滑动阶段都能发出预警信号。

L. Zan 等[4]研制的“超前预警监测系统”，能够自动监测滑坡体内的震动噪音、孔隙水压力、地表位移、降雨量等参数，并自动激发警报程序发出滑坡灾害预警。

B. A. Reevea 等[5]利用In-SAR 技术，对露天矿岩石边坡进行监测，监测目的是为了对经常发生崩塌灾害的边坡进行稳定性评价，以此来判断边坡的稳定状态。

R. Ohbayashi 等[6]提出应用“感知节点网络系统”对滑坡体变形进行监测，该系统具有自我恢复、自动控制和高效数据传输功能，避免自然灾害对传感装置的破坏。

三、我国滑坡监测领域亟待解决的关键技术问题

在滑坡监测预警领域，国内学者的研究成果集中在滑坡监测数据传输技术、数据处理模型、数据处理软件单一学科为主。研究中发现我国现行主流滑坡监测预警系统在以下方面有提升空间：

（一）滑坡监测参数

滑坡监测参数通常可划分为五类。一是物理参数，实践中将声发射数和射气量变化两个指标作为滑坡预报物理指标。二是变形参数，各种试验证明，位移是一个容易测量和获得的特征变量，它能够反映岩土体的变形破坏特征。三是机理参数，滑坡机理预测参数指的是表示滑坡地质灾害变形作用机理的参数。四是诱发参数，滑坡预报的诱发参数指的是诱发滑坡活动的参数。降雨量、人工幵挖坡脚、地表水和地下水作用是其常用指标。这些参数不是滑坡变形的本质参数，但却是导致滑坡发生的主要诱发因素。在宏观上讲，降雨量也可作为中长期预报的参数。五是间接参数，滑坡间接预报参数是指难以准确量化的滑坡监测指标，通过特殊的理论分析，用定量的指标表示分散且模糊不清的信息。

（二）供电问题

采用拉线方式给野外滑坡监测设备供电的方式，施工难度大，长距离输电会造成电压不稳定，受限较多;当前许多监测设备已升级采用光伏发电的供电方案，即通过立杆支架连接太阳能板，再配合大容量蓄电池组成供电模块，确保设备长期监测的用电需求，但在实际监测过程中发现，设备零部件多、体积较大，增加了偏远山区运输的难度，也使后期维护工作量大大增加。使监测设备的供电模块轻量化，功耗低，不依靠外部供电就能保证正常工作是未来研究的热点。

（三）监测频率问题

目前主流的监测设备为了节省设备功耗，无法实现不间断监测，以GNSS接收机为例，通常是0.5～2小时监测一次，监测频率依靠人工设置，这将造成突发型滑坡和崩塌无法获取有效监测数据，产生漏报预警信息的严重后果。

（四）数据传输问题

目前数据远程传输主要包括有线和无线两种方式。有线方式通常受滑坡监测区域环境复杂、线路架设和电源供给难等限制， 使得有线系统部署起来非常困难，系统维护十分不便。无线方式对于远程无线传输，广泛采用的是基于移动通信技术的传输方式，包括 GPRS、CDMA 及 4G 网络等;对于其他无线方式如北斗（BDS）GPS、GIS的数据采集终端， 成本高，卫星数较少、分布不均衡，面向民用领域的数据传输应用领域还存在一定的局限性。

随着现代通信技术的不断更新，我国行政村4G覆盖率已经超过98%，能够满足用户对更大容量数据远程无线传输的高效性与可靠性要求，也是本研发系统采用的远程数据传输方式。

四、山体滑坡监测预警系统研究

基于滑坡监测预警技术和岩石破裂理论，深入研究滑坡监测数据的采集、传输、利用机理，按照“指标智能监测、信号自主传输、险情自动预警”的设计理念，通过滑坡监测预警设备的集成创新，研制一款由滑坡探测器、数据采集中转站、监控中心监测系统三部分构成的滑坡智能监测预警系统，解决目前滑坡监测预警设备集成度和智能化程度低、功耗大等难题，为抵御滑坡灾害提供一种新的监测手段。

（一）山体滑坡监测预警系统关键技术

（1）滑坡探测器设计：根据“滑坡发生前，岩石的微小变形均会导致地磁感强度、磁偏角、磁倾角变化”的机理，通过监测地磁变化作为预警滑坡发生的核心指标。滑坡探测器采用工业塑料外壳，呈圆柱体，截面直径8～10cm，高0.6～0.8m，内部集成震动传感器、地磁场传感器、倾角传感器、加速度传感、数据处理器、供电模块、干电池、433MHz无线电通信模块、定时开关控制器等元器件。

（2）数据采集中转站设计，具备接收多个滑坡探测器信号、滑坡点判断、报警器报警、险情广播、向监控中心监控系统发送信号等功能。翻斗式雨量计用于监测降雨临界值和土壤含水，作为判断滑坡的辅助参数。

（3）监控中心监测系统设计，具备接收数据采集中转站数据、滑坡监测模型动态曲线、自动呼叫险情负责人、动态显示各滑坡探测器状态、监测数据存储管理、历史监测数据查询、警报数据查询、数据收发接口管理、自动生成报表、系统维护管理等功能。

（二）山体滑坡监测预警系统的创新性

（1）系统架构及滑坡监测工作方式

本项目对滑坡监测系统架构及滑坡监测工作方式方面进行了改革创新，特别是自主研发的滑坡探测器、数据采集中转站、监控中心监测系统三者集成度高，衔接性强、依次递进;预警信息发布准确、迅速;便于批量生产和推广。

（2）滑坡监测数据采集器集成

根据“滑坡发生前，岩石的微小变形均会导致地磁感强度、磁偏角、磁倾角变化”等研究成果，提出在滑坡探测器内集成传感器作为数据采集器，以地磁场为核心监测指标，通过监测地磁变化等作为预判滑坡的监测工作方式;突破当前市场主流滑坡监测器采用GNSS接收机作为数据采集器，依托卫星定位系统，以监测点坐标变化为监测指标，仅在较大滑坡发生时才警报的工作方式。

（3）滑坡探测器供电方式

滑坡探测器采用分级触发式供电，通过供电模块创新，使滑坡探测器仅需电池供电，解决困扰监测行业多年的供电问题。

（4）信号传输方式

数据采集中转站设计，具备接收多个滑坡探测器信号、滑坡点判断、报警器报警、险情广播、向监控中心监控系统发送信号等功能。工作原理：无线电接收模块接收滑坡探测器信号→数据处理模块判定滑坡发生点的位置和预警级别→触发安装在数据中转站上的报警器或广播，播报预警信息（若未达到相应预警级别则不警报，直接将信号传递至下一级）→4G移动通信模块将滑坡探测器代码和磁偏角、倾斜角、加速度參数通过移动网络发送到监控中心监测系统;若为滑坡探测器的每日自检信号，数据处理模块直接通过4G通信模块将自检信号发送给监控中心监测系统。翻斗式雨量计用于监测降雨临界值和土壤含水，作为判断滑坡的辅助参数。安装方法：安装在滑坡监测点附近的居民区或边坡的高位，通过地脚螺丝与地面固定牢。

通过无线电信号传输模块和4G通信模块的组合，保证信号实时、精准传输，解决了GNSS接收机采用GPS传输模块因信号不稳定导致数据传输延迟、中断等问题。与市面上同类产品相比，成本更低、监测范围更广，受气候条件影响小。

参考文献：

[1]王念秦，鲁兴生，等.一种坡体点位移运动方位监测装置及监测方法[P].中国：CN110763214A.2020.02.07.

[2]张晓华.一种山洪地质灾害综合监测预警系统及实现方法[P].中国：CN105678966A.2016.06.15.

[3]张飙，周叔一，等.一种实用的滑坡预警装置[P].中国：CN208422064U.2019.01.22.

[4]ZAN L，LATINI G，PISCINA E，et al. Landslides early warning monitoring system[C]// Geosciences and Remote Sensing Symposium. [S.l.]：[s.n.]，2002：188–190.

[5]REEVEA B A，STICKLEY G F，NOON D A，et al. Developments in monitoring mine slope stability using radar interferometry[C]// Geosciences and Remote Sensing Symposium. [S.l.]：[s.n.]，2000：2325–2327.

[6]OHBAYASHI R，NAKAJIMA Y，NISHIKADO H，et al. Monitoring system for landslide disaster by wireless sensing node network[C]// SICE Annual Conference 2008 IEEE International. [S.l.]：[s.n.]，2008：1704–1710.