广东省复杂环境下典型滑坡地表-地下形变监测预警技术研究——以太平村滑坡为例

李秀娟，周志华

（广东省地质环境监测总站，广东 广州 510510）

广东省地处大陆东南沿海，热带风暴（台风）频繁发生，地貌类型复杂，丘陵山地多，地势起伏大，地形切割强烈，地质构造和岩浆活动频繁，地质环境脆弱，是我国十二个地质灾害多发省份之一（方朝丰，2018）。随着广东经济高速发展，人类工程活动日趋频繁。粤东西北地形多为中、低山和丘陵区，人多地少，居民建房多依山削坡而建，人为造成崩塌、滑坡隐患引发灾难，地质灾害易发多发，地质灾害防治形势严峻。而地质灾害防治重在“防”，大量实践已经证明，对地质灾害进行实时监测，发现险情及时预警是最为有效地避免或减轻因地质灾害造成人员伤亡或经济损失的手段之一。因此研发敏感度高、精度高和稳定性强的传感器，并根据滑坡体活动特征，科学布设传感器，通过实时的信息传输，最大限度对可能发生的滑坡提前预警预报就显得尤为重要了，为避险决策提供技术支持，最大限度保障人民群众生命财产安全。

北斗卫星导航定位技术在地质灾害监测方面的应用越来越广泛，但也逐渐显现出一些亟待解决问题，例如，在有山体或树木遮挡（遮挡指GNSS天线一侧仰角达85°，另一侧仰角达45°），雷电及多雨等复杂环境下，解算精度还存在不稳定现象（刘悦等，2013）；监测点卫星原始数据要同步传输到后台才能进行高精度解算，这需要依托宽带宽、流量大的数据网络的支持，但对于边远山区网络信号较弱的地方无法适用（曹阳威等，2016）。目前的滑坡监测往往重地表位移监测，而忽视地下深部监测，不能很好地掌握整个滑坡体的运动特征，且地表监测数据常常因遮挡、信号不稳定或台风暴雨等野外复杂环境的影响存在不稳定或缺失的现象，仅靠地表数据不能很好地实现对地质灾害隐患的实时、准确、可靠监测。因此，如何突破桎梏，寻求新的滑坡变形监测技术对于今后的滑坡治理来说至关重要（甘泉宏，2018）。本研究通过多模全频北斗GNSS高精度解算算法，解决复杂环境下监测精度差和数据稳定性差的问题，通过高精度变形监测终端采用4G全网通、短距离通信技术、北斗短报文等多模通信融合技术，实现多星多频本地解算，解决原有解算需要大流量传输的问题，实现在有高山、树叶遮挡和移动网络信号不稳定等复杂环境下，保障数据的完整性，同时提高终端解算能力，并将阵列式位移计应用在有地质灾害隐患的深部变形监测中。选择清远市阳山县太平镇太平村滑坡隐患点作为研究区域，通过布设一套北斗GNSS监测系统和阵列式位移计监测设备，对地表、地下形变进行连续实时动态监测，并结合三维倾斜摄影数据，构建动态实景三维监测平台，实现监测数据实时获取、云端综合处理、多样化图表展示、灾害预警预报等功能，为防灾减灾工作决策提供更直观、更科学的手段。

1 监测点概况

1.1 监测点选取

经过实地踏勘及综合分析，最终选取粤北的清远市阳山县太平镇太平村滑坡作为研究区域，该区域环境条件复杂且变形迹象明显。研究区无法获取市电、汛期多雨且连续1周多阴雨和雷电等极端气候条件，观测点位多被山体或树木遮挡，监测设备供电条件差，系统解算很难获得模糊度固定，从而造成设备异常现象频繁。2014年研究区北西段因强降雨诱发了滑坡灾害，形成多级阶梯，东段滑坡前缘已触及坡脚房屋，变形迹象明显，目前已做挡土墙、搅拌桩支护和排水沟；另一方面该滑坡为2016年第二批省级重大地质灾害隐患点自动化专业监测建设点，监测要素包括雨量、表面位移、含水率，具有一定的工作基础，可与本研究形成对比分析。同时该区域潜在危害性较大，属于威胁100人以上的隐患点，潜在经济损失650万元。

1.2 监测点地质环境条件

清远市阳山县太平镇太平村滑坡体位于下坝自然村东北面山体斜坡上，年平均降水量为1 850 mm，2014年5月下旬，当地发生持续数日的持续性强降雨，引发了滑坡地质灾害。滑坡坡脚地面高程104.34～106.43 m，坡顶地面高程149.54～160.03 m，相对高差45.20～53.60 m；地形坡度为35°～55°。场地地表上覆土层为第四系坡积粉质粘土Qdl及第四系残积粘土Qel，下伏为二叠系水足塘组全风化炭质页岩、碳酸盐岩为基岩，全风化炭质页岩与石灰岩呈整合接触。太平村滑坡东北面地势较高，西南面（下坝村）地势较低，地表水主要是雨季形成沿山坡而下并向低凹山涧沟谷地形集中排泄的雨水。由于山坡集雨面积大，暴雨时形成短暂洪流。地下水主要见于山坡脚下，民房后面有泉水，泉水常年流淌不断。在粘土与全风化炭质页岩层之间出现明显漏水现象。

1.3 监测点位分布

监测1号点（如图1）布置在滑坡体后缘裂缝带附近，与已有激光位移自动监测可形成对比监测，其北面为山体，该监测点位的东和南都有着大片的树林。监测2号点布置于滑坡体左侧滑壁靠近前缘处，该处变形明显，可实时监测主体结构滑动状况，同时该监测点位的东、南、西南、东北都有着大片的树林。监测基点位于滑坡体范围外靠近后缘的山顶上，地势相对较为平坦，且距离滑坡体140 m，既不在滑坡体上也不在滑坡影响范围内，地基稳定，符合基站的建设选址要求。在GNSS监测1号点附近安装阵列式位移计。

图1 基准站和监测点位分布图

2 关键技术

2.1 本地解算算法

本地解算是指基准站以及监测站在本地通讯组网，监测数据在本地通讯的小区域内进行数据实时传输，在接收机内部进行实时解算，不需要将数据传输至远程服务器。解算过程中产生的卫星端的卫星钟差、轨道误差、硬件延迟等误差可在监测站接收基准站的差分信息后通过双差组合观测值消除；接收机相位中心误差可通过指定的天线相位中心模型进行改正，相位中心漂移用相同类型的天线以及指向同一方向进一步避免。在随机模型方面，通过方差分量估计确定不同系统的权比，本文通过大量的经验数据确定不同类型卫星的权比。

复杂环境下的大高差数据分析中，双差观测虽然可以削弱大部分对流层延迟，但是不同测站的气象条件不一样，特别是大高差情形下更为差异化，由于对流层短时间内没有太大的变化，因此对于残余的对流层延迟采取分段估计的方式予以消除。另外在组建双差观测值模型之前，对基准站和监测站的观测数据进行数据预处理。根据监测站以及参考站的位置和模糊度先验信息，对相位周跳进行实时探测以及相应的修复，从而获取干净的载波相位观测值，通过干净的观测值组建双差观测模型。对于不能修复的载波相位观测值或者遗漏的小周跳和粗差，将在抗差估计过程中通过相对检验和绝对检验的方式予以重置和降权。

通过多路径误差改正模块进一步削弱多路径误差，从而组建更为精准的双差误差观测模型，再对观测模型对应的误差方程进行线性化后，通过参数估计模块，可以实时估计当前历元监测站的位置、以及模糊度浮点解信息。通过模糊度浮点解信息以及相应的基线长约束，可建立载波相位模糊度搜索空间，通过PARLAMBDA技术筛选最优的模糊度子集信息既可以实现更高效的单历元固定模糊度，又可以减少本地解算接收机的运算资源。根据固定的模糊度进一步约束浮点解从而得到位置固定解，最后在计算每个观测卫星的观测值残差，进一步更新当前本地接收机的多路径误差改正值数据库。

本地解算模块包括原始卫星数据以及差分电文的实时解码模块，周跳探测及其修复技术数据预处理模块，较为稳健的抗差滤波参数估计模块，多路径误差削弱技术模块等，从而保证实时监测中滤波解算的精度、稳定性及其可靠性。将本地解算算法封装为库函数，并提供相应的应用接口，便于嵌入式系统的调用和解算，算法的具体流程如图2。

图2 本地解算主要模块框架流程图

2.2 GNSS高精度变形监测终端

本研究对原有高精度变形监测终端及其相关配件进行了升级，升级前后的变形监测终端配置见表1。本研究GNSS高精度变形监测终端程序包含有GNSS天线、电源无缝切换、本地通信和4G全网通通信4个关键模块。

表1 变形监测终端升级前后对比

（1）GNSS天线采用自主研发的全频段外挂天线，该天线采用了空气贴片、高低频共面结构设计与容性加载技术，通过研制小型化监测型GNSS全频段高精度射频天线，达到拓宽天线工作和轴比带宽以及抗多路径干扰能力，实现对北斗/GNSS的全频接收，解决复杂环境下信号追踪稳定性问题。

（2）系统电源有外部电源供电、以太网供电和内部电池供电三种，内部电池可与以太网电源、外部电源进行切换，选用的电源通路控制器是LTC4414EMS8，LTC4414EMS8控制一个外部P通道MOSFET，造就一种用于电源切换的近理想型二极管功能，实现了多个电源的高效“或”操作（图3），旨在延长电池的使用寿命和减少自发热。导通时，MOSFET两端的压降通常为20 mV。

图3 LTC4414EMS8电源切换电路

（3）本地通信采用基于Lora和数传电台技术相结合的通信方式，形成适用于地质灾害监测本地解算系统监测点低功耗硬件的本地通信，满足地质灾害监测本地解算系统监测点对硬件通信方案的功耗、速率、通信距离、抗干扰能力和自组网的要求。

（4）移动网络通信主要用于终端的远程控制和数据传输，网络的稳定性和可靠性尤为重要。本研究终端设备采用4G全网通通信模块，该模块是一款新的基于LTE CAT4的通信模块，工作温度范围可达-40～85℃，且在自动切换模式下，可实现4G/3G/2G的无缝切换，从而使得终端继承模块该功能达到通信网络无缝切换的目的。

2.3 阵列式位移计监测

本研究采用国内自主研发的ADM（Array Displacement Meter）阵列位移计（表2），ADM阵列位移计使用微机电加速度式传感器，通过加速度计测量重力加速度在不同轴向上的数据来反映出对应轴与重力方向的角度，通过角度的变化计算出对应的长度杆的位移量。采用自适应位移累加算法与智能识别起算点异常变动算法，对传感器数据进行了智能平滑滤波，保证数据的稳定与可靠性。设备采用4G全网通的网络传输，完全覆盖了各运营商的4G/3G/2G网络，数据传输稳定可靠。充分考虑旋转角校正，解决了设备初安装扭角与后期监测期间因为受力不均发生旋转造成的误差问题，完全不需要其他辅助传感器，通过稳定可靠的算法就能进行前期扭角与后期旋转的误差校正，这是目前市面上其他同类型监测产品无法比拟的，在这方面处于领先水平。

表2 ADM阵列位移计性能参数

2.4 三维倾斜摄影

利用无人机在滑坡航测数据采集的倾斜摄影数据，航测数据处理后，产出各滑坡的实景三维模型OSGB格式数据，将倾斜摄影OSGB数据转成Cesium的3DTiles格式，利用开源地图引擎Cesium实现模型的加载和可视化。

3 监测结果分析

经历一个完整水文年后，系统整体运行正常、平稳可靠、实时性高，在汛期及高温天气等特殊气候条件下未受干扰，能够实时反馈坡体内部的受力变化，形成对地质灾害隐患的表面、深部一体化监测。

3.1 太平镇太平村滑坡1号监测点

阳山县太平镇太平村滑坡1号监测点位于滑坡体后缘裂缝带附近，该监测点水平位移在一个水文年内变化量较小，累计变形量在10 mm上下波动。1号监测点阵列式位移计监测成果如图4至图7所示。1号监测点深部位移整体变化较小，位移主要变化发生在表层。最大累计变形量X方向为（滑动方向）地下1 m位置3.30 mm，Y方向地下16 m位置3.56 mm，变化时间主要在汛期的3～7月，说明该部位目前较为稳定。1号监测点处激光位移监测到的表面累计位移为3 mm左右，变化趋势不明显。

图4 太平村滑坡1号监测点阵列式位移计XY方向累计位移

图5 太平村滑坡1号监测点1 m深度XY方向位移变化趋势图

图6 太平村滑坡1号监测点16 m深度位移变化趋势图

图7 太平村滑坡1号监测点三维变形图

3.2 太平镇太平村滑坡2号监测点

阳山县太平镇太平村滑坡2号监测点位于滑坡体左侧滑壁靠近前缘处，其表面位移过程如图8所示。太平村滑坡2号监测点表面位移存在两个明显变形阶段（两个台阶），分别是3月27～29日强降雨期间，表面位移累计变化量46 mm左右；6月6～10日强降雨期间，累计变化量达到320 mm左右，系统多次向滑坡隐患点相关责任人及群测群防员发出预警信息，当地及时组织撤离了受威胁群众。经现场核实，太平村滑坡前缘出现局部崩落现象。

图8 太平村滑坡2号监测点GNSS表面位移过程线图

该点作为中国地质环境监测院普适型监测示范点，自2019年以来布设了多套普适型监测设备。该点普适型裂缝监测仪（LF01）及GNSS地表位移监测（GP01）同样也捕捉到了坡体的裂缝加大及位移突变，出现几乎一样的变化过程和趋势（如图9和图10），6月7～9日，累计位移变化量近300 mm。

图9 太平村滑坡裂缝计（LF01）累计位移变化曲线

图10 太平村滑坡地表位移（GP01）变化曲线

2020年6月7日上午，普适型监测设备（LF01）发出红色预警信息（如图11），经与中国地质环境监测院（中心）沟通，综合研判滑坡的变形现状和发展趋势，认为滑坡有变形加剧趋势，确定预警等级为红色。在预警短信发出后，随即对太平下坝村小组受威胁群众组织转移，有效的避免了滑坡灾害造成的人民生命财产损失。根据地方的反馈及对滑坡体开展的应急调查，滑坡体内裂逢发育，周界明显，地表树木多呈马刀树状，边坡体被纵横裂缝分割成大小不一的块体，裂缝可见深度达1 m以上，裂缝宽度20～30 cm，裂缝延伸长度20～30 m，边坡完整性差，降雨易渗入坡体，降低边坡的稳定性。

图11 太平村滑坡普适型监测设备（LF01）出现报警短信

4 结论

（1）采用本地解算加4G加北斗短报文方式，可很好地解决移动通信不稳定状态下稳定可靠获取监测数据。（2）GNSS表面位移监测相对于原有激光表面位移监测精度更高，数据更稳定可靠，在复杂环境的干扰的情况下监测数据波动更小，适应复杂环境。（3）本研究采用的全频多模GNSS地表位移监测能够较为准确地捕捉滑坡体的运动状态，并对滑坡险情及时发出预警，能有效地避免滑坡灾害造成人民生命财产损失。（4）清远市阳山县太平镇太平村滑坡体后缘目前较为稳定，前缘呈现较大变形，已经出现局部滑动，在强降雨条件下再次发生局部滑动的可能性较大，需对其变形进行持续的自动化监测。（5）由于经费有限，阵列式深部位移监测在滑坡隐患上布设的数量少，未能形成监测网络，且未合理布设在滑坡变形的重点部位，还不能很好地与地表监测互相验证，无法对坡体的深部变形状况和发展趋势以及整个坡体的稳定性作出非常科学、准确的判断。这是后续研究需注意和解决的问题。（6）通过内部阵列式位移计监测和外部GNSS监测的多传感器融合多角度监测，结合地质条件进一步分析滑坡体的稳定，是地质灾害变形预警技术的创新方法和手段，具有推广应用价值。