数字监测技术在矿山滑坡灾害中的应用

薛 浩

滑坡现象是广泛指位于斜坡上的湿滑土体或主要岩体，受山川河流洪水冲刷、地下水风化活动等导致土体在自然重力运动作用下，向较柔弱地带整体分散的一种地址地貌现象。我国目前是全球地质灾害较为多发的国家之一，尤以矿山滑坡地质灾害的影响相较有些国家较为严重。据统计，在我国近年来所遭受的地质滑坡灾害威胁的矿山工程现场约有70 多处，在治理灾害上每年经济投入较多。早期的灾害预警能最大程度减少灾害产生所造成的损失。因此，监测技术既是我国矿山滑坡灾害调查、研究和灾害防治基础工程的重要技术组成环节，又是滑坡崩塌区和滑坡自然灾害风险预测以及预报分析信息收集获取的一种有效技术手段。

1 矿山滑坡监测的内容

矿山滑坡监测的内容主要是坡体形态动态变化的监测、物形态变化的监测、地下暗河流量监测和坡体整体形态变化的监测。目前，国内外用于矿山滑坡坡道动态现象监测的监控技术处理方法，已经初步发展并达到一个较高端的水平，已由过去的人工手动监测逐渐逐步过渡发展到采用仪器自动检测，并且一步一步在向高精度的全自动监测系统发展。

2 数字滑坡技术的概况

当斜坡上的岩石和埃土受到水源冲刷和地震后遗症的介入，常常会导致严重的山体滑坡自然现象。这种现象在对生态环境和人民生命财产安全造成严重影响的同时，人为监测的过程也十分艰难。为了加快监测效率，减轻滑坡对于环境和人的直接影响，数字化监测技术被应用到滑坡监测中，并在近年来蓬勃发展，为滑坡研究做出巨大贡献。

数字滑坡监测技术，就是以RS（遥感）和GPS（定位系统）两种方法为主，同时通过GIS 对数字信息进行储存和管控，并且结合其他滑坡勘探手段并进行模拟试验，从而可以获取大量数字形式数据。同时利用得到的数据进行数字分析并存贮和管理这些滑坡信息；数字化的滑坡灾害技术将能够使我们现有的信息获取、处理、预测及开展滑坡灾害理论基础研究相关工作。数字化滑坡技术对我国防治矿山滑坡自然灾害起到了至关重要的作用。从上世纪80 年代开始，数字滑坡技术开始试验，尤其在煤田地质上获得一定的成就，而在20 世纪末开始广泛应用并取得一定成效。

2.1 数字化滑坡监测技术的必要性

作为一种常见且破坏性极强的地质灾害，人们对滑坡的重视和预防工作从未停息。但滑坡本身可控性极低，多为偶然触发，人工监测难以清晰地判断滑坡的具体信息，进而由于低效而不准确的人工信息造成难以预料的直接间接危害。所以，在信息时代，将数字化技术应用到滑坡检测工作中成了大势所趋。

2.2 数字化监测技术的主要任务和效果

数字化监测技术在滑坡的主要作用在于，通过高效准确的数字化技术，诸如GPS、传感器等，将相关设备深埋地下或直接追踪岩土体的稳定性，根据岩土体发生的细微的结构变化，进而对可能造成的不良后果进行预判。而数字化监测技术与人工监测的主要任务和效果，往往不尽相同。数字化监测技术往往通过高端的数字化方法，除了对岩土体进行实时监测外，还会对各类信息数据进行细化的分析处理，进而为更为高效和及时的预防工作提供可靠的信息资源，减轻滑坡的实在危害。

2.3 数字化监测技术的设计注意点

在设计滑坡检测技术对滑坡进行预判时，应注意一定要在滑坡的整个时空领域进行，同时尽可能减少对数字化设备的浪费和重复。在具体操作过程中，应注意远离工程实施的位点，以免造成相互的干扰，引来不必要的麻烦。同时加上不可或缺的人为辅助监测，在使用数字化监测的同时，进行必要的宏观管理调控，预防数字化技术可能出现的漏洞，并对监测的结果进行详尽刻画分析。

3 矿山滑坡常见数字监测的方法

随着科学技术的飞速发展，人类进入了数字化时代，数字化技术在科学研究中的地位和便捷作用日益突出。滑坡作为地质研究中相对复杂的部分，人工监测效率低下工作量巨大，而数字化技术的运用大大促进了滑坡研究的高效进行。滑坡作为一个破坏性极大的一项地质灾害，对环境和人民生命财产安全产生极大的影响。但过去的监测方式，效率低下不够准确，难以有效降低滑坡的危害。而数字化时代的到来，给了滑坡监测新的机遇。在运用数字化技术时，应关注一些注意事项来提高精度和效率。随后，本文详尽介绍了GPS 技术、RTK 技术、三维激光扫描技术以及它们应用的原理和细节。正是这些数字化技术的投入使用，使得滑坡监测工作更上一层楼。

3.1 GPS 自动化监测

GPS 技术，主要通过相关的定位功能，将追踪的物体进行时空位置的把握和定型。该技术在特殊的变形监测中应用十分广泛和便捷。GPS 技术取代从前的大地测量法，不再需要通过复杂繁琐的水准测量，无需视野通视便可实现远距离观测，只需通过其释放信号的反馈直接高效完成。在构建GPS 监测网时，可自行设计稳妥的坐标定位，同时需在相关基岩上假设预定多个基准点，并安排具体人员进行精准测量和估算。在监测网的布局过程中，应寻找便于大范围观测的监测点，而在设备上也应讲究高效和精准。在采取野外作业时，应格外防范图形强度因子，相关人员应通过对天线高的精准测量和定位，对该因子进行衡量，从而让观测结果更为准确及时。在对GPS 监测网进行经典自由网平差时，应尽可能减少粗差对于观测结果的实在影响。而为了取得更为精准的测量结果，往往也需要对观测时间进行更为细化的要求和管控。GPS 监控系统目前作为帮助我国进行灾害监测的一种重要技术手段，可以直接自动实现三维度的坡体测量，操作方法简单，具有直接确定测量点与基站间距离并且实时传送数据、能同时自动测定多个点的三维位移、不会受到外界各种气候变化的影响，没有时间限制、易于直接实现全部系统测量过程的自动化、可高效率地消除或很大程度上削弱系统的误差产生的不良影响等许多优点。因此，GPS 滑坡监测技术在矿山滑坡变形过程中，其时效性被迅速得到应用，并得到了推广。

对于这种新型GPS 全自动化滑坡监测系统，在实际监控矿山施工区域中的应用，由于接收GPS 信号的接收机造价非常昂贵，导致系统的前期矿山基础建设以及使用管理成本很大。因此，高昂的技术成本在很大程度上也制约了其在我国矿山区域与滑坡区的路况分析监测中得广泛应用。而新型GPS 天线阵列监测技术，就是在每个串口监测点上分别自动安置一个新的新型GPS 通用串口监测天线，通过一个串口监测天线阵列上的电缆，与各个监测接收机设备进行自动连接，系统操作人员也就能够按照一个监测天线阵列设置，自动将其进行连接并监测，同时，获取各个使用监测串口天线的发射卫星的信号，以及各个接收机的发射信号。因此在具体考虑是否增加一个天线硬件监测器的天线点数时，只根据实际需要同时考虑增加一个用于接收机的两个天线之互相独立连接的硬件通信设备电缆，从而可以使得设备使用成本大幅度的得到降低。另外一个由于监测重点区域只有一台小型化的GPS 天线移动监测接收机，减少该监测系统的天线数据在处理上的成本和时间，从而降低了在数据处理上的工作复杂度，而基于小型GPS 阵列天线应用监测技术在矿山滑坡灾害中得到广泛应用，这种大型数据处理系统的应用监测方式与连续同时监测运行数据处理系统的应用监测方式一样，使得整个系统同时获取监测点位的数据精度也比较高。

RTK 技术，作为GDP 技术动态测量方法的特殊应用，首先，RTK 系统具有自身的一套系统。在这个系统内部，以两个单频GPS 接收机为中心部件，两个接收机位置稍有区隔，一个安放在周围稳定的坐标以备后续参照，另一个直接安放于准备监测的岩土体上。而在具体操作过程中，处在岩土体上的接收机将开始时的相关情况通过数据的传送至附近稳定坐标的接收机，随后将两个接收机的相关情况分别导入计算机中进行详细的分析处理。在接收观测数据时，通常利用差分定位的基本原理，精确测算出监测点的位置，并对精度进行确切压缩。在GPS 进行定位时，由于精度的结果受到几何图形空间结构的直接影响，所以在选取卫星时也具有十分的讲究。在选星过程中，应格外关注GDOP 的数值，尽可能筛出数值较小的星作为最终的定位星，通常选5 个。

3.2 TDR 监测技术

时域反射方法监测是一种远程高速遥感地形测试应用技术，产生于20 世纪30 年代，现在，在矿山滑坡灾害监测技术应用研究方面也已经取得了很大成效。TDR 技术相比于常规的滑坡监测技术，在方法运用上更为新鲜，同时简洁、减少经费的开支，基本原理也并不复杂，能够有效减小工作量和劳动力成本。TDR技术对坡面的位置变化和形变的动态衡量具有极高的效率，在短时间内能够完成人力难以企及的工作量。

同轴传输电缆中的TDR 与采用雷达传播技术的电缆工作运动原理几乎相同，其间的区别主要在于雷达传播用的介质不同。在采用同轴传输电缆TDR 的测试工作过程中，采用这种同轴传输电缆具有一定传输能量的瞬时电脉冲的一种传播介质，电脉冲信号在采用同轴传输电缆中增加传播的速度同时，能够准确反映出来同轴传输电缆的脉冲阻抗特性。当有线电缆结构发生重大变形时，它的阻抗特性将发生变化。

3.3 分布式光纤传感技术

光纤传感检测技术主要是通过最具国际代表性的两种新型分布式无线光纤反射传感控制技术。在矿山滑坡路况监测中，光纤的选择更为重要。因为各种滑坡体的温度应变往往都比较大，恰当的滑坡光纤电缆选择方案能够促使滑坡监测器的寿命，从而提高后期施工效率。选用紧凑的套型救灾专业专用光纤网络布置可大大提高灾害监测网的使用寿命，因此对于矿山滑坡发生灾害抗测应用套型专业光纤，套型光纤网络布置形式一般认为主要有两种光纤网络布置形式：一维套型光纤网络形式布置形式，这种光纤网络布置方式特别适合于同时进行监测一个不同运动方向的灾害物体的响应表现情况；二维套型光纤网络形式布置形式，这种方式适合于同时进行监测两个不同运动方向的灾害物体及其位移运动速度响应变化及其响应表现情况。在设计铺设典型光纤时，应根据不同矿山施工区域的地质特点和滑坡体的状态的特点决定，在确定具体的光纤铺设方式。

3.4 基于无线传感器网络的滑坡监测

在大数据范围检测监控、预警的技术基础上，以局域网为基础研究技术平台，主要研究致力于提高数据采集和信息发送技术的有效性及数据处理上的技术精确性，监测监控预警系统的技术层面结构大致分为两个方面：上层的检测监控预警中心和下层的检测监控预警服务基站。监控器将基站和整个监控数据中心通过以太网连接起来，此外网络管理人员也同样可以通过自定义监控网络来监控每个基站。监控节点基站和众多的无线监控传感器网络节点一起连接组成无线监控传感器节点网络。无线监控传感器中的网络结构具有很好的可扩展性，随意地添加增减监测节点对网络无影响。因而用户可以方便地根据实际应用情况随意增加或尽量减少无线监控监测节点的网络数量。

3.5 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术作为一项实景复制的高端数字化技术，也在滑坡的监测工作中广泛应用。该技术可对坡面周围进行大范围全方位的扫描，精度和效率远远高于传统测量方法。扫描完成后，将数据储存记录后进行进一步的去噪去干扰的深度处理，以防不必要的环境因素对最终结果的精确度产生不良影响。该技术对于滑坡的监测方面，最为便捷的地方便在于可以通过激光扫描仪对坡面的移动过程进行实时详细无死角的扫描和监测，同时可以形成图像信息，可通过对具体图像的微妙变对坡面的适时情况和动态变化过程进行及时和准确的反馈，进而对滑坡的发生进行合理预测和及时预防。

4 数字化监测概述

数字化质量监测主要含义对企业数据库，与企业数字化数据测量管理系统中，对相关数据进行采集并分析和自动检测，同时，改系统能够对其质量进行自动操控的一种智能化测量综合监测系统。该安全系统不仅能够有效实现企业计算机安全技术与企业数字化安全设备的有机紧密结合，在企业数字安全监测与数据处理系统中的广泛应用及其效果也将变得更加显著。通常这种情况下，数字化生产监测主要原理是按照相应的技术要求实时进行监测数据采集，然后将数据采集后的监测数据进行存储存放到应的相应数据空间当中，为生产管理人员的生产测量管理工作活动提供数据分析参考。数字化采集监测分析系统在具有采集监测数据分析功能的基础上，还需要能够通过以往的监测数据备份对目前国内现有的监测数据功能进行综合分析，其中最为重要的一点便是具有人机交互分析功能和监测数据信息传输处理功能，二者在监测信息处理的全过程实践中都分别发挥了突出了十分重要的积极推动作用。

5 数字滑坡技术的应用

5.1 滑坡监测的数字化

在矿山滑坡运动监测中需要融入一种数字化滑坡监测信息系统，该技术保障监测数据采样的同时，存储读取中不会受到其他特定因素的影响，便于对两个模块之间进行日常维护和监督管理，有效率地减少高山滑坡系统监测数据在采样读取中错误产生或者传输链路错误损坏现象的可能性。现阶段，我国的全套数字化滑坡监测管理系统，在西部矿山滑坡地区数字化管理监测技术中的广泛应用，使西部滑坡地区监测管理系统的重要作用已经得到能够充分发挥，使西部滑坡管理监测的测量精度水平得到显著的提升，极大地程度促进到了我国西部矿山滑坡地区数字化管理监测技术的快速发展。

5.2 应用案例

2002 年4 月9 日西藏自贡地区发生的这次滑坡事故是一次搜救规模较大的大型滑坡灾害。由于滑坡区地处青藏高原东南部的一座高山的大峡谷中，交通十分不便，所以当时采用中国卫星高空遥感技术实时监测该滑坡地区所有滑坡群体活动及调查周围环境。先后成功使用了两次滑坡前后及5 个不同轨道类型的11 个不同时相的太空卫星观测数据，如下表。以一种数据交互的技术方式对此次滑坡后的当地滑体运动状态的持续变化，及此次滑坡可能造成的自然灾害发生情况等等进行了实时监测，避免后续危险的产生。

表1 矿山滑坡监测卫星数据

6 结语

随着科学监测技术的不断进步发展，我们的图像监测技术已经越来越多，技术的不断发展也越发完善。随着我国遥感监控卫星探测科技的不断进步，我们发展利用高科技探测手段作为遥感监测卫星的发展趋势已经日趋明显。我们仍然需要从日新月异的信息科技产业发展中去寻找到一个适合我们的专业的解决方法。目前的矿山滑坡早教监测不能只是单个滑坡监测技术方法就可以能做到完成的，需要我们通过综合分析运用各种滑坡监测技术手段，将他们有效的应用结合在一起。每个滑坡监测处理方法都应该有自己的一个优点和一些缺点，几个监测方法如果综合研究使用就一定能优势互补，更好地为矿山滑坡灾害监测提供服务。从而有效减少滑坡灾害带来的环境危害与经济损失。