滑坡監測系統在北長山島山后村山體滑坡監測中的應用

周航，劉樂軍*，王東亮，李萍，高偉，周慶杰，楊慶樂

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滑坡監測系統在北長山島山后村山體滑坡監測中的應用

周航1，劉樂軍1*，王東亮2，李萍3，高偉3，周慶杰1，楊慶樂3

(1.國家海洋局第一海洋研究所 海洋工程與測繪研究中心，山東 青島 266061；2.煙臺海洋環境監測預報中心，山東 煙臺 264003；3.國家海洋局第一海洋研究所 海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061)

摘要：為有效地監測海島山體滑坡，找到滑坡的誘發因素，以達到海島地區防災減災的目的。本文以北長山島為例，針對采石引起的滑坡，利用GPS、三維激光掃描、無人機遙感、位移傳感器4種滑坡監測方法，聯合建立了北長山島山后村山體滑坡監測系統。通過對比分析這4種方法發現，在三維激光掃描點云數據密集的滑坡體中、下部選擇三維激光掃描獲取的滑坡體形態數據，在點云數據稀疏的滑坡體上部選擇無人機遙測獲取的滑坡體形態數據，精確獲取了不同時期滑坡體的挖方量、滑移量；位移傳感器獲取的實時位移監測數據可得到滑坡體的實時滑移動態，發現在其監測數據突變時滑坡存在滑動的風險。研究還發現采石和降雨是引起山后村滑坡體滑移的兩個最重要因素，采石導致滑坡體體積整體減小，降雨導致滑坡體上部拉張加速并引起碎石滑塌。由于監測區環境條件的限制，該系統只能進行滑坡體的表面變形監測。研究成果可為其他海島滑坡的監測乃至預警提供借鑒和參考。

關鍵詞：北長山島；山體滑坡；滑坡監測；采石

1引言

山體滑坡是常見的地質災害之一，主要發生在山地的山坡、丘陵地區的斜坡、岸邊、路堤或基坑等地帶。山體滑坡不僅可以造成一定范圍內的人員傷亡和財產損失[1]，還會給附近的橋梁、建筑等工程設施造成嚴重的危害[2—3]。由于海島的自然和社會條件相對特殊[4]，例如：海島相對孤立地散布于海上，交通不便；海島上各項基礎設施建設滯后，醫療、水、電、道路較差，經濟相對落后[5]。如果海島發生山體滑坡，就將會給本就落后的海島造成巨大的損失，因此對海島山體滑坡進行監測具有十分重要的意義。

引起山體滑坡的主要外部因素有工程施工、采石、降雨等[6—9]。例如，2009年云南祿勸縣曾出現因修路引起山體滑坡的事件，2013年7月22日連續暴雨導致長島發生山體滑坡，而采石引起的山體滑坡事件更是比比皆是。近年來，隨著北長山島經濟的迅猛發展，島上采石活動日益加劇，進而引發了一系列的地質災害問題，其中以山體滑坡最為嚴重。

傳統的山體滑坡監測方法大致有：大地測量法，液體靜力水準測量、重力測量法，近影攝影測量法、地下水位監測法，電測法、地下鉆孔傾斜等[10]。雖然這些方法都可用于監測山體滑坡，但由于海島條件的局限性，就需要采用更具有針對性的方法對海島山體滑坡進行有效監測。本文依托“國家海洋公益性行業專項”項目的支持，針對采石造成山體滑坡這一特殊案例，探討了多種監測方法的優缺點，采用了其中幾種監測方法建立了北長山島山后村山體滑坡監測系統，并分析了該監測系統的合理性和存在的問題，從而為山后村山體滑坡監測甚至預警提供充分的支持。

2研究區域概況

北長山島位于廟島群島南部，北為長山水道，南與南長山島相連，隸屬煙臺市長島縣管轄(圖1)。北長山島為基巖島[11]，島體主要由石英巖構成，夾雜板巖和千枚巖[12]，巖體節理與層理垂直，且垂直節理裂隙發育，造成島體北東部懸崖直立，崩塌落石頻發。山后村山體滑坡位于北長山島東南側(圖1)，為巖質滑坡，是北長山島最為典型也是危害最大的滑坡體，滑坡區主要位于山后村采石場內，現場調查時其仍在施工。滑坡整體寬度約320 m，平均高度80 m，總體積約為50×104m3(垂直投影體積)，坡度將近70°。滑坡區中部采石較少，狀態基本穩定，而南北兩側由于持續采石，崖體下部形成采空面導致滑坡體處于極不穩定狀態，且該處石英巖中夾雜有不少的千枚巖，容易發生崩塌，并對采石場下人工修建的濱海公路及養殖大棚造成嚴重危害(圖2)。

圖1　北長山島山后村采石場位置Fig.1　The quarry position in Shanhou Village of the northern Changshan Island

3海島山體滑坡監測方法比較

以陸地常用的山體滑坡監測方法為依據，選取了幾種山體滑坡監測的方法(表1)進行了比較，以期選出適用于北長山島后山村山體滑坡的監測方法。

表1　山體滑坡監測方法比較

針對海島獨特的自然社會條件，結合各監測方法的優缺點及對滑坡場址條件的要求，選擇合適的方法對不同類型的海島滑坡進行有效監測。

4不同監測方法在北長山島山后村山體滑坡監測中的應用

針對北長山島山后村山體滑坡的特點，應用并對比分析了以上幾種山體滑坡監測方法，發現宏觀地質觀測法(精度太低、滑坡體巖石破碎嚴重無法進行精確測量，且滑坡體高度、坡度不能滿足工作要求)、地質雷達監測方法(滑坡體坡度大、巖石破碎嚴重，地質雷達無法在滑坡體傾斜面上進行作業，僅能獲取滑坡體底部的少量內部信息，意義不大[19])和鉆孔傾斜監測方法(滑坡體巖石破碎程度過高不適合鉆機的鉆孔工作及鉆孔傾斜儀的安裝)在此處并不適用，于是最終選擇了以下幾種方法建立了北長山島山后村山體滑坡監測系統對滑坡進行表面變形監測。

4.1GPS監測方法

長島縣國土資源局每周派遣工作人員測量滑坡體上部兩個固定樁基的絕對高程，發現滑坡體整體呈向外滑移狀態。

4.2三維激光掃描監測方法

2012年6月至2013年11月，先后對滑坡體進行了5次三維激光掃描(圖3)，針對滑坡情況最為嚴重的北側主滑坡區，分析監測數據發現北側主滑坡體總體體積呈減小趨勢(圖4)，特別是2012年6-11月采石期，采石量達到山體的6.2%。而進入禁采期(2012年11月)之后，山體向外拉張使其上部體積逐漸增大；而下部體積由于山體持續下滑和盜采而逐漸減小。其中2013年8月下部體積增大，主要是因為暴雨造成上部山體擴張加速，碎石大量滑塌堆積。

圖3　2013年8月北長山島山后村滑坡體三維激光掃描結果示意圖Fig.3　3D laser scanning results of the landslide in Shanhou Village of the northern Changshan Island in August 2013

圖4　山后村北側主滑坡體體積變化趨勢Fig.4　Variation tendency of the main landslide volume in north side of Shanhou Village

4.3無人機遙感監測方法

2012年6月和2012年8月利用低空四旋翼無人機遙感系統對滑坡區開展了無人機飛行作業，通過處理兩期的滑坡區三維高程信息，獲得滑坡區兩期高程分級變化圖像(圖5)，并對各個分級的區域面積進行統計。其主要特征為：該區高程變化明顯，高程降低幅度在5.0～10.0 m的區域約占統計區域3.9%，主要分布在北側主滑坡區和南側滑坡區內側，主要是原有完整山體被采挖后引起的；高程降低幅度在1.0～5.0 m的區域約占統計區域的27.5%，主要分布于縱深不深的原有采挖區域。

圖5　北長山島山后村山體滑坡區2012年6月至2013年8月期間的三維高程變化圖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位移傳感器監測方法

針對該滑坡區的地質特點，設計了位移傳感器監測系統。該系統是利用滑坡周邊的相對穩定點與滑坡監測點的相對位置變化，得到每一個監測點的相對位移量[20]。具體方法是在滑坡表面不動點處建一高臺，臺上安裝位移監測設備，內有位移傳感器和滑輪，在監測點處錨樁固定，用銦瓦鋼絲將不動點設備與監測點相連，鋼絲繞過滑輪與重錘相連(圖6)。當兩點發生相對位移時，在重錘的恒力作用下，傳感器會感知其變化，通過變化量就可以計算出兩點間的位移量。在滑坡體表面布設一系列的監測線就可以對整個滑坡表面進行監測，為后期的滑坡分析與預測提供可靠的數據。

圖6　位移傳感器示意圖Fig.6　Schematic of the displacement sensor

根據滑坡的實際情況，在山頂區布設了10組位移傳感器監測系統，該系統的設計克服了滑坡體惡劣地質環境的影響，并且能夠實時獲取滑坡體的位移量，為監測該山體滑坡提供了實時可靠的位移數據(圖7)。

圖7　位移傳感器A10數據Fig.7　Data of the A10 displacement sensor

5不同監測方法在北長山島山后村山體滑坡監測應用中的討論

5.1GPS監測方法的局限性

GPS監測數據精度雖有毫米級，但無法在滑坡體頂部建立可實時監測的GPS基站，只能定期派遣工作人員進行測量。同時，受長山島山后村地區通訊環境較差及周邊雷達監測站通訊干擾的影響，GPS時常出現連接不暢的情況，這給GPS監測帶來了不小的阻力。

5.2三維激光掃描監測結果與無人機遙測結果的比較與分析

以北側主滑坡區為例(圖5)，對比分析2013年8月獲取的三維激光掃描數據和無人機遙測數據反演結果的差異。經過數據處理發現，無人機反演的高程數據與三維激光掃描數據空間分布形態與特征基本一致(圖8)。

將無人機反演高程數據減去三維激光掃描數據進行空間網格差異分析，獲得高程變化圖像，來定量分析兩者差異(圖9)。其中，正值為無人機反演高程大于三維激光雷達掃描高程，負值反之。

通過分析高程數據單個網格上三維激光掃描和無人機提取的點云密度(圖10)，發現三維激光掃描的點云數據從滑坡下部到上部數量不斷變少，在最上部單個網格點云數據在10個以內，而在底部掃描儀區域，點云數量則在幾千個以上；同時由于三維激光掃描屬水平光學測量方式，某些凹形地形或前方有坡體遮擋的區域，三維激光無法掃描到，因此三維激光掃描數據存在較多的無點云數據。相對于三維激光的水平測量方式，低空無人機則是以俯瞰的方式進行測量，克服了三維激光掃描的水平測量缺點，點云密度相對均勻，大部分單個網格的點云數量都在51～100個之間，但對垂直陡崖地形，則無法獲取更多的紋理信息。

圖8　三維激光掃描高程數據(a)無人機反演高程數據(b)Fig.8　Elevation data of 3D laser scanning(a) and UAV telemetering(b)

圖9　無人機反演高程與三維激光掃描高程差異分級顯示圖Fig.9　Display graph of the difference classification of UAV invention elevation and 3D laser scanning elevation

圖10　三維激光掃描(a)與無人機遙測(b)點云數據密度分布圖Fig.10　Point cloud data density distribution map of 3D laser scanning(a) and UAV telemetering(b)

由此可知，在地形復雜區域和上部仰角較大區域，三維激光掃描高程數據精度差，導致與無人機反演高程數據之間的差異。因此，要根據滑坡區的實際情況綜合運用兩種方法以獲得理想精度的高程數據。

雖然三維激光掃描和無人機遙測，可定期獲取滑坡區的高程數據，并得到不同時期滑坡體形態變化特征(圖11)，但兩種方法均不能起到實時監測滑坡體動態的作用，因此還需采用一種實時監測方法對滑坡體進行動態監測。

圖11　2012年6月至2013年11月山后村北側主滑坡體形態變化特征Fig.11　Morphology variation characteristics of the main landslide in Shanhou Village from June 2012 to November 2013

5.3位移傳感器實時監測數據分析

該方法應用以來(2013年5月)獲得了一系列滑坡監測數據(圖7)，監測結果表明，2013年7-8月，滑坡體發生快速滑動，最大累積滑動距離近20 cm；2013年8月至2014年9月，滑坡體仍呈現滑動趨勢，但活動距離較小，呈“穩定”態勢。這與三維激光掃描監測的第5期(2013年8月至2013年11月)數據表現的滑坡體整體呈現緩慢下滑趨勢相吻合。另外，監測數據的突變可作為滑坡體有可能發生滑坡的一種可能性指標，進而達到了預警的目的。由于位移傳感器的量程有限以及銦瓦鋼絲繩獨特的剛性特質，滑坡體瞬間和超量程的滑動都容易造成傳感器銦瓦鋼絲繩的斷裂；降雨給位移傳感器監測系統帶來的銹蝕也極大影響了監測的準確性。

6結語

根據不同山體滑坡監測方法的特點，針對北長山島山后村山體滑坡的具體情況，最終選擇了GPS監測、三維激光掃描監測、無人機遙感監測及位移傳感器監測方法組成了北長山島山后村山體滑坡監測系統對滑坡進行系統地監測。該系統分別定期和實時地獲取了不同的滑坡監測數據，通過對比分析發現，在三維激光掃描點云數據密集的滑坡體中、下部選擇三維激光掃描獲取的滑坡體形態數據，在點云數據稀疏的滑坡體上部選擇無人機遙測獲取的滑坡體形態數據，這就精確地獲取了不同時期滑坡體的挖方量、滑移量；位移傳感器獲取的實時位移監測數據可得到滑坡體的實時滑移動態，在其監測數據突變時滑坡存在滑動的風險。研究發現采石和降雨是引起山后村滑坡體滑移的兩個最重要因素，采石導致滑坡體體積整體減小，降雨導致滑坡體上部拉張加速并引起碎石滑塌。最后，當地政府應有效地制止采石活動，防止滑坡體的擴大和更大滑坡災害的發生。

雖然該監測系統對監測山后村滑坡體的滑動起到了至關重要的作用，但由于條件限制僅能獲取滑坡體外部形態的變化，如何根據外部形態變化的監測數據更好的模擬、分析并預測發生滑坡的時間仍是今后需要重點研究的方向。

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收稿日期：2015-03-29；

修訂日期：2015-05-18。

基金項目：國家海洋公益性行業專項——我國典型海島地質災害監測及預警示范研究(201005010)；中央級公益科研院所基本研究基金項目：海洋粘性土微結構的差異及其成因研究——以南黃海中部與浙閩近岸泥質區粘性土為例(GY0213G04)。

作者簡介：周航(1990—)，男，山東省聊城市人，主要從事海洋災害地質和工程地質研究。E-mail：chriszh11@163.com *通信作者：劉樂軍，研究員，主要從事海洋災害地質和工程地質研究。E-mail：liulj@fio.org.cn

中圖分類號:P642.22

文獻標志碼：A

文章編號：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，劉樂軍，王東亮，等. 滑坡監測系統在北長山島山后村山體滑坡監測中的應用[J]. 海洋學報，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