作者：朱武、张勤、朱建军、王彦平、朱鸿鹄、胡伟、黄观文、胡俊、吕孝雷、朱星、林赟、裴华富、张巍、程刚、何朝阳
我国疆域辽阔、地形复杂、气候多样、地质特殊，滑坡分布广泛且灾害多发。特大滑坡更因其隐蔽性强、突发性强、破坏性强，一旦发生将会对人民生命财产带来严重威胁、甚至引发毁灭性灾难。2015年陕西山阳“8•12”、2017年四川茂县“6•24”、2019年贵州水城“7•23”等特大山体滑坡灾害，都造成了重大人员伤亡和财产损失。那么，特大滑坡“从发现到发生”经历了怎样的变化，又是否可以通过实时监测来预警滑坡的发生？
为了回答这一问题，在“十三五”国家重点研发计划的支持下，长安大学牵头，联合中南大学、北方工业大学、南京大学、成都理工大学、中国科学院空天信息创新研究院、大连理工大学等 家单位组建项目团队，共同开展特大滑坡实时监测预警技术与装备研发。该项目旨在揭示特大滑坡“从发现到发生”的演化过程，进而提前预警滑坡的发生，满足国家防灾减灾的重大应用需求。
经过两年半的科研攻关，项目团队研制出北斗变形监测、便携式应急监测、自组网实时通信、地基大视场合成孔径雷达（SAR）、地下多场传感等滑坡实时监测装备8套，研制出空天遥感动态跟踪、多源智能预警等系统平台5套，构建起特大滑坡“动态跟踪-实时监测-精准预警”技术体系，实时获取多层次多尺度滑坡关键监测指标，实现对特大滑坡的动态精准预警。目前，项目团队在陕西、四川、重庆、云南、贵州、甘肃等13个省（自治区、直辖市）建有滑坡监测预警示范区，在西北黄土滑坡、三峡库区滑坡、西南岩溶滑坡等典型特大滑坡区开展监测预警示范，成功预警多起滑坡事件，显著提升了我国滑坡灾害的防灾减灾水平。
在广袤国土找寻微小滑坡隐患
我国滑坡发生预测的首要难题，就是如何在约960万平方千米的广袤国土上找寻相对十分微小的滑坡隐患，换言之就是如何在大区域范围内找到隐蔽着的滑坡隐患。
干涉合成孔径雷达（InSAR）、激光点云、倾斜摄影等空天多源遥感技术，可以通过搭载在卫星、飞机等平台上的雷达、相机等传感器上来获取地球表面大范围、高精度、高分辨率的影像，进而通过影像分析来识别隐藏的滑坡隐患，在区域滑坡早期识别上具有不可替代的作用。然而，面对特大滑坡所具有的复杂机理、强隐蔽性、强突发性等特点，常规的空天多源遥感技术监测精度不足、快速探测自动化程度较低等问题也愈发突显，使其难以对滑坡隐患进行快速精准定位，亟需开展面向特大滑坡的动态跟踪研究。
为此，项目团队研发出空天多源遥感数据融合的三维动态跟踪技术与系统，其可为特大滑坡实时监测预警提供有效靶区；构建了基于滑坡有限元模型的InSAR三维变形监测模型，其可通过观察由有限元模型分解卫星-地面距离变化（InSAR获取）而得到的地表三维变化来识别滑坡隐患，能够解决植被茂密、地形陡峭等环境下InSAR变形监测的精度与密度问题，实现滑坡区大范围毫米级三维变形动态提取。
在此基础上，项目团队通过融合高精度数字高程模型（DEM）、光学遥感、地质调查等资料，构建了特大滑坡早期视觉认知模型，解决了以往在特大滑坡识别中容易出现的错判、漏判、少判等问题，进而实现对特大滑坡隐患的精确定位。此外，项目团队通过集成相关共性处理与应用组件以及大数据可视化分析工具，构建了具有高精度多源数据处理、信息融合、特征识别、信息共享与服务等能力的滑坡三维动态跟踪信息服务平台，实现特大滑坡隐患快速自动化识别。
实时获取毫米级精度的滑坡三维地表位移
“早期缓变-加速变形-快速滑动”是从滑坡复杂的发展过程中归纳出的随时间变化的一般规律，也反映出滑坡发生往往具有突发性强的特点。因此，获取滑坡瞬时（秒级）高精度（毫米级）的地表位移变化，是明晰滑坡地表位移演化过程、提前预警滑坡发生的重要手段。
随着电子信息与自动化技术的快速发展， 全球卫星导航系统（GNSS）、位移计、裂缝计等滑坡实时监测装备的性能已经得到较大提升。然而，面向复杂山区特大滑坡监测参数多、通信实时性强、监测装备需要广泛布设等现实需求，现有监测装备却由于存在监测参数不够丰富且精度偏低、实时通信保障困难、成本较高、体积较大等实际问题而难以得到进一步推广应用，亟待研发小型化、低成本、高精度、易部署的三维矢量变形监测终端。
为此，项目团队开展了地表低成本高精度三维矢量变形监测技术的研究，研发出低成本毫米级北斗监测终端、具备自学习能力的多源智能云平台实时跟踪预警系统、包含多种观测参数的便携式变形监测智能装备包、自组织自愈混合组网实时通信装备，实现了地表三维变形、雨量等多种观测参数的高精度实时获取与传输。其中，北斗监测终端突破22纳米芯片工艺、射频基带解算一体化技术、多径误差消除技术等难题，并将其载波精度由5毫米提升至1毫米，体积由300立方厘米缩小至100立方厘米，成本由5000元降至1000元，能够实时捕捉毫米级的滑坡位移变化，推动了滑坡实时监测装备向普适化方向发展。而随着2020年6月我国北斗三号全球卫星导航系统组网成功，北斗监测终端的准确性与可靠性也得到了进一步提升。
在非接触情况下实时获取滑坡面域的地表位移
北斗变形等地面监测装备只能观测获取到点状的地表位移信息，而无法覆盖整个滑坡体，容易忽略滑坡体关键部位的变化信息。此外，地面监测装备往往需要作业人员进行现场安装，而目前对于地处高陡峭、高海拔等复杂环境的滑坡监测区域，作业人员通常难以到达，即使能够到达，安装过程也十分危险和困难。因此，如何在非接触（无需作业人员现场安装
装备）情况下，实时观测获取滑坡整体位移，摸清滑坡整体与局部关键部位的位移变化规律，对于研究滑坡机理、预警滑坡发生具有重要意义。
地基SAR能够通过沿地面固定轨道移动的雷达传感器，扫描一定距离范围内的滑坡体，实时获取雷达与滑坡体之间的距离变化，实现在非接触情况下观测整个滑坡体面域的变化。凭借全天时全天候、大面积非接触测量、毫米级实时监测精度等优势，地基SAR已成为滑坡整体面域位移监测的重要手段，且经过近20年的系统研制，其技术适应性也已得到充分应用检验。然而，现有地基SAR系统的监测视场范围有限且只能获得雷达视线方向的一维变形，难以满足特大滑坡复杂三维立体场景的监测需求，亟待研发适用于特大滑坡实时监测预警的地基大视场SAR三维变形监测技术及先进装备。
为此，项目团队建立了角度关联大视场成像理论，研制出地基大视场SAR变形监测装备与实时数据自动化处理软件，将地基SAR的监测视场由原来的60度扩展到120度，实现了全天时全天候条件下大面积亚毫米级精度变形信息的实时获取，填补了大视场地基SAR高精度变形信息获取的技术空白，促进了滑坡灾害应急抢险处置技术的升级换代。
目前，该装备已应用于民政、国土、林业等多部门的滑坡灾害应急抢险工作，避免了由二次滑坡导致的人民生命财产损失，实现间接经济效益上亿元，社会效益显著。
实时获取隐藏于滑坡体内的变化信息
特大滑坡的稳定性演化规律及触发机理复杂、影响因素众多，而北斗监测终端与地基SAR等手段只能获取滑坡表层的变化信息，无法反映出滑坡体内部的变化。因此，实时获取隐藏于滑坡体内的地下渗流场、应力场、深部变形场等变化信息，对于滑坡预警具有同样重要的意义。目前，常规点式电测技术无法在低漂移、多参量、全覆盖、快速响应等方面满足特大滑坡的监测需求，而滑坡地下多场监测由于需要解决多传感器与多系统协同工作等难点，完善监测精度、量程、长期稳定性等指标，技术研发与应用在国际上仍处于探索阶段。
为此，项目团队通过综合利用数字信号处理、光电信号转换、分布式感测原理等理论与方法，实现了滑坡体内部多种监测信息的高精度实时获取：基于项目团队对滑坡渗流场全剖面信息重构理论的研究，研发出特大滑坡动态渗流场实时监测装备，解决了滑坡渗流信息高精度、快速获取的难题；基于光纤、压电、微机电系统（MEMS）等先进传感技术，研发出滑坡体应力场、变形场与灾变滑动力监测技术及装备，攻克了岩土体三维土压力与滑动力感测难题，其中深部变形监测精度由0.5毫米提升至0.1毫米；基于拉曼光时域反射与光纤布
拉格光栅等感测原理，研发出滑坡温度场高精度感测技术及装备，解决了滑坡温度信息时空分布高精度监测的问题，将滑坡温度监测精度由1摄氏度提升至0.1摄氏度。
目前，相关成果已在长江三峡库区新铺滑坡监测、藕塘滑坡监测、鞍山露天矿边坡监测、成都空港新城地下空间综合监测等多个项目中得到示范应用，并取得良好的经济和社会效益。
提前预警滑坡的发生
基于实时获取的滑坡表层及滑坡体内部的监测数据，能够实时动态地掌握滑坡的“活动状态”，而预测预警滑坡发生，就是要从这些“活动状态”的细微变化中判断出滑坡发生的时间，其关键在于对“天-空-地-内”多源异构数据进行综合分析与利用。
在特大滑坡预警中，现阶段多源监测数据的融合尚缺乏统一的数据标准体系、数据集成与处理的实时性不足，亟需研究多源数据融合标准与实时汇聚理论。此外，滑坡预警目前主要还是基于数学方法分析监测数据，但这类方法脱离了岩土体自身变形这一最根本要素，导致滑坡预警成功率较低，亟需研究地质模型与监测数据融合驱动的滑坡预警模型。
为此，项目团队分析了各类遥感、三维变形、地下传感等监测数据在采集、结构、类型、传输等方面的差异，设计出一套多源数据同化模型及数据标准体系，将多源数据统一至相同框架下，以便进行综合分析，并构建了特大滑坡综合数据模型。在此基础上，项目团队结合大型环剪实验与高速摩擦实验对滑坡动力学机理进行研究，构建了滑坡动力学模型；融合滑坡地质模型与长时间序列的多源监测数据，构建了数据驱动的自学习滑坡实时预警模型，解决了滑坡超前预测以及多源监测数据特征因子识别较为困难的问题，有助于提高滑坡预警的成功率。
项目团队通过整合研发的相关模型、技术与装备，形成了一整套较为完备成熟的滑坡灾害监测预警系统及平台，并在示范区成功预警多起滑坡，为当地安全转移人员和财产预留出宝贵时间，实现人员零伤亡。例如，2019年2月17日，提前近1小时成功预警贵州兴义龙井村顺层岩质滑坡；2021年1月27日，提前6小时成功预警甘肃永靖县黑方台黄土滑坡，并提前7 分钟再次紧急发出滑坡即将失稳的红色告警，准确预测出此次滑坡的发生时间，此前在2017年5月至2019年10月期间，已成功预警甘肃黑方台黄土滑坡6起。在未来，项目团队将进一步深入挖掘相关领域，不断完善相关技术成果，提升实时监测预警能力，为特大滑坡防灾
减灾贡献力量。
致谢：感谢国家重点研发计划“重大自然灾害监测预警与防范”重点专项项目“特大滑坡实时监测预警与技术装备研发”（项目编号：2018YFC1505100）的支持。
（朱武、张勤，长安大学教授；朱建军，中南大学教授；王彦平，北方工业大学教授；朱鸿鹄，南京大学教授；胡伟，成都理工大学教授；黄观文，长安大学教授；胡俊，中南大学教授；吕孝雷，中国科学院空天信息创新研究院研究员；朱星，成都理工大学副教授；林赟，北方工业大学副教授；裴华富，大连理工大学教授；张巍、程刚，南京大学副教授；何朝阳，成都理工大学讲师）