作者：南京大学 施斌
《工程地质学报》2017，25（3）
0 引 言
大地是人类赖以生存的基础。大地既给了人类繁衍不息的养料、财富和美景，同时也给人类贫瘠、困境和灾难。人类总是希望能够从大地不断索取各种资源来支撑和滋润自己的生活，同时也要不断减少各种大地灾害以保护自己的安全。因此，从人类与大地间的关系来说，人类的历史就是一部从大地中不断索取，同时又要努力免受大地灾害的斗争史。
近三十多年来，随着我国大规模的基础工程建设在这片大地上迅猛展开，在向大地不断索取和利用与人类和自然引发的各种地质灾害之间的矛盾日益尖锐，使得这部斗争史到了更加严峻和残酷的阶段。根据国土资源部公布的2016年全国地质灾害数据，全国共发生地灾9710起，造成370人死亡、35人失踪，直接经济损失31.7亿元。地质灾害发生数量、造成的死亡失踪人数和直接经济损失比2015年分别增加18.1％、41.1％和27.4％。在这些数据中，因地质环境遭到破坏而产生的直接和间接损失还没有统计进去。在这些地质灾害中，因人类工程活动引起的地质灾害不断增多，此外，极端气候如厄尔尼诺后效应、突发性强对流天气、台风等的频繁发生也是重要原因。因此，人类如何在对大地的索取和利用与地质灾害防治和地质环境保护之间找到平衡，实现社会的可持续发展，始终是人类长期需要解决的课题，更是工程地质工作者的中心课题。
那么，如何在对大地的索取和利用中有效地减轻和防治地质灾害呢?目前采取的解决途径主要有两条：(1)灾害风险控制，即通过对地质灾害目标区的工程地质条件分析、分区和风险评价，采取各种地质灾害防治措施，防患于未然，预防地质灾害的发生；(2)临灾预警预报，即通过各种监测手段，对一些具体的地质灾害如滑坡和泥石流等进行临灾预警，疏散人群，转移财产，减少损失。显然，这两条途径的实现也是工程地质学的主要任务。
在上述两条途径中，监测始终是实现减灾目标的重要手段，特别是地质灾害的临灾预警预报更是离不开监测。20世纪90年代中叶，作者在日本地质调查研究所工作期间，每年都要经历许多次大小不等烈度的地震。每次地震发生只要一打开电视机，立即就能看到地震发生的位置、震源深度、烈度大小、波及范围等，前后相差不到3～4min，这给我非常深刻的印象。近年来，日本的地震信息发布更加迅速和普及，只要一发生地震，地震的相关信息就在电视、手机、电脑等各种信息工具上很快传播，警示人们做好防震工作，使日本这样一个地震多发的国家，灾害损失降到最低限度。
那么，日本是怎样做到这样的地震信息发布的呢?原来日本的国土上布满了各种各样的地震监测站点，特别是在一些活动断层和地壳板块边缘，传感监测器布设更是密集。从这些大量的监测点获得的信息经过快速处理，再通过现代通讯手段，几乎实时地向人们发布灾害信息。由此，我们应该认识到日本这块国土其实已具有了感知的功能，它的静与动、冷与暖、张与弛已可以通过各种监测手段，向人类随时呼叫、告白。受此启发，作者根据目前监测技术的发展，提出“大地感知系统”与“大地感知工程”的概念，并以此文解释之。
1 大地感知系统
作者提出的大地感知系统的概念，其内涵是指利用各种传感技术、遥感遥测技术和地球物理探测等方法，形成一个能够感知大地的地应力、变形、位移、振(震)动、温度、水分、化学组分等变化的多场多参量信息监测系统。大地感知系统与智能结构系统(董晓马，2008)不同，它不需要控制系统以及相关的驱动元件，它的根本任务就是能够全面地、及时地获取大地的各类信息，为掌握地质体的物理状态和运动规律，预测预警各类地质灾害提供实证和决策依据。
在这一概念中，“大地”的含义是指对人类活动直接产生影响的地球表层圈，也可以说是人类赖以生存的地质环境以及在这个环境中建造的各类地质工程。地质环境没有明确的厚度和边界，因为整个地球是一个有机的整体，各层圈间相互作用和影响，无法完全割裂。但是，就本文的研究对象而言，所谓的“大地”边界是指人类通过各种工具和手段能够作用到的大地深度。目前人类能够直接观察和接触到的只是地壳表层很浅的一小部分，最深的矿井仅深入地下3kin左右，最深的钻井也不过12km 多，而与人类活动密切相关的大地深度一般也不超过1000 m。因此，如果人类能够使1000m 深度内的大地感知，使它透明化，那么就能在非常大的程度上掌握地球表面在内外动力地质作用和人类工程作用下的各种地质灾害的形成和发展规律，大大减轻各类灾害，造福人类。
这样的大地感知系统应该满足如下要求：(1)分布式；(2)大范围；(3)实时性；(4)稳定性；(5)鲁棒性等。
分布式：要使大地感知，其对感知系统的要求必须具有分布式感知的功能。所谓分布式感知是指相关的感测技术能够感测被测量在空间和时间上的连续分布信息。例如在岩土体中布设线形光纤应变传感器，形成一个感测网络，利用相关的调制解调技术，就能监测到感测光纤沿线的岩土体变形的空间和时间上的连续信息。与分布性相对的点式感测技术，可以通过合理的空间布设，也可以实现准分布的感测，以满足大地的感知要求。
大范围：大地不同于一般的结构物，大而广、且复杂是它的一大特点。当然，我们也没有必要感测大地的所有地方，但是，大地的一个局部区域一般就有数千平米到数百平方公里，如崩滑流分布区域等；距离从数百米到数百公里，如一些江河的堤防、高速公路等。因此，一般传统的点式传感技术很难满足大地这样的大范围感测要求。
实时性：为了掌握大地及其上构筑物的变化，对各种灾害及时预测预警，实时性是对大地感知系统的必然要求，特别是对灾变前兆现象的及明捕捉尤其重要。由于实时性的限制，有些感测技术还不能完全满足要求，但尽可能减少感测的延时性，是大地感知系统相关技术发展的必然趋势。
稳定性：由于大地感知系统的感测对象是大地及其上的构筑物，它处在一个开放的自然环境中，受到应力场、温度场、变形场、水分场和化学场等多场的作用和影响，因此，确保大地感知系统的稳定性至关重要。这种稳定性还体现在感知系统的耐久性，不容易让外界因素影响到感测结果的准确性。
鲁棒性：由于大地感知系统安装的大地环境各种各样，常处在风吹日晒，严寒酷暑、冰冻雨淋等恶劣的环境中，加上一些工程施工场地如隧道开挖工场等条件十分复杂和混乱，系统安装条件十分苛刻，因此，鲁棒性常常是确保感知系统有效成活的关键。
当然，对大地感知系统的技术要求还有如灵敏性、准确性等，这与一般的人工结构感测系统的要求并无二样，这里不再累赘。
2 大地感知系统相关技术
根据当前的观测手段和技术水平，可以作为大地感知系统的技术体系可分为3大类。
2.1 遥感遥测技术
它们依托卫星、飞船、航天飞机、飞机以及近空间飞行器等空间平台，利用可见光、红外、高光谱和微波等多种探测手段，获取地表温度、植被、地貌、污染等的分布变化信息。这类技术包括GNSS技术、VLBI甚长基线干涉测量技术、InSAR干涉测量技术、LiDAR机载激光雷达测量技术、卫星遥感和卫星重力测量等（林宗坚等，2011）。这些技术十分适用于观测大地表面宏观的区域信息变化，但还无法穿透地表获得一定深度的地下信息，也无法做到实时的精确观测，此外，观测精度受环境因素影响很大，很难做到全天候的观测。在这类技术中，GPS等的定位技术，在地表形变和地壳运动观测中得到了很好的应用，但还不能对地质内部的形变进行测量，在观测精度上还需要提高。
2.2 地球物理方法
地球物理方法是一种地球勘探方法，包括重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震勘探、地温法勘探、核法勘探等，相关的技术设备覆盖面很广，包括地震仪器、电法仪器、磁法仪器和重力仪器等。通过测量地球的物理场（如重力场，电场，磁场等）及其在时间和空间上的变化规律，探测地球内部的物质成分、结构构造及其变化。然而，由于地球表层影响因素复杂，动态变化快，灾变的时效性强且成因隐蔽，而现有的地球物理方法多为静态探测，地质体中界面分辨率不够精细，探测结果常出现多解性，因而一般仅适用于地球深部大尺度和浅部地层的事件探测。但是，在地球物理方法中，全国近2000个地震台站，已基本可以满足监测地震、电磁、形变和地下流体的要求，对地震的监测已达到了很高的水平。这些测震台站可以作为大地感知系统的组成部分。
2.3 传感监测技术
传感监测技术是现代信息技术的重要组成部分，也是大地感知系统不可缺少的关键技术。在传感监测技术中，传感器的研发和应用又是最为重要的一环。信息技术包括计算机技术、通讯技术和传感器技术。目前计算机技术和通讯技术发展极快且相当成熟，但传感器技术方兴未艾，随着社会对自动化和人工智能的需求不断增大，传感器技术已成为国际上许多国家重点攻克的关键技术之一（高国富等，2005）。
传感器的测量对象非常多，几乎涵盖物质世界的所有物理理，常见的如数量、长度、面积、位置、变形、位移、压力、水分、流速、温度、湿度、密度、加速度、震动等；传感手段主要有射线（γ射线、X射线）、紫外线、可见光线、激光（布里渊、拉曼、瑞利 等）、红外线、微波、电、磁和声波等9种（钱显毅，2008）。据此研发出的传感器千差万别、种类繁多。
将各种传感器按一定技术要求，安装到地质体中，通过信号传输或传感线构成感测网络，使大地感知，监测地质体多场多参量的变化，就能形成大地感知系统。由于传感监测技术是直接在地质体中植入传感器来实现大地感知的，因此，它既可以获得大地信息，也可以感测到地下的大地信息，因此，传感监测技术应是构建大地感知系统中最主要的技术手段。这样的感知系统主要由以下几个部分组成。
2.3.1 传感系统
能感测到被测物周围环境变化或作用的一类功能元件称为传感元件。通过埋入或粘贴于基体材料内部或表面的传感元件，能够有效地感知被测物的外部环境变化和内部状态变化，收集外部和内部信息，它是大地感知系统的基础和“神经”。目前，主要的传感元件类型有：光纤传感器，PZT和PVDF压电组件、电阻式组件、振弦式组件、形状记忆合金、电磁伸缩材料等，能够感测到的物理量非常多，仅光纤传感器能测得的物理量就达到70余种（方祖捷 等，2014）。不同种类的传感元件组合就形成了大地感知系统中的传感系统。
2.3.2 信号调制解调系统
无论哪种传感器，探测哪种物理量，传感技术的工作原理无非都是将被测量的变化调制成传输信号中的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的信号再进行解调，从而得到被测量。因此，信号调制解调技术是传感测量中的核心技术。如在光纤传感技术中，就有强度调制型、相位调制型（干涉型）、波长调制型、频率调制型、偏振调制型等，同时相应的也有解调技术，调制与解调构成信号调制解调仪，多种信号调制解调仪组合，形成大地感知系统中的调制解调系统。
2.3.3 信号传输系统
信号传输系统主要包括3个部分：第1部分是从信号调制解调器到传感元件间的传输；第2部分是从信号调制解调器到数据分析系统的信号传输；第3部分是将感测分析结果快速传达到用户端。前者一般通过有线传输来实现。不过，随着智能传感器技术的不断提高，采用无线传输的方式也会越来越多；次者，采用无线、互联网、通讯卫星的方式来传输信号已很普及。此外，由于大地感知系统安装的地方环境往往十分恶劣，人员很难或者不易抵达，因此，无线传输方式应该是大势所需。有些系统中，信号调制解调器中已经安装了相应的数据分析系统，在这种情况下，就不需要第二部分的传输；最后，将感测分析结果快速传达到用户端的方式，现在有很多，其中通过互联网+的方式将监测结果和预警信号发送到手机、电脑终端、公共服务平台是必然趋势。
2.3.4 数据分析系统
从信号调制解调仪中传输出的调制解调信号进入计算机，通过数据分析系统，获得被测量的监测结果。数据分析系统是大地感知系统的重要组成部分，其功能的好坏直接影响到感测结果的有效性、可用性和分析效率。特别对于一些海量的全分布式感测数据，常常需要去噪、平滑、配位、作差等数据处理后，才能成为监测结果；而更重要的还要对感测数据进行异常点和区的识别、捕捉和显示，并能结合感知对象，得到评价结论或发出预测预警，而这些工作都需要数据分析系统来完成。
在传感监测技术中，分布式光纤感测技术因其独特的性能和优点，近十余年来得到了快速的发展，是构建大地感知系统的重要手段。
3 分布式光纤感测技术
3.1 分布式监测
对于有线感测技术而言，分布式监测可分为准分布式和全分布式两大类。所谓准分布式监测就是通过一根信号传导线将相关的传感器串联起来，形成一个分布式感测网络，其特点是大大节省了传导线的数量，提高了组网效率；所谓全分布式监测是指传导线既是信号传输线，又是传感监测线，可以获得感测线沿线被测量的全分布信息，其特点是不需要相关的传感探头，感测距离长，被测量信息连续，沿感测线全覆盖，大大提高了监测效率和组网功能。
地质体的分布式监测就是在地质体中布设线形感测元件，形成一个传感监测网络，利用相关的调制解调技术，连续监测地质体多场多参量信息，这些传感网络就象在“死”的地质体中植上了能感知的神经系统。当地质体的多场参数发生任何变化时，监测系统就能感知它们的分布和大小，从而获得地质体多场信息的变化规律。这类监测技术的突出优点就是改变了传统的点式监测方式，弥补了点式监测的不足，实现了实时、长距离和分布式监测的目标。因此，分布式监测是21世纪地质与岩土工程监测技术的发展方向，而分布式光纤感测技术是实现分布式监测的主要手段。
3.2 分布式光纤感测技术
分布式光纤感测技术是20世纪80年代伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术（廖延彪等，2009；张旭苹，2013）。
光纤感测技术具有分布式、感测距离长、无源、耐久性好、抗干扰性强、匹配性好、易组网等优点，已成为分布式监测的首选技术，也是新一代监测技术发展的重要方向，十分适合大地感知系统的构建。国际上一些发达国家都在投入大量人力和财力研发这类技术，应用领域不断扩大，发展前景十分广阔（施斌等，2004，2005；朴春德 等，2008；隋海波 等，2008；朱鸿鹄 等，2015）。
光纤感测技术包含多种光纤技术，每一种技术具有各自的监测特点。从中可以看出：
⑴分布式光纤感测技术包括准分布式和全分布式两种感测方式。准分布式主要是布喇格光纤光栅感测技术，它可以利用一根信号传导光纤，将许多光纤或其他传感器串联起来，通过波分复用和时分复用等感测原理，将多个传感器的感测信号区分而获得各个传感器的感测信息。这样，避免了点式传感技术监测时需要安装和埋设大量的信号传输线，给工程监测带来很大的麻烦，甚至无法监测；全分布式光纤传感监测用的主要调制解调技术有：光时域反射计（简称 OTDR）,拉曼散射光时域反射测量技术（简称 ROTDR），布里渊散射光时域反射测量技术(简称 BOTDR）和布里渊光时域分析测量技术（简称 BOTDA）等，其中ROTDR和BOTDR由于其单端监测的功能，它们特别适用于地质体全分布监测系统。光纤全分布式感测技术一般不需要任何传感探头，价格低廉的普通通信光纤就可以作为感测光纤。光纤既是传感介质，又是传输通道，具有体积小、重量轻、几何形状适应性强、抗电磁干扰、电绝缘性好、化学稳定性好以及频带宽、灵敏度高、易于实现长距离和长期组网监测等诸多优点。
⑵分布式光纤感测技术是一大类感测技术，各种感测技术的原理和感测参量也不尽相同，每一种感测技术有其各自的特点和不足。因此，在实际应用中，应根据不同的监测对象和要求，选择相应的感测技术，设计不同的监测方案。
⑶根据监测对象和要求，选择表中所列的一种或多种光纤感测技术，配上相应的感测光纤或传感器元件，再设计相应的信号传输系统和研发数据分析系统，就能形成一个光纤感知系统，如果这样的光纤感知系统服务于大地工程监测，就能形成大地感知系统。
感测光纤可以像人身上的神经一样，安装植入到大地及其基础工程中，能够感知大地的各种作用场及期多参量的变化，实现大地感知的目标。
4 大地特点与大地感知工程
从技术的角度，只要具备传感元件（传感器件、线、带、面和体）、信号调制解调仪、信号传输系统和数据分析系统，就可构成一个感知系统。根据感知系统服务的对象，就可以在它的前面加上对象名就可以构成xx对象的感知系统。将感知系统服务于大地监测，就可以称为大地感知系统。但是，如何将这一系统安装到被监测物上去，让它感知，并且达到相应的监测要求，这可不是一件容易的事。特别要让大地感知更是难上加难。这是因为大地是由各种各样的、处在不同状态的并且具有不同结构构造的地质体组成。与土木工程中的人造结构系统如钢筋混凝土结构、钢结构和合成材料结构不同，地质体是自然历史的产物，是一个固、气、液多相体系。岩体坚硬、构造不规则；土体松软，且具有多孔和低强度等特征，而且它们还在不断地受到自然和人类工程活动的作用和影响。从感知大地的角度，地质体具有如下特点（施斌，2005，2013；施斌等，2006）。
4.1 结构构造复杂，空间变异性大
组成大地的各种地质体是经过了漫长的地质历史演化而来，期间不知经过了多少次的地质运动和沧海桑田的环境变迁，因此，地质体具有十分复杂的结构和构造，在空间上呈现出各向异性和不规则性，空间变异性很大，不确定性高，它们控制着地质体的变形和稳定。地质体的这一特性，就要求相应的感测技术应具备分布式的监测要求，这样才能全面地感测到地质体的整体变化。
4.2 规模广，距离长，深度大
当人们在大地上进行各类工程活动时，为了确保工程的安全，保护地质环境，就要对构筑物的地基及其周围的地质条件和环境进行评价和演化过程分析。显然，与各类工程有关的地质体的规模、范围和深度都要比其承载的构筑物大得多。如体积达到几千万方的大型边坡体；长度可达几十，甚至几百公里的江河堤防；范围可达上百万平方公里的冻土区；一些矿山开采的影响深度可以达到数千米。因此，要掌握如此大的地质体的变化规律，必须要有长距离、覆盖性比较好的感测系统才能获得地质体各种场参量的大数据信息，在此基础上才能分析和掌握地质体的变化规律。
4.3 不易穿透，隐蔽性强
上天难、入地更难。这是因为地质体是具有特殊结构与构造的自然物质体，探测地球无法像向空中发射飞船那样容易。如果不借助探测手段，人们无法从地表掌握地下地质体的状态变化。但坚硬岩石很难钻孔，松散层中很难获取原状试样，而深部地质体更难接触到，只有通过一些地球物理的方法间接地获取相关地下深部信息。地质体的这种不易穿透性和隐蔽性严重的影响到了地质体变化状态的信息获取，也影响了人们对于地球内部和地质灾害形成机理和发展规律的认识。
4.4 多场作用，影响因素复杂
地球上发生的各种地质现象和地质灾害，均与地球的内动力、外动力或两者结合的地质作用有关。人类居住在地球表面，因此地球表层数十米，甚至几千米深的地质体的内部状态和运动规律，直接影响到人类社会的安全。由于地壳表层处在岩石圈、水圈、大气圈和生物圈多层圈作用的结合部位，它必然受到应力场、温度场、水分场、化学场等多场的耦合作用，因此影响表层地质体状态和变化的因素十分复杂。要掌握各种地质现象的形成机理，减轻各类地质灾害，必须要弄清这些影响因素间的相关信息。
4.5 形态不规则，地质环境多样
不像人造的土木工程结构规则平整，自然地质体的形态一般是不规则的，高低起伏，形成了千姿百态的地貌。形态的不规则性对于感知元件的安装、数据处理和机理分析都会造成很大障碍。
地质环境也是复杂多变，高山峡谷，高温寒冷，浅表深部等，地于地质体感测系统的安装和保护，以及系统的可靠性与耐久性带来极大挑战。
因此，要使相关的感知系统真正成为大地感知系统，并非易事。采用各种技术手段，将各种感知系统有效地安装在大地表面或上空，或植入大地内部，感知和获取大地的多场多参量信息变化，这一工作过程称为大地感知工程。就光纤感知系统而言，要将光纤感知系统成为大地感知系统，必须要解决好以下几个方面的关键工程问题和课题。
⑴必须具备强壮的传感“神经”一传感器和感测光缆。由于地质体具有上述特点，因此，裸纤和普通的通讯光纤一般是无法作为大地感知“神经”的，因为恶劣的地质条件和环境容易导致感测光纤断裂，而影响整个大地的感知监测工作，必须研发出强壮的适合大地感知要求的专门传感器和感测光缆。
⑵必须具备相应的安装工艺和方法。采用光纤感测技术感知大地，必须具备相应的安装工艺和方法，按照监测要求和方案，将感测光缆安装和植入到地质体和地质工程结构体中，这不是一件很容易的事，需要专门的技术和工艺才能做到。一般来说，对于地质工程结构体可采用专门的固定方法如夹件、粘贴、预埋等将感测光缆安装到被测物上；对于地表和浅部地质体，可采用锚杆、锚桩、挖槽等，将感测光缆植入；而对于深部地质体，一般采用钻孔和锚杆（管）等植入。安装和植入的要求必须确保感测光缆与其周边的地质体变形同步一致。
⑶确保大地感知系统的可修复性。由于大地地质条件和环境的复杂性和动态性，安装好的大地感知系统在一定的情况下可能出现损伤或断裂，导致感测光路受到影响，使整个感知系统失效。由于大地感知工程一般是隐蔽工程，处在地下，看不见摸不着，因此一旦出现光路损伤和断裂，常常很难修补，因此在大地光纤感知系统方案设计时，应充分考虑到上述情况的发生，通过预留不同感测量程光缆、备用光缆和设计冗余光缆等方法，确保大地感知系统的可修复性。
总之，大地感知系统工程是实现大地感知系统的必然途径，是将相关感测技术应用到大地感知系统中的必要环节。离开了大在感知系统工程，大地感知系统就无法实现。
5 结 语
工程地质研究和地质灾害防治都离不开对地观测和大地监测技术的进步。本文针对地质体的特点，基于相关技术领域中感测与观测技术的最新成果，提出了“大地感知系统”与“大在感知工程”的概念，意在提高地质工程、岩土工程和地质灾害的监测水平，创新监测模式，研发新技术和新方法，建立大地感测网络，以推动工程地质学和防灾减灾技术的发展。作者相信，随着信息技术和传感监测技术的迅猛发展，让大地感知，掌握大地脉搏，达到减轻各类地质灾害，实现社会可持续发展的目标，就一定能实现。