撫順西露天礦大變形滑坡多源協同監測方法：技術融合與實踐應用一、引言1.1研究背景與意義1.1.1研究背景撫順西露天礦作為中國重要的煤炭生產基地之一，其開采歷史可追溯至1901年。歷經百余年的大規模開采，形成了東西長6.6公里、南北寬2.2公里、采坑開口總面積10.87平方公里、深420至521米的巨型礦坑。長期的開采活動使得該區域地質條件復雜，邊坡穩定性問題日益突出，滑坡災害頻發。自2009年初開始，撫順西露天礦南幫千臺山發現兩條相距80至150米、東西向延展、近于平行的弧形地裂縫。2012年11月，西露天礦坑底出現鼓脹，后緣兩條地裂縫變形加劇。2013年3月初，兩條地裂縫變形和西露天礦坑底鼓脹進一步加劇，兩條裂縫總長3090米，裂縫垂直落差超過4米，水平位移達到2.2米，經估算滑坡體體積超過1億立方米。此后，裂縫的最大垂直落差超過11米，最大水平位移達到17米。這些數據表明，滑坡的規模和危害程度在不斷增加。撫順西露天礦滑坡的形成原因主要包括以下幾個方面：其一，礦區南側巖體質量較差，南幫整體呈順向層狀結構（順向坡），坡體玄武巖夾煤層、凝灰巖、油頁巖、頁巖和泥灰巖等受區內斷裂構造影響，巖體完整性遭到破壞，質量下降，容易產生滑坡；其二，礦坑采礦剝離巖土體，導致坡體前緣壓腳失重，破壞了南北幫間的拱形支撐效應，進而引發坡體變形；其三，降水、地震等自然因素以及開采活動等人為因素也會對滑坡的發生和發展產生影響。例如，2013年“8?16”強降雨后，滑坡現象更為嚴重。滑坡災害的發生對周邊環境、居民安全及經濟發展造成了嚴重影響。在環境方面，滑坡導致山體塌陷、地表裂縫，破壞了自然植被和生態平衡，引發水土流失等問題；在居民安全方面，滑坡地質災害危險區和影響區面積達4.08平方公里，其中危險區面積為3.68平方公里，防范區面積為0.4平方公里，影響區內共有企業15家，在崗職工1369人，住戶1189戶、居民3066人，人口總數4435人，嚴重威脅到居民的生命財產安全；在經濟發展方面，滑坡災害使得周邊基礎設施受損，如道路、橋梁、水渠等被破壞，影響了區域的交通和水利設施正常運行，阻礙了當地經濟的發展，同時，為了應對滑坡災害，政府和企業需要投入大量資金用于監測、預警、治理等工作，增加了經濟負擔。1.1.2研究意義多源協同監測方法對于滑坡災害預警和防治決策具有至關重要的意義。一方面，傳統的單一監測方法存在局限性，難以全面、準確地獲取滑坡體的變形信息。例如，地面監測方法雖然精度較高，但監測范圍有限，且容易受到地形、天氣等因素的影響；遙感監測方法雖然能夠獲取大面積的監測數據，但在精度和時效性方面存在不足。而多源協同監測方法可以整合多種監測技術的優勢，實現對滑坡體的全方位、實時監測。通過綜合分析不同監測手段獲取的數據，能夠更準確地判斷滑坡的發展趨勢，提前發出預警信號，為居民的撤離和救援工作爭取寶貴時間，從而有效減少人員傷亡和財產損失。另一方面，多源協同監測方法能夠為滑坡防治決策提供科學依據。通過對監測數據的深入分析，可以了解滑坡的形成機制、影響因素以及變形規律，進而制定出更加合理、有效的防治措施。例如，根據監測數據確定滑坡的滑動面、滑動方向和滑動速度等參數，為工程治理方案的設計提供關鍵信息，指導工程人員采取針對性的措施，如削坡減重、回填壓角、排水等，以提高滑坡體的穩定性，降低滑坡災害的風險。從理論貢獻角度來看，多源協同監測方法的研究豐富了地質災害監測領域的理論體系。它涉及到多個學科領域的知識，如測繪科學、地理信息科學、地球物理學、計算機科學等，通過將這些學科知識有機結合，為地質災害監測提供了新的思路和方法。同時，多源協同監測方法的研究也促進了不同學科之間的交叉融合，推動了相關學科的發展。在實踐應用方面，多源協同監測方法的成功應用可以為其他地區的滑坡災害監測和防治提供寶貴的經驗和借鑒。撫順西露天礦作為一個典型的滑坡災害案例，其監測和防治工作具有重要的示范作用。通過對撫順西露天礦滑坡的多源協同監測研究，可以總結出一套適用于不同地質條件和滑坡類型的監測技術和方法體系，為其他礦山、山區等易發生滑坡災害的地區提供參考，提高我國地質災害監測和防治的整體水平，保障人民群眾的生命財產安全和社會經濟的可持續發展。1.2國內外研究現狀1.2.1滑坡監測技術發展歷程滑坡監測技術的發展經歷了從傳統監測到多源協同監測的演變過程，這一過程反映了科技進步對地質災害監測領域的深刻影響。早期的滑坡監測主要依賴于簡單的人工觀測方法。工作人員通過肉眼直接觀察滑坡體上的地表裂縫、鼓脹、沉降、坍塌等現象，以及建筑物的變形情況、地下水的變化和低溫變化等。這種方法雖然簡單易行，但存在很大的局限性。它只能對正在發生病害的邊坡進行初步觀測，且觀測結果受人為因素影響較大，準確性和可靠性難以保證，無法實現對滑坡體的全面、實時監測，也難以提前預測滑坡的發生。隨著科技的發展，設站觀測法及儀表觀測方法逐漸得到應用。設站觀測法是在充分了解工程地質背景的基礎上，在邊坡上設立變形觀測點（成線狀、網絡狀），在變形區影響范圍之外穩定地點設置固定觀測站，使用經緯儀、水準儀、測距儀、攝影儀及全站型電子速測儀、GPS接收機等儀器定期測量變形區內網點的三維（X，Y，Z）位移變化。儀表觀測法則是用精密儀表對變形邊坡進行地表及深部的位移、傾斜動態、裂縫相對張閉及地聲、應力應變等物理參數與環境影響因素進行監測。這些方法相比人工觀測有了很大進步，能夠更準確地獲取滑坡體的變形信息，但仍然存在監測范圍有限、效率較低、受地形和天氣等因素影響較大等問題。20世紀后期，隨著空間技術和網絡技術的飛速發展，各種先進的自動遙控監測系統相繼問世，為滑坡監測帶來了新的變革。例如，GPS變形監測技術開始應用于滑坡監測領域。GPS靜態相對定位監測技術主要應用于那些礦區容易發生地表或邊坡變形的情況，按監測工程任務模式一般分為周期性監測任務和連續性監測任務兩種類型。它具有高精度、全天候、高效率等優點，能夠實時獲取滑坡體的三維坐標信息，實現對滑坡體變形的動態監測。此外，遙感監測技術也逐漸興起，通過衛星遙感、航空遙感等手段，可以獲取大面積的滑坡體影像數據，對滑坡體的宏觀變形特征進行分析和監測。這些新技術的應用，大大提高了滑坡監測的范圍和效率，為滑坡災害的預警和防治提供了更有力的支持。近年來，隨著大數據、人工智能、物聯網等新一代信息技術的發展，多源協同監測技術應運而生。多源協同監測技術整合了多種監測技術的優勢，將地面監測、遙感監測、衛星監測、物聯網監測等多種手段相結合，實現了對滑坡體的全方位、實時、動態監測。通過對多源監測數據的融合分析，可以更全面、準確地了解滑坡體的變形特征和發展趨勢，提高滑坡災害預警的準確性和時效性。例如，通過將GPS監測數據、InSAR監測數據和地面傳感器監測數據進行融合，可以獲取滑坡體不同尺度、不同精度的變形信息，從而更精確地判斷滑坡的穩定性和發展趨勢。1.2.2多源協同監測方法在滑坡監測中的應用現狀多源協同監測方法在國內外的滑坡監測中得到了廣泛應用，不同地區根據自身的地質條件和滑坡類型，采用了不同的監測技術組合和數據處理方法，取得了一系列的成果。在國內，許多山區和礦山都開展了多源協同監測的實踐。例如，在三峽庫區，由于其地質條件復雜，滑坡災害頻發，相關部門采用了多種監測技術進行協同監測。通過地面變形監測儀器，如全站儀、水準儀等，對滑坡體的地表位移進行高精度測量；利用InSAR技術，對大面積的滑坡區域進行監測，獲取滑坡體的整體變形趨勢；同時，還部署了大量的傳感器，如雨量傳感器、地下水水位傳感器等，實時監測滑坡體的環境因素變化。通過對這些多源數據的綜合分析，建立了滑坡災害預警模型，有效地提高了對滑坡災害的預警能力，保障了庫區居民的生命財產安全。在礦山領域，海南礦業與北京科技大學共同完成的《露天轉地下礦山邊坡多源協同立體監測及預警關鍵技術》項目，針對海南礦業石碌鐵礦露天礦邊坡穩定性監測，從滑坡風險評估、滑移信息、多源信息融合、監測預警技術及產品開發等方面展開研究，該技術整體上達到國際領先水平。該項目通過多源協同監測，實現了對礦山邊坡的全方位、實時監測，及時發現了邊坡的潛在安全隱患，為礦山的安全生產提供了有力保障。在國外，多源協同監測方法也得到了廣泛應用。例如，在意大利的一些山區，由于頻繁發生滑坡災害，當地的研究機構采用了衛星遙感、地面激光掃描、無線傳感器網絡等多種技術進行協同監測。通過衛星遙感可以定期獲取大范圍的地形變化信息，地面激光掃描能夠精確測量滑坡體的表面形態變化，無線傳感器網絡則可以實時監測滑坡體內部的應力、應變等物理參數。這些數據通過數據融合和分析算法進行處理，實現了對滑坡災害的準確預警和有效防治。在日本，由于其處于板塊交界處，地質活動頻繁，滑坡災害多發。日本的科研人員利用合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術、全球導航衛星系統（GNSS）技術以及地面監測儀器，對滑坡進行多源協同監測。InSAR技術可以獲取大面積的地表形變信息，GNSS技術能夠提供高精度的點位坐標變化數據，地面監測儀器則用于對特定區域進行詳細的監測。通過對這些多源數據的綜合分析，建立了完善的滑坡監測預警體系，有效地減少了滑坡災害造成的損失。1.3研究目標與內容1.3.1研究目標本研究旨在針對撫順西露天礦大變形滑坡的復雜地質條件和變形特征，建立一套適合該區域的多源協同監測體系，整合多種監測技術的優勢，實現對滑坡體的全方位、實時、動態監測。通過對多源監測數據的融合分析，提高對滑坡體變形信息的獲取精度和全面性，準確掌握滑坡體的變形規律和發展趨勢。在此基礎上，建立有效的滑坡災害預警模型，提高預警能力，能夠提前準確地發出滑坡災害預警信號，為撫順西露天礦的滑坡災害防治提供科學依據，降低滑坡災害對周邊環境、居民安全及經濟發展造成的影響，保障人民群眾的生命財產安全和社會經濟的可持續發展。1.3.2研究內容監測技術的選擇與應用：對多種監測技術進行深入研究，包括全球導航衛星系統（GNSS）、合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）、地面激光掃描（TLS）、光纖光柵傳感技術以及無線傳感器網絡等。分析每種監測技術的原理、特點、適用范圍以及在撫順西露天礦滑坡監測中的優勢和局限性。根據撫順西露天礦的地質條件、滑坡規模和變形特征，選擇合適的監測技術進行組合應用，確定各監測技術的監測點布置方案、監測頻率和數據采集方式，以實現對滑坡體不同部位、不同尺度變形信息的全面獲取。例如，利用GNSS技術對滑坡體表面的關鍵點位進行高精度的三維位移監測，獲取滑坡體的整體移動趨勢；運用InSAR技術對大面積的滑坡區域進行監測，分析滑坡體的變形范圍和宏觀變形特征；采用TLS技術對滑坡體表面進行高精度的三維建模，獲取滑坡體表面的詳細變形信息；借助光纖光柵傳感技術對滑坡體內部的應力、應變進行監測，了解滑坡體內部的力學狀態變化；通過無線傳感器網絡實時監測滑坡體的環境因素，如降雨量、地下水位、土壤含水率等，為分析滑坡的誘發因素提供數據支持。數據融合與分析方法研究：針對多源監測數據的特點，研究有效的數據融合方法，將不同監測技術獲取的數據進行整合，消除數據之間的矛盾和冗余，提高數據的可靠性和準確性。探索基于貝葉斯估計、卡爾曼濾波、神經網絡等理論的數據融合算法，實現多源監測數據的最優融合。同時，研究數據挖掘和機器學習技術在滑坡監測數據分析中的應用，建立滑坡變形預測模型和穩定性評價模型。通過對歷史監測數據和相關地質數據的分析，挖掘滑坡變形的規律和特征，預測滑坡體未來的變形趨勢，評估滑坡體的穩定性狀況，為滑坡災害預警提供科學依據。例如，利用貝葉斯估計方法對GNSS和InSAR監測數據進行融合，提高對滑坡體位移監測的精度；運用神經網絡算法對滑坡體的變形數據和環境因素數據進行學習和分析，建立滑坡變形預測模型，預測滑坡體在不同工況下的變形情況。監測系統的構建：基于選定的監測技術和數據融合與分析方法，構建撫順西露天礦大變形滑坡多源協同監測系統。該系統包括數據采集子系統、數據傳輸子系統、數據處理與分析子系統以及預警子系統。數據采集子系統負責采集各種監測技術獲取的原始數據；數據傳輸子系統采用有線和無線相結合的方式，將采集到的數據實時傳輸到數據處理與分析子系統；數據處理與分析子系統對傳輸過來的數據進行融合、分析和處理，提取滑坡體的變形信息和特征；預警子系統根據數據處理與分析子系統的結果，結合預先設定的預警閾值，及時發出滑坡災害預警信號。同時，設計監測系統的硬件架構和軟件平臺，確保系統的穩定性、可靠性和可擴展性，實現監測系統的自動化運行和遠程監控。監測系統的應用效果評估：將構建的多源協同監測系統應用于撫順西露天礦大變形滑坡的實際監測中，對監測系統的性能和應用效果進行評估。通過對比分析監測系統獲取的數據與實際的滑坡變形情況，驗證監測系統的準確性和可靠性。評估監測系統在數據采集、傳輸、處理和預警等方面的性能指標，如數據采集的完整性、傳輸的及時性、處理的準確性和預警的及時性等。同時，收集相關部門和人員對監測系統的反饋意見，分析監測系統存在的問題和不足之處，提出改進措施和建議，進一步完善監測系統，提高其應用效果和實際價值，使其能夠更好地服務于撫順西露天礦的滑坡災害防治工作。1.4研究方法與技術路線1.4.1研究方法文獻研究法：廣泛查閱國內外關于滑坡監測技術、多源協同監測方法、數據融合與分析等方面的文獻資料，包括學術期刊論文、學位論文、研究報告、會議論文等。對這些文獻進行系統梳理和分析，了解相關領域的研究現狀、發展趨勢以及存在的問題，為本研究提供理論基礎和技術參考。例如，通過對滑坡監測技術發展歷程的文獻研究，掌握各種監測技術的發展脈絡和應用情況，從而選擇適合本研究的監測技術；通過對多源協同監測方法在滑坡監測中應用現狀的文獻分析，了解不同地區和項目中多源協同監測的成功經驗和不足之處，為構建撫順西露天礦的多源協同監測體系提供借鑒。實地監測法：在撫順西露天礦大變形滑坡區域，根據研究設計的監測方案，布置各種監測設備，如GNSS接收機、InSAR監測站點、地面激光掃描儀、光纖光柵傳感器、無線傳感器等。按照預定的監測頻率，定期采集滑坡體的變形數據以及相關的環境因素數據，如降雨量、地下水位、土壤含水率等。實地監測能夠獲取第一手的監測數據，真實反映滑坡體的實際變形情況和環境變化，為后續的數據融合與分析提供可靠的數據支持。同時，在實地監測過程中，還可以對監測設備的運行狀況進行實時檢查和維護，確保監測數據的準確性和完整性。數據模擬分析法：利用數值模擬軟件，如ANSYS、FLAC3D等，對撫順西露天礦滑坡體的變形過程進行模擬分析。根據實地監測獲取的地質數據、巖土力學參數以及監測數據，建立滑坡體的數值模型，模擬不同工況下滑坡體的變形特征和發展趨勢。通過對模擬結果的分析，驗證監測數據的準確性，深入研究滑坡的形成機制和變形規律，為滑坡災害預警和防治決策提供理論依據。例如，通過數值模擬分析不同降雨強度和持續時間對滑坡體穩定性的影響，為制定合理的排水措施提供參考；模擬不同治理方案下滑坡體的變形情況，評估治理方案的效果，為選擇最優的治理方案提供依據。對比分析法：將多源協同監測方法獲取的數據與傳統單一監測方法獲取的數據進行對比分析，評估多源協同監測方法在提高監測精度、擴大監測范圍、增強監測時效性等方面的優勢。同時，對不同監測技術獲取的數據進行對比，分析數據之間的差異和一致性，驗證數據的可靠性。例如，對比GNSS監測數據和InSAR監測數據在監測滑坡體位移方面的精度和覆蓋范圍，分析兩者的優缺點，確定在不同監測需求下的最佳監測技術選擇；對比不同時期的監測數據，觀察滑坡體變形的發展趨勢，驗證監測系統的穩定性和可靠性。案例分析法：研究國內外其他礦山或地區類似滑坡災害的監測和防治案例，分析其采用的監測技術、數據處理方法、預警模型以及防治措施等。通過對這些案例的深入剖析，總結成功經驗和失敗教訓，為本研究提供實踐參考。例如，分析三峽庫區滑坡災害的監測和防治案例，了解其在多源協同監測、數據融合分析、預警體系建設等方面的先進經驗，應用到撫順西露天礦的滑坡監測和防治工作中；研究意大利某山區滑坡災害監測案例中出現的問題，如數據傳輸故障、預警不準確等，吸取教訓，避免在本研究中出現類似問題。1.4.2技術路線本研究的技術路線如圖1-1所示：數據采集：通過實地監測，利用GNSS技術獲取滑坡體表面關鍵點位的三維位移數據；運用InSAR技術獲取大面積滑坡區域的變形數據；使用地面激光掃描（TLS）技術獲取滑坡體表面的高精度三維模型數據；借助光纖光柵傳感技術獲取滑坡體內部的應力、應變數據；通過無線傳感器網絡采集滑坡體的環境因素數據，如降雨量、地下水位、土壤含水率等。同時，收集撫順西露天礦的地質資料、歷史監測數據以及相關的地理信息數據。數據傳輸：采用有線和無線相結合的數據傳輸方式，將采集到的各種監測數據實時傳輸到數據處理與分析中心。對于距離較近、數據量較大的監測設備，如地面激光掃描儀，采用有線傳輸方式，確保數據傳輸的穩定性和可靠性；對于分布較廣、數據量較小的監測設備，如無線傳感器，采用無線傳輸方式，提高數據傳輸的靈活性和便捷性。數據處理與分析：對傳輸過來的多源監測數據進行預處理，包括數據清洗、去噪、格式轉換等，消除數據中的異常值和噪聲干擾，使數據符合后續分析的要求。然后，運用數據融合算法，如貝葉斯估計、卡爾曼濾波等，對多源監測數據進行融合，提高數據的可靠性和準確性。接著，利用數據挖掘和機器學習技術，如神經網絡、支持向量機等，對融合后的數據進行分析，建立滑坡變形預測模型和穩定性評價模型，挖掘滑坡變形的規律和特征，預測滑坡體未來的變形趨勢，評估滑坡體的穩定性狀況。監測系統構建：基于數據處理與分析的結果，構建撫順西露天礦大變形滑坡多源協同監測系統。該系統包括數據采集子系統、數據傳輸子系統、數據處理與分析子系統以及預警子系統。數據采集子系統負責采集各種監測技術獲取的原始數據；數據傳輸子系統負責將采集到的數據實時傳輸到數據處理與分析子系統；數據處理與分析子系統負責對傳輸過來的數據進行融合、分析和處理，提取滑坡體的變形信息和特征；預警子系統根據數據處理與分析子系統的結果，結合預先設定的預警閾值，及時發出滑坡災害預警信號。同時，設計監測系統的硬件架構和軟件平臺，確保系統的穩定性、可靠性和可擴展性，實現監測系統的自動化運行和遠程監控。監測系統應用與評估：將構建的多源協同監測系統應用于撫順西露天礦大變形滑坡的實際監測中，對監測系統的性能和應用效果進行評估。通過對比分析監測系統獲取的數據與實際的滑坡變形情況，驗證監測系統的準確性和可靠性。評估監測系統在數據采集、傳輸、處理和預警等方面的性能指標，如數據采集的完整性、傳輸的及時性、處理的準確性和預警的及時性等。根據評估結果，總結監測系統存在的問題和不足之處，提出改進措施和建議，進一步完善監測系統，提高其應用效果和實際價值。[此處插入技術路線圖1-1]二、撫順西露天礦大變形滑坡特征分析2.1礦區地質背景2.1.1區域地質構造撫順西露天礦位于中朝準地臺膠遼臺隆，屬郯廬斷裂東北延主要分支斷裂——“敦化-密山”深大斷裂西南段的渾河斷裂控制區。礦區內構造發育，主要控災構造為北幫右旋兼逆沖性質的渾河斷裂主斷層F1、F1A，西端幫、南幫分支正斷層F3、F2、F5，以及北幫西部牽引向斜和北幫中部復向斜褶曲。從大區域看，撫順煤礦所處的構造部位是郯廬大斷裂帶的北延部分，受其影響，礦區內地應力分布復雜。郯廬斷裂帶是一條長期活動的深大斷裂，其活動導致礦區周邊巖石破碎，節理裂隙發育，為滑坡的形成提供了地質基礎。例如，在2013年撫順西露天礦大變形滑坡中，滑坡體的滑動方向與礦區內部分斷裂的走向存在一定的相關性，這表明斷裂構造對滑坡的發生和發展起到了重要的控制作用。從小區域來看，撫順西露天礦主要受撫順復式向斜控制。復式向斜軸向總體呈NE75°延展，由數條呈斜列展布的向斜褶皺組成。向斜西部地層倒轉形成倒轉向斜，向東側逐步恢復正常。向斜東西兩端封閉，受其控制，煤層在向斜兩側埋藏較淺，而向斜中部則煤層埋藏較深，最大埋藏深度達-1250m左右。這種褶皺構造使得礦區地層產狀復雜，巖石受力不均，容易產生變形和破壞，增加了滑坡發生的可能性。礦區內的斷層以沿著NEE向渾河平行分布的一群斷裂（渾河斷裂，代表性斷層為F1、F1A）為主體，表現為逆沖性質；其他主要為與這些斷裂伴生的受同一應力場控制的近SN向斷層和NW向斷層。近EW向斷層是在擠壓過程中發生應力松馳或在擠壓作用后期為調整重力勢能而發生的，它們與主壓面有近似的走向。斷層F1和F1A是渾河斷裂帶的2條主要斷裂。F1是構成古近系含煤系北限的邊界斷裂，它使白堊系大峪組逆沖于煤系之上，并拖曳煤系形成褶皺。斷距各地不一，中部傾斜斷距達1000m，東段斷距不足200m。斷裂破碎帶內發育紫紅色斷層泥及斷層角礫，破碎帶寬30～70m，傾向北，傾角35°～50°，上陡下緩，在-500m高程以下與F1A斷層并攏發育。這些斷層的存在破壞了巖體的完整性，降低了巖體的強度，使得滑坡更容易發生。例如，在北幫地區，由于F1和F1A斷層的影響，巖體破碎，邊坡穩定性差，歷史上多次發生滑坡災害。此外，斷裂具有對周圍的巖石構造定向化作用和巖體強度削弱效應，結合西露天礦開采改變地表淺部局地應力環境，導致渾河斷裂淺表發生活化，促使早期形成的處于擠壓閉合狀態的密集節理面、片理面等軟弱面逐漸張開，成為地裂縫、沉陷帶和滑坡等災害的位移陡變帶，控制滑坡災害變形擴張的邊界。例如，在2010年以后，隨著礦區開采活動的加劇，渾河斷裂淺表發生活化，導致北幫中段和南幫中、西段頂部滑坡易發性增加，這表明斷裂構造的活動對滑坡的發生和發展具有重要影響。2.1.2地層巖性撫順西露天礦礦區基巖按成因分為巖漿巖、火山巖（噴出巖）與沉積巖。區內沉積巖地層在早白堊系（1.35億年）-古近系（老第三系，6500-2300萬年）期間均有發育，均以軟巖為主。其中以古近系較發育，是礦區的含煤巖系，軟巖夾持在花崗片麻巖剛性基底的凹槽內。具體來說，礦區地層以白堊系砂礫巖與古近系玄武巖、凝灰巖、泥巖、頁巖和煤層，下伏太古代鞍山群花崗質片麻巖等巖性為主。其中，泥巖、頁巖和煤層均含有軟弱結構面，這些軟弱結構面的存在使得巖體的強度降低，抗滑能力減弱，容易在重力和其他外力作用下發生滑動。例如，在南幫地區，由于地層中含有較多的泥巖和頁巖，且存在煤層，在長期的開采活動和自然因素作用下，這些軟弱結構面逐漸軟化，導致滑坡的發生。據北幫地區鉆孔資料揭示，礦幫巖體受歷史構造面切割較為破碎，百米深度內圍巖巖體質量為Ⅲ—Ⅴ級，為礦區滑坡提供了有利的介質條件。在這種巖體質量較差的情況下，一旦受到外部因素的影響，如降雨、地震等，就容易引發滑坡。例如，在2005年8月13日前后，一次強降雨引發了北幫興平路地段和北幫南陽路地段的兩處滑坡，這與當地巖體質量差有密切關系。此外，礦區巖層具有南幫、東北幫向北傾，西北幫地層倒轉的產狀特征，形成了礦區內南幫順向坡、東北幫逆向坡，北幫中西部順逆兼具的坡體結構特征。不同的坡體結構對滑坡的發生和發展具有不同的影響。順向坡由于巖體傾向與坡向一致，在重力作用下更容易發生滑動；而逆向坡相對較為穩定，但在一定條件下，如巖體破碎、受到強降雨等作用時，也可能發生滑坡。例如，南幫順向坡在開采過程中，由于坡體前緣壓腳失重，巖體穩定性降低，多次發生滑坡災害；而北幫中西部順逆兼具的坡體結構，使得該區域的滑坡發生情況較為復雜，既有順向坡滑坡的特征，也有逆向坡滑坡的特點。2.1.3水文地質條件撫順西露天礦礦區的水文地質條件較為復雜，對滑坡穩定性產生重要影響。礦區周邊分布著渾河、古城子河和南花園水泡子，補給源充足，為地下水的存儲和運移提供了豐富的水源。礦區內主要為基巖裂隙水，坡體巖層斷裂、節理、裂隙發育，基巖風化強烈，形成了儲水、導水構造，利于地下水存儲運移。地下水在坡體中運動，一方面會對巖體產生軟化作用，降低巖體的強度。例如，泥巖、頁巖等軟巖在長期受到地下水浸潤后，其力學性質會發生顯著變化，抗剪強度降低，從而增加了滑坡發生的可能性。另一方面，地下水還會產生動水壓力和浮托力。當降雨或其他因素導致地下水位上升時，動水壓力會增大，對巖體產生附加的推力，促使巖體滑動；浮托力則會減小巖體的有效重量，降低巖體的抗滑力，使滑坡更容易發生。在2013年“8?16”強降雨后，撫順西露天礦滑坡現象更為嚴重。大量的降雨迅速補給地下水，使地下水位急劇上升，一方面軟化了坡體中的軟弱巖層，另一方面增加了動水壓力和浮托力，導致滑坡體的變形加劇，裂縫進一步擴大，滑坡的規模和危害程度顯著增加。這充分說明了地下水對滑坡穩定性的重要影響，在滑坡監測和防治工作中，必須充分考慮水文地質條件的變化。2.2滑坡變形特征2.2.1滑坡形態與規模撫順西露天礦大變形滑坡呈現出較為復雜的形態。從平面形態來看，滑坡體整體呈不規則的扇形，其前緣較為寬闊，向礦坑底部延伸，后緣則呈現出明顯的弧形，與周圍山體界限分明。滑坡體的東部邊界以F5斷層為界，西部邊界從滑坡后緣在水廠以北（W500附近）起始向北西向偏轉，向礦坑下延伸。在規模方面，該滑坡規模巨大。據相關資料記載，滑坡體南北縱長1200-1500m，東西向寬約3100m，滑坡體面積達3.38km2。滑面埋深大于50m，呈橢圓形，為深層滑坡，滑坡體主滑方向為向北滑移。滑坡體的體積經估算超過1億立方米，如此龐大的規模使得滑坡災害的影響范圍廣泛，對周邊地區的生態環境、基礎設施以及居民生活造成了嚴重威脅。從空間分布上看，滑坡主要集中在西露天礦的南幫和北幫中部地區。南幫滑坡處于高陡邊坡區域，垂直深度約400-500m，自然坡度為19°-27°，滑坡體在該區域呈現出明顯的錯落和滑動跡象，后緣形成了地裂縫和塌陷區，前緣則在礦坑底部出現鼓脹變形。北幫中部的滑坡同樣較為顯著，該區域巖體受歷史構造面切割較為破碎，在長期的開采活動和自然因素作用下，邊坡穩定性逐漸降低，滑坡體出現了明顯的位移和變形，對北幫的道路、建筑物等基礎設施造成了嚴重破壞。2.2.2變形歷史與發展趨勢撫順西露天礦的滑坡變形歷史較為悠久，且呈現出階段性的特征。自1927年以來，隨著西露天礦坑的深挖，周緣邊坡高度逐漸加大，從1986年開始出現大規模的滑坡和變形，累計地面變形區范圍500-700m，最大下沉4-5m，水平位移14m。在2005年8月13日前后，一次強降雨引發了北幫興平路地段和北幫南陽路地段的兩處滑坡；2006年6月10日至18日，由于強降雨，在北幫南陽路地段產生寬度約0.5m的地裂縫帶。近年來，滑坡變形呈現出加劇的趨勢。自2010年礦區南幫千臺山滑坡發生至今，坑內共發生滑坡4次，方量約4×10?m3，以大型、巨型滑坡為主，集中分布于南北幫中部地區。2013年初，滑坡體的變形進一步加劇，裂縫總長3090米，裂縫垂直落差超過4米，水平位移達到2.2米。此后，裂縫的最大垂直落差超過11米，最大水平位移達到17米。通過對歷史監測數據的分析，可以發現滑坡變形的發展趨勢具有一定的規律性。在滑坡初期，變形速率相對較慢，主要表現為地表出現微小的裂縫和局部的沉降。隨著時間的推移，特別是在受到強降雨、地震等外部因素影響后，變形速率明顯加快，裂縫不斷擴大，滑坡體的位移和沉降加劇。同時，滑坡的范圍也逐漸向周邊擴展，對更大區域的環境和安全構成威脅。基于目前的監測數據和變形趨勢，預測未來滑坡可能會繼續發展。如果不采取有效的防治措施，滑坡體可能會進一步滑動，導致更大規模的山體坍塌，對礦坑內的設施、周邊的建筑物和居民安全造成更為嚴重的威脅。同時，滑坡還可能引發次生災害，如泥石流、地面塌陷等，進一步加劇災害的影響。2.2.3變形影響因素分析地質構造因素：撫順西露天礦位于郯廬斷裂東北延主要分支斷裂——“敦化-密山”深大斷裂西南段的渾河斷裂控制區，礦區內構造發育，主要控災構造為北幫右旋兼逆沖性質的渾河斷裂主斷層F1、F1A，西端幫、南幫分支正斷層F3、F2、F5，以及北幫西部牽引向斜和北幫中部復向斜褶曲。這些斷裂和褶皺構造使得巖體破碎，節理裂隙發育，破壞了巖體的完整性，降低了巖體的強度，為滑坡的發生提供了地質條件。例如，在2013年撫順西露天礦大變形滑坡中，滑坡體的滑動方向與礦區內部分斷裂的走向存在一定的相關性，斷裂構造控制了滑坡的邊界和滑動路徑，使得滑坡更容易沿著這些軟弱結構面發生滑動。采礦活動因素：長期的采礦活動是導致滑坡變形的重要因素之一。一方面，采礦剝離巖土體，導致坡體前緣壓腳失重，破壞了南北幫間的拱形支撐效應，進而引發坡體變形。例如，在西露天礦的開采過程中，大量的巖土體被挖掘，使得坡體的穩定性降低，容易發生滑坡。另一方面，地下開采形成的采空區，導致上覆巖體失去支撐，引發巖體變形和塌陷，進一步加劇了滑坡的發生。例如，勝利礦深部開采使得西露天礦北幫邊坡巖體卸荷明顯，一般表現為巖體松弛，同時沿原有斷層帶及構造裂隙形成一定數量的卸荷裂隙，造成巖體強度降低、透水性增強，增加了滑坡的風險。降雨因素：降雨對滑坡變形的影響顯著。大量的降雨會使土壤和巖石的強度降低，使得滑動面上的摩擦力減小，從而促進了滑坡的發生。降雨還會增加地下水的補給，使地下水位上升，對山體上部巖體產生額外的浮力，使其更容易發生滑動。如2013年“8?16”強降雨后，撫順西露天礦滑坡現象更為嚴重，滑坡體的變形加劇，裂縫進一步擴大，這充分說明了降雨是滑坡變形的重要誘發因素之一。地下水因素：礦區內主要為基巖裂隙水，坡體巖層斷裂、節理、裂隙發育，基巖風化強烈，形成了儲水、導水構造，利于地下水存儲運移。地下水的長期浸潤會使巖體軟化，降低巖體的強度。同時，地下水的流動會產生動水壓力，對巖體產生附加的推力，促使巖體滑動。在撫順西露天礦，地下水的存在和變化對滑坡的穩定性產生了重要影響，是滑坡變形的關鍵因素之一。地震因素：雖然撫順地區地震活動相對較少，但地震一旦發生，會對滑坡體產生強烈的震動作用，使巖體的結構更加破碎，增加滑坡體的下滑力，從而引發滑坡的發生或加劇滑坡的變形。在歷史上，雖然沒有因地震直接導致撫順西露天礦大規模滑坡的記錄，但地震對滑坡的潛在影響不容忽視，需要在滑坡監測和防治中加以考慮。三、多源協同監測技術原理與方法3.1全球導航衛星系統（GNSS）監測3.1.1GNSS監測原理全球導航衛星系統（GNSS）是一種利用導航衛星進行測時和測距的系統，其核心原理基于衛星信號的傳播和接收。GNSS主要由衛星系統、地面控制系統和用戶接收機三部分組成。衛星系統負責向地面發射信號，這些信號包含了衛星的位置信息、信號傳輸時間等重要數據。地面控制系統對衛星進行控制和監測，確保衛星軌道的準確性和穩定性。用戶接收機則是接收來自衛星的信號，并通過處理這些信號來實現定位、導航和授時等功能。在滑坡監測中，GNSS監測的基本原理是利用多顆衛星發射的信號，通過三角定位法來確定監測點的位置。具體來說，用戶接收機通過天線接收來自至少四顆衛星的信號，測量信號從衛星傳播到地面接收機的時間，由于衛星信號在真空中的傳播速度是已知的（光速），根據公式d=vt（其中d為距離，v為光速，t為信號傳播時間），可以計算出接收機與衛星之間的距離。然而，由于衛星信號在傳播過程中會受到地球大氣層和電離層的影響，導致信號傳播時間的測量存在一定的誤差。為了消除這些誤差，提高定位精度，通常采用差分定位技術。差分定位技術是利用基準站和監測站同時接收衛星信號，基準站的位置是已知的，通過計算基準站接收到的衛星信號與已知位置之間的誤差，將這個誤差信息發送給監測站，監測站利用這個誤差信息對自己接收到的衛星信號進行修正，從而提高定位精度。常用的差分定位技術有實時動態（RTK）定位技術和后處理動態（PPK）定位技術。RTK技術可以實時獲取監測點的三維坐標，精度可以達到厘米級；PPK技術則是在測量完成后，對采集的數據進行后處理，精度可以達到毫米級。在撫順西露天礦大變形滑坡監測中，通過在滑坡體表面的關鍵點位上安裝GNSS接收機，同時在穩定區域設置基準站，利用GNSS的差分定位技術，實時或定期獲取監測點的三維坐標信息。將不同時間獲取的坐標信息進行對比分析，就可以計算出監測點在水平方向和垂直方向上的位移變化，從而實現對滑坡體變形的監測。例如，如果監測點在某一時間段內的水平坐標發生了明顯變化，說明該點在水平方向上發生了位移，可能是滑坡體在滑動；如果垂直坐標發生變化，則可能表示滑坡體出現了沉降或隆起現象。通過對多個監測點的位移變化進行綜合分析，可以全面了解滑坡體的變形特征和發展趨勢。3.1.2在滑坡監測中的應用優勢高精度：GNSS監測采用載波相位差分技術，定位精度可以達到毫米級甚至優于毫米級的精度。在滑坡監測中，高精度的監測數據能夠更準確地反映滑坡體的變形特征、變幅、滑動方向、滑動速率、穩定性及其發展趨勢。例如，對于撫順西露天礦大變形滑坡，毫米級的精度可以及時發現滑坡體的微小變形，為災害預警提供更早、更準確的信息。全天候、全天時監測：GNSS系統不受天氣條件的限制，無論是晴天、雨天、雪天還是霧天，都能正常工作，實現全天時的實時監測。這一優勢使得在撫順西露天礦復雜的氣候條件下，也能持續獲取滑坡體的變形數據，避免因天氣原因導致監測中斷，從而提高了監測的可靠性和連續性。實時性：GNSS監測可以實時獲取監測點的三維位移量，通過數據通訊網絡實時發送到控制中心。監測人員可以隨時了解滑坡表面的變形情況，及時發現滑坡的異常變化，并發出預警信息。在撫順西露天礦滑坡監測中，實時性的監測數據能夠使相關部門迅速做出反應，采取相應的防治措施，減少災害造成的損失。自動化：GNSS監測系統可以實現自動化監測，自動記錄和傳輸數據。在撫順西露天礦的監測過程中，無需人工現場操作，減少了人為因素對監測結果的影響，提高了數據的準確性和監測效率。同時，自動化監測還可以降低監測成本，實現對滑坡體的長期、連續監測。廣泛適用性：GNSS監測可以廣泛應用于各種類型的滑坡、崩塌等地質災害監測中。無論是山區的滑坡、礦山的邊坡滑坡還是城市周邊的滑坡，GNSS監測技術都能發揮其優勢，獲取準確的變形數據。在撫順西露天礦大變形滑坡監測中，GNSS技術能夠適應礦區復雜的地形和地質條件，為滑坡監測提供了有效的手段。長期穩定性：GNSS監測系統具有長期穩定性的特點，可以在各種環境下長期工作，保證監測數據的準確性。在撫順西露天礦惡劣的自然環境和復雜的開采活動影響下，GNSS監測系統能夠穩定運行，持續提供可靠的監測數據，為滑坡災害的長期監測和防治提供了有力保障。3.1.3撫順西露天礦監測點布設與數據采集監測點布設方案：在撫順西露天礦大變形滑坡區域，根據滑坡體的形態、規模、變形特征以及地質條件，合理布設GNSS監測點。在滑坡體的后緣、前緣、中部以及兩側等關鍵部位，均勻分布監測點，以全面獲取滑坡體不同部位的變形信息。同時，在滑坡體周邊的穩定區域設置2個基準站，用于提供差分改正信息，提高監測點的定位精度。具體來說，在滑坡體后緣，沿著地裂縫的走向，每隔50米設置一個監測點，以監測后緣的拉張變形情況；在滑坡體前緣，由于該區域是滑坡體的滑動前沿，變形較為復雜，每隔30米設置一個監測點，重點關注前緣的鼓脹和滑動情況；在滑坡體中部，根據滑坡體的寬度，每隔80米設置一個監測點，以了解滑坡體中部的整體變形趨勢；在滑坡體兩側，考慮到滑坡體可能存在的側向位移，每隔60米設置一個監測點。此外，為了監測滑坡體的整體移動情況，在滑坡體的外圍還設置了一些控制點，這些控制點與監測點共同構成了一個完整的監測網絡。數據采集方法：采用高精度的GNSS接收機進行數據采集，這些接收機能夠同時接收多顆衛星的信號，支持多種差分定位模式。在數據采集過程中，設置采樣間隔為1分鐘，即每隔1分鐘記錄一次監測點的坐標信息。為了保證數據的完整性和準確性，每天對監測數據進行實時檢查和備份，同時定期對GNSS接收機進行校準和維護，確保其正常運行。數據傳輸采用無線傳輸方式，通過4G網絡將采集到的監測數據實時傳輸到數據處理中心。在數據處理中心，利用專業的GNSS數據處理軟件對傳輸過來的數據進行處理和分析，包括數據解算、誤差修正、坐標轉換等，最終得到監測點的三維位移信息。同時，將處理后的數據存儲到數據庫中，以便后續的查詢和分析使用。此外，為了確保數據傳輸的安全性和穩定性，采用了加密傳輸和數據冗余備份等措施，防止數據在傳輸過程中丟失或被篡改。3.2合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術3.2.1InSAR技術原理合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術是一種利用雷達波干涉原理獲取地表微小形變信息的空間對地觀測技術。其基本原理基于雷達波的相干性和干涉現象。在InSAR系統中，通過衛星或飛機搭載的合成孔徑雷達（SAR）系統，對同一地區進行兩次或多次觀測，獲取復影像對。由于目標與兩天線位置的幾何關系，在復圖像上產生了相位差，形成干涉條紋圖。干涉條紋圖中包含了斜距向上的點與兩天線位置之差的精確信息。以星載重復軌道干涉測量為例，假設衛星在不同時間對同一地面點P進行觀測，兩次觀測時衛星的位置分別為S1和S2，它們之間的距離用基線距B表示，基線與水平方向的夾角為α。衛星S1到地面點P的斜距為R1，衛星S2到地面點P的斜距為R2，斜距差為δR=R2-R1。根據復雷達圖像的相位差信息，利用傳感器高度、雷達波長、波束視向及天線基線距之間的幾何關系，可以通過以下步驟來提取地面目標地形的三維信息：相位差與斜距差的關系：SAR影像的一個像素為一個復數，包含振幅A和相位φ，z=Aexp(jφ)。距離和相位的關系為：φ=-2π/λ(Rfw+Rbw)+φscatt，其中λ為波長、Rfw為發射天線到目標的距離、Rbw為目標到接收天線的距離、φscatt為地物散射特性引起的相位變化。在干涉測量中，干涉圖是通過計算兩幅SAR圖像的相位差得到的，這個相位差與地表點的高程差有直接關系。假設兩幅圖像的相位分別為φ1和φ2，則相位差δφ=φ1-φ2。在單通測量中，在滿足條件φscatt,1=φscatt,2且兩幅圖像使用相同發射喇叭導致Rfw,1=Rfw,2時，干涉相位僅與兩天線的距離差有關，即δφ=-2π/λδR；對于重復通過測量，δφ=-4π/λδR。斜距差與高程的關系：根據InSAR的幾何關系，地面點的高程h與斜距R和側視角θ有關，h=H-Rcosθ，其中H為衛星的高程。側視角θ與基線水平角α及角β的關系為：θ=π/2+α-β。在三角形中，根據余弦定理可得：cosβ=(R2+B2-R′2)/(2RB)=(R2+B2-(R+δR)2)/(2RB)，則β=arccos((R2+B2-(R+δR)2)/(2RB))=arccos(-δR/B+B/2R-δR2/2RB)。因此，地面點P的高程h為：h=H-Rcosθ=H-Rcos(π/2+α-arccos(-δR/B+B/2R-δR2/2RB))。另外，還可以推導出一個重要的公式：δR≈B//=Bsin(θ-α)，其中B//代表基線在平行于斜距方向上的分量。通過上述原理，InSAR技術能夠從干涉條紋圖中解算出地面點的高程和形變信息，實現對地表的高精度測量和監測。3.2.2技術特點與適用場景大面積監測：InSAR技術利用衛星或飛機搭載的SAR系統進行觀測，能夠覆蓋大面積的區域。例如，一顆衛星一次過境可以獲取數百平方公里甚至更大范圍的SAR影像，這使得InSAR技術非常適合對大面積的滑坡區域進行監測，能夠快速、全面地獲取滑坡體的宏觀變形信息。在撫順西露天礦大變形滑坡監測中，InSAR技術可以對整個礦區及周邊區域進行監測，及時發現滑坡體的變形范圍和邊界變化，為滑坡災害的評估和預警提供重要依據。高分辨率：隨著SAR技術的不斷發展，InSAR的分辨率得到了顯著提高，目前可以達到亞米級甚至更高的分辨率。高分辨率的InSAR數據能夠清晰地分辨出滑坡體表面的細微特征，如裂縫、塌陷等，有助于更準確地分析滑坡體的變形機制和發展趨勢。在撫順西露天礦滑坡監測中，高分辨率的InSAR數據可以幫助監測人員識別滑坡體上的關鍵變形部位，及時發現潛在的滑坡隱患。高精度：InSAR技術基于相位測量，能夠獲取高精度的地表形變信息，精度可以達到毫米級。這種高精度的監測能力使得InSAR技術能夠檢測到滑坡體的微小變形，對于早期發現滑坡的發生和發展具有重要意義。在撫順西露天礦大變形滑坡監測中，毫米級的精度可以實時跟蹤滑坡體的變形情況，為災害預警提供準確的數據支持。全天候、全天時監測：SAR系統利用微波進行觀測，不受天氣條件和光照的限制，能夠實現全天候、全天時的監測。無論是晴天、雨天、霧天還是夜間，InSAR技術都能正常工作，獲取可靠的監測數據。這一特點使得InSAR技術在撫順西露天礦復雜的氣候條件下，也能持續監測滑坡體的變形情況，確保監測的連續性和可靠性。非接觸式監測：InSAR技術通過衛星或飛機進行遠程觀測，無需在滑坡體上直接安裝監測設備，屬于非接觸式監測方法。這種監測方式避免了在滑坡體上安裝設備可能帶來的安全風險和對滑坡體的擾動，同時也降低了監測成本和維護難度。在撫順西露天礦大變形滑坡監測中，非接觸式監測可以在不影響滑坡體穩定性的前提下，對滑坡體進行長期、持續的監測。InSAR技術在滑坡監測中具有廣泛的適用場景。它適用于各種類型的滑坡，包括山區滑坡、礦山邊坡滑坡、城市周邊滑坡等。特別是對于那些地形復雜、難以進行地面監測的區域，InSAR技術能夠發揮其獨特的優勢，獲取準確的變形信息。例如，在撫順西露天礦大變形滑坡監測中，由于礦區地形復雜，部分區域難以到達，InSAR技術可以通過衛星觀測，對這些區域進行監測，彌補了地面監測的不足。同時，InSAR技術還可以與其他監測技術，如GNSS、地面激光掃描等相結合，形成多源協同監測體系，提高滑坡監測的精度和可靠性。3.2.3數據處理與分析方法數據預處理：InSAR數據處理的第一步是數據預處理，主要包括輻射定標、幾何校正和影像配準等。輻射定標是將SAR圖像的像素值轉換為實際的物理量，如雷達后向散射系數，以消除傳感器增益和系統噪聲等因素的影響；幾何校正是對SAR圖像進行幾何變形校正，使其符合地圖投影坐標系，以便于后續的分析和應用；影像配準是將不同時間獲取的SAR圖像進行精確配準，確保同一地面點在不同圖像中的位置一致，這是干涉處理的關鍵步驟，直接影響干涉圖的質量和精度。干涉圖生成：在數據預處理之后，通過對配準后的SAR圖像進行復數乘法運算，生成干涉圖。干涉圖中包含了地面點的相位信息，這些相位信息與地面點的高程和形變有關。在生成干涉圖時，需要選擇合適的干涉模式，如單軌雙天線橫向模式、單軌雙天線縱向模式或重復軌道單天線模式等。不同的干涉模式適用于不同的應用場景和數據獲取條件，例如重復軌道單天線模式適合于星載SAR傳感器，因為衛星可以穩定地沿軌道飛行，能夠獲取較精確的飛行路徑，滿足該模式對軌道精度的要求。相位解纏：由于干涉圖中的相位值是在[-π,π]范圍內循環的，存在相位模糊，因此需要進行相位解纏處理，將纏繞的相位恢復為真實的相位值。相位解纏是InSAR數據處理中的一個關鍵環節，也是一個具有挑戰性的問題。常用的相位解纏算法包括枝切法、最小費用流法、質量圖引導法等。這些算法根據干涉圖的特點和噪聲水平，采用不同的策略來解纏相位，例如枝切法通過尋找干涉圖中的殘差點，將纏繞相位劃分為不同的區域，然后分別進行解纏；最小費用流法將相位解纏問題轉化為網絡流問題，通過求解最小費用流來得到解纏后的相位；質量圖引導法根據干涉圖的質量信息，如相干性、噪聲水平等，引導相位解纏的過程，提高解纏的準確性。地形與形變信息提取：在完成相位解纏后，根據InSAR的幾何關系和相位信息，可以提取地面點的地形高程和形變信息。對于地形高程提取，可以利用外部的數字高程模型（DEM）數據，結合干涉相位信息，通過三角測量原理計算出地面點的高程。對于形變信息提取，根據不同的InSAR技術方法，如差分干涉SAR（D-InSAR）、永久散射體干涉SAR（PSI）、小基線集干涉SAR（SBAS）等，采用相應的算法從干涉相位中分離出地表形變信息。例如，D-InSAR通過比較兩次SAR影像的相位差，直接提取地表形變信息，適用于大范圍、相對平緩的地表形變監測，如地震、火山噴發等突發性地表變化，但對時間間隔較長或相干性較差地區，監測精度會下降；PSI通過分析多個時間點的SAR影像，識別出長期相干性較高的散射體（PS點），進行時間序列分析，適用于城市、基礎設施等穩定散射體豐富的區域，適合監測小范圍、長期、緩慢的地表形變，如城市下沉，但在散射體稀少或相干性較差地區，PSI效果受限；SBAS通過選擇基線較短的影像對，生成干涉圖，進行時間序列分析，提取形變信息，適用于大范圍、緩慢的地表形變監測，如地下水開采引起的地面沉降，但對時間間隔長、相干性差地區效果不佳。誤差分析與校正：InSAR數據處理過程中會受到多種誤差因素的影響，如大氣效應誤差、地形相位誤差、去相干現象和軌道誤差等。大氣效應誤差是由于大氣中的水汽、溫度和壓力等因素對雷達波傳播的影響，導致相位延遲，從而影響形變監測的精度；地形相位誤差是由于地形起伏引起的相位變化，與地表形變相位相互疊加，需要進行分離和校正；去相干現象是指由于地表變化、植被覆蓋、雷達系統參數變化等原因，導致SAR圖像之間的相干性降低，影響干涉圖的質量和形變監測精度；軌道誤差是指衛星軌道的不確定性，會導致基線長度和方向的誤差，進而影響干涉測量的精度。為了提高InSAR監測的準確性，需要對這些誤差進行分析和校正。例如，對于大氣效應誤差，可以采用大氣模型校正、多基線InSAR技術或利用氣象數據進行校正；對于地形相位誤差，可以利用高精度的DEM數據進行地形相位去除；對于去相干現象，可以通過選擇合適的觀測時間、采用多極化SAR數據或部署人工角反射器等方法來提高相干性；對于軌道誤差，可以利用精確的衛星軌道數據或采用軌道改進算法來減小誤差。3.3三維激光掃描技術3.3.1工作原理與系統組成三維激光掃描技術又被稱為“實景復制技術”，其基本工作原理是通過發射激光束，并測量激光束從發射到反射回接收器的時間，根據激光在空氣中的傳播速度，計算出掃描設備與目標物體表面點之間的距離。同時，結合掃描設備的姿態信息和角度測量裝置，確定每個測量點在空間中的三維坐標，從而獲取目標物體表面的三維空間信息。以脈沖式三維激光掃描儀為例，其工作過程如下：激光發射系統向目標物體發射一束激光脈沖，當激光脈沖遇到目標物體表面時，部分能量被反射回來，被激光接收系統接收。激光脈沖的往返時間t可以通過高精度的時間測量裝置精確測量，根據距離公式d=c\timest/2（其中c為光速），即可計算出掃描設備與目標點之間的距離d。為了獲取目標物體表面不同位置的點的坐標，掃描設備需要在不同的角度進行掃描。通過電機驅動的旋轉平臺和俯仰機構，控制激光發射和接收系統在水平方向和垂直方向上進行轉動，實現對目標物體的全方位掃描。在掃描過程中，角度測量裝置實時測量掃描頭在水平方向和垂直方向的角度值\theta和\varphi。根據極坐標與直角坐標的轉換關系，可計算出目標點在掃描設備坐標系下的三維坐標(x,y,z)：\begin{cases}x=d\times\sin\varphi\times\cos\theta\\y=d\times\sin\varphi\times\sin\theta\\z=d\times\cos\varphi\end{cases}三維激光掃描系統主要由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分包括激光掃描儀、控制單元、電源、數據存儲設備以及用于安裝和支撐的三腳架或其他支架等。激光掃描儀是核心部件，根據其工作原理和技術特點，可分為脈沖式激光掃描儀和相位式激光掃描儀等類型。脈沖式激光掃描儀適用于遠距離、大面積的掃描場景，能夠快速獲取目標物體的大致形狀和結構信息；相位式激光掃描儀則具有更高的精度，適用于對精度要求較高的測量任務，如文物保護、工業零部件檢測等。控制單元負責控制激光掃描儀的掃描參數設置、掃描過程的啟動和停止以及與其他設備的數據傳輸等操作。電源為整個系統提供穩定的電力供應，數據存儲設備用于存儲掃描獲取的原始數據。軟件部分主要包括數據采集軟件和數據處理軟件。數據采集軟件用于設置掃描參數，如掃描范圍、掃描分辨率、掃描角度等，同時實時監控掃描過程，確保數據采集的準確性和完整性。數據處理軟件則用于對采集到的原始數據進行處理和分析，包括點云數據的濾波、去噪、拼接、分類、建模等操作。通過這些處理步驟，將原始的點云數據轉化為具有實際應用價值的三維模型或其他形式的成果數據。3.3.2在滑坡變形監測中的應用在滑坡變形監測中，三維激光掃描技術具有獨特的優勢和廣泛的應用場景。它能夠快速、全面地獲取滑坡體表面的三維信息，為滑坡變形分析提供高精度的數據支持。首先，通過定期對滑坡體進行三維激光掃描，可以獲取不同時期滑坡體表面的三維模型。將不同時期的三維模型進行對比分析，能夠直觀地觀察到滑坡體表面的變化情況，如滑坡體的位移、沉降、隆起以及裂縫的擴展等。例如，在撫順西露天礦大變形滑坡監測中，利用三維激光掃描技術，對滑坡體后緣的地裂縫進行監測。通過對比不同時期的掃描數據，可以精確地測量地裂縫的寬度、深度和長度變化，及時發現地裂縫的發展趨勢，為滑坡災害預警提供重要依據。其次，三維激光掃描技術可以獲取滑坡體表面的高精度點云數據，通過對這些點云數據進行處理和分析，可以提取滑坡體的地形地貌特征、坡度、坡向等信息。這些信息對于評估滑坡體的穩定性具有重要意義。例如，通過分析滑坡體表面的坡度分布情況，可以確定滑坡體的易滑區域；根據坡向信息，可以判斷滑坡體的滑動方向，為制定滑坡防治措施提供參考。此外，三維激光掃描技術還可以與其他監測技術相結合，形成多源協同監測體系。例如，將三維激光掃描數據與GNSS監測數據相結合，可以同時獲取滑坡體表面的高精度三維信息和關鍵點位的位移信息，提高滑坡變形監測的精度和全面性。與InSAR技術相結合，可以利用InSAR獲取的大面積形變信息，指導三維激光掃描的重點區域選擇，同時利用三維激光掃描的高精度數據，對InSAR監測結果進行驗證和補充。在實際應用中，三維激光掃描技術在撫順西露天礦大變形滑坡監測中發揮了重要作用。通過在滑坡體周邊設置多個掃描站點，對滑坡體進行全方位掃描，獲取了滑坡體表面的詳細三維信息。利用這些信息，繪制了滑坡體表面的等高線圖和坡度圖，直觀地展示了滑坡體的地形地貌特征和變形情況。同時，通過對不同時期掃描數據的對比分析，準確地計算出了滑坡體的位移量和變形速率，為滑坡災害預警和防治決策提供了科學依據。3.3.3數據處理與建模點云數據預處理：三維激光掃描獲取的原始點云數據通常包含大量的噪聲和冗余信息，需要進行預處理。預處理的主要步驟包括數據濾波、去噪和精簡。數據濾波是通過設置一定的濾波算法，去除點云數據中的離群點和噪聲點，提高數據的質量。常用的濾波算法有高斯濾波、中值濾波等。去噪是進一步去除點云數據中的微小噪聲，使點云更加平滑。精簡則是在保證點云數據特征的前提下，減少點云數據的數量，提高后續處理的效率。例如，在撫順西露天礦滑坡監測中，通過高斯濾波算法，對原始點云數據進行濾波處理，有效地去除了因掃描環境干擾產生的離群點，使點云數據更加準確地反映滑坡體表面的實際情況。點云拼接：由于一次掃描往往無法獲取整個滑坡體的全部信息，需要在不同位置進行多次掃描，然后將這些掃描得到的點云數據進行拼接。點云拼接的方法主要有基于特征的拼接和基于ICP（迭代最近點）算法的拼接。基于特征的拼接是通過提取點云數據中的特征點，如角點、邊緣點等，利用這些特征點之間的對應關系進行拼接。ICP算法則是通過不斷迭代，尋找兩個點云之間的最佳匹配，使兩個點云在空間位置上對齊。在實際應用中，通常將兩種方法結合使用，以提高拼接的精度和可靠性。例如，在對撫順西露天礦滑坡體進行掃描時，在不同的角度和位置設置了多個掃描站點，獲取了多組點云數據。首先利用基于特征的拼接方法，初步將這些點云數據進行拼接，然后再使用ICP算法進行精細調整，最終實現了高精度的點云拼接，得到了完整的滑坡體表面點云模型。三維建模：經過預處理和拼接后的點云數據，需要進一步構建三維模型，以便更直觀地展示滑坡體的形態和變形情況。常用的三維建模方法有三角網建模和曲面建模。三角網建模是將點云數據中的點連接成三角形網格，形成一個近似的表面模型。這種方法簡單易行，能夠快速生成模型，但模型的光滑度相對較差。曲面建模則是通過擬合點云數據，生成光滑的曲面模型，能夠更好地反映滑坡體表面的真實形狀。在實際應用中，根據監測的需求和點云數據的特點選擇合適的建模方法。例如，在對撫順西露天礦滑坡體進行建模時，對于一些對精度要求較高的區域，采用曲面建模方法，生成光滑的三維模型，以便更準確地分析滑坡體的變形特征；對于一些對模型生成速度要求較高的區域，采用三角網建模方法，快速生成模型，用于初步的分析和評估。變形分析：建立三維模型后，可以通過對比不同時期的模型，進行滑坡體的變形分析。變形分析的主要內容包括計算滑坡體的位移量、沉降量、隆起量以及裂縫的變化等。通過對這些變形參數的分析，可以了解滑坡體的變形趨勢和穩定性狀況。例如，在撫順西露天礦大變形滑坡監測中，通過對比不同時期的三維模型，計算出滑坡體在某一時間段內的最大位移量為10厘米，沉降量為5厘米，同時發現滑坡體后緣的裂縫寬度增加了2厘米。這些數據表明滑坡體在該時間段內處于不穩定狀態，變形在不斷加劇，需要及時采取相應的防治措施。3.4地面傾斜儀與應力計監測3.4.1監測原理與儀器選擇地面傾斜儀是一種用于測量地面傾斜角度變化的儀器，其監測原理基于重力感應和光學測量技術。常見的地面傾斜儀包括氣泡式傾斜儀、電子水平儀和光纖式傾斜儀等。以氣泡式傾斜儀為例，其工作原理是利用一個密封的玻璃管，管內裝有液體和一個氣泡。當儀器所在平面發生傾斜時，氣泡會在液體中移動，通過測量氣泡的位置變化，可以計算出儀器平面的傾斜角度。電子水平儀則是利用加速度傳感器來測量重力加速度在不同方向上的分量，從而計算出傾斜角度。光纖式傾斜儀則是基于光的干涉原理，通過測量光纖中光的相位變化來確定傾斜角度。在撫順西露天礦大變形滑坡監測中，選擇了高精度的光纖式傾斜儀。光纖式傾斜儀具有精度高、抗干擾能力強、可實現分布式測量等優點，非常適合在復雜的礦山環境中使用。其測量精度可以達到微弧度級別，能夠準確地監測到滑坡體微小的傾斜變化。同時，光纖式傾斜儀可以通過光纖傳輸信號，不受電磁干擾的影響，保證了監測數據的可靠性。應力計是用于測量巖土體內部應力變化的儀器，其監測原理基于電阻應變片、振弦式傳感器等技術。電阻應變片式應力計是將電阻應變片粘貼在彈性元件上，當彈性元件受到應力作用時，其長度會發生變化，導致電阻應變片的電阻值發生改變。通過測量電阻值的變化，可以計算出彈性元件所受的應力大小。振弦式應力計則是利用鋼弦的自振頻率與所受拉力的平方根成正比的關系，當應力計受到應力作用時，鋼弦的自振頻率會發生變化，通過測量自振頻率的變化來確定應力大小。在撫順西露天礦的監測中，選用了振弦式應力計。振弦式應力計具有測量精度高、穩定性好、抗干擾能力強等特點，能夠在惡劣的礦山環境中長時間穩定工作。其測量精度可以達到0.1%FS以上，能夠準確地反映滑坡體內部應力的變化情況。同時，振弦式應力計的信號傳輸距離遠，便于在礦區內進行遠程監測。3.4.2安裝與數據采集在撫順西露天礦大變形滑坡區域，根據滑坡體的地質條件和變形特征，合理選擇地面傾斜儀和應力計的安裝位置。在滑坡體的后緣、前緣以及中部等關鍵部位，布置地面傾斜儀，以監測滑坡體不同部位的傾斜變化。例如，在滑坡體后緣的地裂縫附近，安裝地面傾斜儀，重點監測后緣由于拉張變形導致的傾斜情況；在滑坡體前緣的鼓脹區域，安裝地面傾斜儀，關注前緣在滑動過程中的傾斜變化。對于應力計，主要安裝在滑坡體內部的潛在滑動面附近以及巖土體力學性質變化較大的區域。通過在這些位置安裝應力計，可以實時監測滑坡體內部應力的分布和變化情況，為分析滑坡的變形機制提供重要數據。例如，在南幫滑坡體內部，根據地質勘探資料確定潛在滑動面的位置，在潛在滑動面上下方分別安裝應力計，以監測滑動面處應力的變化情況。在數據采集方面，地面傾斜儀和應力計均采用自動化數據采集系統。數據采集系統通過傳感器接口與地面傾斜儀和應力計連接，按照設定的采集頻率，定時采集監測數據。在撫順西露天礦的監測中，設置數據采集頻率為每小時一次，以獲取滑坡體傾斜和應力的實時變化情況。采集到的數據通過有線或無線傳輸方式，實時傳輸到數據處理中心。有線傳輸采用RS485總線或光纖傳輸，保證數據傳輸的穩定性和可靠性；無線傳輸則采用4G或LoRa等無線通信技術，提高數據傳輸的靈活性和便捷性。在數據傳輸過程中，為了確保數據的安全性和完整性，采用了數據加密和校驗技術。數據加密可以防止數據在傳輸過程中被竊取或篡改，保證數據的安全性；數據校驗則可以檢測數據在傳輸過程中是否出現錯誤，確保數據的完整性。例如，采用AES加密算法對監測數據進行加密，采用CRC校驗算法對數據進行校驗，提高數據傳輸的質量。3.4.3數據在滑坡分析中的作用地面傾斜儀和應力計獲取的數據在撫順西露天礦大變形滑坡分析中具有重要作用，能夠為深入研究滑坡的變形機制提供關鍵信息。地面傾斜儀監測數據能夠直觀地反映滑坡體的傾斜變化情況，有助于分析滑坡體的滑動趨勢和變形模式。通過對不同位置地面傾斜儀數據的分析，可以確定滑坡體的主滑方向和滑動范圍。例如，如果在滑坡體后緣的地面傾斜儀監測到傾斜角度逐漸增大，且傾斜方向指向礦坑內部，說明滑坡體后緣正在發生拉張變形，有向礦坑內部滑動的趨勢。同時，通過對比不同時期的地面傾斜儀數據，可以計算出滑坡體的傾斜速率，評估滑坡體變形的發展速度。如果傾斜速率持續增大，表明滑坡體的變形在加劇，滑坡的危險性增加。應力計監測數據能夠揭示滑坡體內部應力的分布和變化規律，對于理解滑坡的形成機制和演化過程具有重要意義。在滑坡發生前，滑坡體內部應力會逐漸積累，當應力超過巖土體的強度時，就會導致滑坡的發生。通過應力計監測數據，可以實時監測滑坡體內部應力的變化情況，提前發現應力集中區域，預測滑坡的發生。例如，在潛在滑動面附近的應力計監測到應力持續增大，且超過了巖土體的抗剪強度，說明該區域可能即將發生滑動，需要及時采取預警和防治措施。同時，應力計數據還可以用于驗證滑坡數值模擬模型的準確性。將應力計監測數據與數值模擬結果進行對比分析，如果兩者相符，說明數值模擬模型能夠較好地反映滑坡體的力學行為，反之則需要對模型進行修正和改進。地面傾斜儀和應力計數據的聯合分析，可以更全面地了解滑坡體的變形特征和力學狀態。例如，當滑坡體某一部位的地面傾斜儀監測到傾斜變化時，同時該部位的應力計監測到應力也發生變化，通過對兩者數據的綜合分析，可以判斷出該部位的變形是由于應力變化引起的，還是由于其他因素導致的。這種聯合分析方法能夠提高對滑坡變形機制的認識，為制定科學合理的滑坡防治措施提供有力依據。四、多源數據融合與分析4.1多源數據特點與融合需求4.1.1不同監測數據的特點GNSS監測數據：具有高精度的特點，采用載波相位差分技術，定位精度可達毫米級甚至優于毫米級。這使得GNSS能夠精確測量滑坡體表面監測點在水平方向和垂直方向的位移變化，為分析滑坡體的變形特征提供高精度的數據支持。GNSS監測具有全天候、全天時的特性，不受天氣條件限制，無論是晴天、雨天、雪天還是霧天，都能持續獲取監測數據。同時，它還具備實時性和自動化的優勢，可實時獲取監測點的三維位移量，并通過數據通訊網絡實時發送到控制中心，實現自動記錄和傳輸數據。在監測范圍方面，GNSS監測點的分布相對離散，主要獲取監測點的點位信息，通過合理布設監測點，可獲取滑坡體關鍵部位的變形信息，但對于監測點之間的區域變形情況，難以全面反映。InSAR監測數據：最大的優勢在于大面積監測能力，利用衛星或飛機搭載的SAR系統，能夠覆蓋數百平方公里甚至更大范圍的區域，可快速、全面地獲取滑坡體的宏觀變形信息，確定滑坡體的變形范圍和邊界變化。InSAR數據分辨率較高，目前可達亞米級甚至更高，能清晰分辨滑坡體表面的細微特征，如裂縫、塌陷等。其精度也較高，基于相位測量，可獲取毫米級的地表形變信息。InSAR監測同樣不受天氣和光照限制，能實現全天候、全天時監測。不過，InSAR監測存在一定局限性，對于地形復雜、植被茂密的區域，由于信號遮擋和去相干現象，監測精度可能會受到影響。此外，InSAR監測獲取的是大面積的平均變形信息，對于滑坡體局部的微小變形細節，不如GNSS監測和三維激光掃描精確。三維激光掃描監測數據：能夠快速、全面地獲取滑坡體表面的三維信息，生成高精度的三維模型。通過對不同時期三維模型的對比分析，可直觀觀察到滑坡體表面的位移、沉降、隆起以及裂縫的擴展等詳細變形情況。三維激光掃描的精度較高，點云數據能夠精確反映滑坡體表面的地形地貌特征。但該技術在數據采集過程中，受到掃描設備的視場角和掃描距離限制，對于遠距離或被遮擋的區域，可能無法獲取完整的數據。同時，三維激光掃描獲取的數據量龐大，數據處理和存儲的工作量較大，對計算機硬件和軟件的性能要求較高。地面傾斜儀監測數據：主要用于測量滑坡體的傾斜角度變化，能夠直觀反映滑坡體的傾斜變化情況，有助于分析滑坡體的滑動趨勢和變形模式。地面傾斜儀精度較高，如光纖式傾斜儀測量精度可達微弧度級別，可準確監測到滑坡體微小的傾斜變化。其安裝相對靈活，可根據需要在滑坡體的不同部位進行布置。然而，地面傾斜儀監測范圍相對較小，只能獲取安裝位置處的傾斜信息，對于滑坡體整體的變形情況，需要多個傾斜儀協同監測才能全面了解。應力計監測數據：能夠揭示滑坡體內部應力的分布和變化規律，對于理解滑坡的形成機制和演化過程具有重要意義。應力計精度較高，如振弦式應力計測量精度可達0.1%FS以上，可準確反映滑坡體內部應力的變化。但應力計的安裝需要在滑坡體內部進行鉆孔等操作，對滑坡體有一定的擾動，且安裝位置的選擇對監測結果影響較大，需要根據地質條件和潛在滑動面的位置進行合理布置。同時，應力計監測只能獲取安裝位置處的應力信息，對于滑坡體整體的應力分布情況，需要多個應力計進行分布式監測。不同監測數據在時間分辨率、空間分辨率、精度等方面的特點對比如表4-1所示：[此處插入表4-1不同監測數據特點對比表]4.1.2數據融合的必要性與目標必要性：單一監測技術存在局限性，無法全面、準確地獲取滑坡體的變形信息。例如，GNSS監測雖然精度高，但監測范圍有限，且監測點分布相對離散，難以反映監測點之間區域的變形情況；InSAR監測雖能覆蓋大面積區域，但對于地形復雜、植被茂密的區域，監測精度會受到影響，且對局部微小變形細節的監測不如其他技術精確；三維激光掃描能獲取滑坡體表面的詳細三維信息，但數據采集受視場角和距離限制，且數據處理工作量大；地面傾斜儀和應力計監測范圍小，只能獲取局部的傾斜和應力信息。因此，為了全面、準確地監測滑坡變形，需要融合多種監測技術的數據，充分發揮各自的優勢，彌補單一技術的不足。目標：通過數據融合，提高監測精度，將不同監測技術獲取的數據進行整合，消除數據之間的矛盾和冗余，能夠得到更準確的滑坡體變形信息。例如，將GNSS監測的高精度點位位移信息與InSAR監測的大面積宏觀變形信息相