在极端天气条件下利用分布式声学传感监测滑坡扰动

为何风暴中监视山坡至关重要

由强烈风暴引发的滑坡可能在毫无预警的情况下掩埋道路、切断城镇交通并毁坏房屋。全球范围内，台风和暴雨引发的滑坡每年造成数十亿美元的损失和大量人员伤亡。本研究探索了一种在极端天气期间“倾听”不稳定坡面的新方法，利用已经埋在地下的普通光纤电缆。通过将这些电缆变成数千个微小的振动传感器，科学家展示了我们如何在超级台风中也能更早地发现危险的地面位移。

通过日常电缆倾听

研究人员使用了一种称为分布式声学传感（DAS）的技术，该技术向光纤电缆发送激光脉冲，并测量返回光中极其微小的变化。这些变化揭示了沿电缆地面如何伸展或振动，实际上将电缆的每一米转换为一个虚拟传感器。在中国浙江省，一段最初用于监测油气管线的50公里光纤恰好穿过崎岖的山地和城市社区。2022年9月，当超级台风“梅花”来袭时，团队记录了地面对全天候的响应，空间分辨率为数十米、时间分辨率为一秒。

风暴、坡面与隐蔽的运动

随着台风横扫山地并进入平原，埋设的电缆捕获到了丰富的信号混合：交通、流动的水、风，以及——最重要的——不稳定坡面上微妙的地面位移。监测区两端的两个滑坡后来被当地官方确认。在这些区域，DAS 数据显示了振动能量的突然跃升以及与土壤和岩石缓慢弯曲与开裂相关的极低频率特征模式。在某些地点，系统记录了持续时间较长且断断续续的振动，提示坡面逐渐失稳；在其他地方，则观测到与快速滑动相关的短促而剧烈的突发信号。由于所有信息沿电缆呈现，科学家不仅能看到地面何时移动，还能确定这些运动在山坡上从何处开始以及如何扩散。

将原始噪声转化为清晰的预警信号

原始 DAS 测量数据量极大，且充满来自日常活动的“噪声”。为将危险行为与正常背景振动区分开，团队创建了一个基于三个简单思想的新评估框架：信号强度、持续时间和扩散范围。他们计算了频谱强度梯度以标记振动强度的突然跳变，使用持续时间指标查找持续存在而非一闪而过的信号，并用辐射范围来判断扰动是局部的还是蔓延至相邻电缆段。通过在电缆上滑动时间和距离窗口并应用平滑衰减模型，他们能够突出显示与已确认滑坡的时空匹配的活动簇，同时滤除由地表径流、小规模土壤松动或人类活动引起的短暂、分散的扰动。

多维度观测风暴

该研究还将 DAS 衍生的指标与气象站的降雨、风速和湿度记录进行了比较。类似滑坡的信号峰值与台风最强烈阶段相一致，表明强降雨和强风逐步加重坡面负荷直至失稳。与仅监视少数点位的卫星影像或传统仪器不同，光纤网络沿数十公里提供连续、细尺度的覆盖，并能在云、黑暗和倾盆大雨中持续工作。作者认为，随着更多监测点和互联电缆网络的建设，各地区可构建大规模的地面感测网，近实时追踪山坡在风暴下的响应。

对未来安全的意义

简而言之，这项研究表明，用于互联网和管线安全的同类型电缆可以在极端天气期间作为敏感、连续的滑坡监测器。通过定义可疑地面运动的清晰指标并将其与风暴条件关联，研究向实际的早期预警系统迈出了一步，这类系统可为社区争取宝贵的时间以封闭道路、疏散或准备应急响应。尽管还需更多工作——尤其是更智能的软件以自动识别风险模式——但结果表明，现有的埋地光纤网络有潜力成为应对气候变化带来更强降雨和更强风暴时管理自然灾害的有力新工具。

引用: Zhu, C., Yang, Y., Yang, K. et al. Monitoring landslide disturbances using distributed acoustic sensing under extreme weather conditions. npj Nat. Hazards 3, 23 (2026). https://doi.org/10.1038/s44304-026-00182-y

关键词: 滑坡, 极端降雨, 光纤传感, 预警, 自然灾害