基于CORS基準站的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)研究

溫旭,劉立,羅猛威,張乙志,王路

(浙江省第一測繪院,浙江 杭州 310012)

0 引 言

近年來,浙江省地質(zhì)災(zāi)害呈高發(fā)頻發(fā)趨勢,已成為當前威脅山區(qū)農(nóng)村公共安全的首要問題．2017年,浙江省委、省政府在全省部署開展地質(zhì)災(zāi)害隱患綜合治理“除險安居”三年行動,把地質(zhì)災(zāi)害防治工作作為重點督查事項．《浙江省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年(2016—2020 年)規(guī)劃綱要》強調(diào),“加強地質(zhì)災(zāi)害防控和隱患排查,提高對自然災(zāi)害和重大公共事件的預(yù)警能力”．

地質(zhì)災(zāi)害定量監(jiān)測是至今難以取得有效突破的重大難題之一.當前的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防主要以地質(zhì)調(diào)查、經(jīng)驗判斷、統(tǒng)計評估和群測群防為基礎(chǔ)[1]．為有效監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害和提高時效性,采用連續(xù)運行參考站(CORS)基準站的不間斷、實時的觀測數(shù)據(jù)分析基準站周邊地質(zhì)運動變化,可作為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防手段的一種補充．

氣候和地球表層水文環(huán)境的改變,可由大氣、地表水(土壤水、江河湖庫水)、地下水與海平面變化表示,可導(dǎo)致地質(zhì)危體所在地區(qū)的地面穩(wěn)定性下降[2],同時引發(fā)地面垂直形變,此時若遇到極端天氣、地震、潮汐大潮等環(huán)境異常情況,容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害．這些地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素是地面垂直形變與重力變化的主要原因,因而能被CORS、InSAR、地面重力和水準測量、重力衛(wèi)星等測繪技術(shù)監(jiān)測到．正因為如此,測繪技術(shù)一直是國內(nèi)外地質(zhì)災(zāi)害、地震災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警不可或缺的重要手段,國內(nèi)外有很多基于GPS技術(shù)成功應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的案例[3-6]．

覆蓋浙江省的衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站網(wǎng)已持續(xù)運行近10年,一直在全天候連續(xù)監(jiān)測地面垂直形變與重力場變化．由于地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)因素與引起CORS站網(wǎng)垂直形變的影響因素高度相關(guān),CORS基準站可以及時、高精度、連續(xù)地監(jiān)測到周邊氣候和地表水文環(huán)境變化對地質(zhì)災(zāi)害的影響,因此,基于浙江CORS基準站網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)的精密數(shù)據(jù)處理與分析,同時結(jié)合大氣、地表水及海平面變化等觀測資料,可以定量跟蹤地質(zhì)災(zāi)害的孕育、發(fā)生、發(fā)展、衰退和恢復(fù)等災(zāi)變過程．

1 總體思路

以地面形變監(jiān)測為重點,采用高精度的數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT/GLOBK(10.6)處理2015年至2017年浙江省麗水、溫州及周邊地區(qū)39座基準站數(shù)據(jù)，如圖1所示,完成CORS基準站時間序列分析與站點地面形變信息提取工作;收集、整理大氣、江河湖庫水、土壤水與海平面變化觀測資料,確定由此引起的地面形變、 地面重力及地傾斜變化;基于CORS站網(wǎng)時間序列分析成果,聯(lián)合大氣、地表水與海平面變化觀測資料,開展覆蓋CORS站網(wǎng)作用范圍的地面垂直形變、地面重力及地傾斜變化連續(xù)監(jiān)測工作;由CORS站網(wǎng)地面形變、地面重力及地傾斜變化監(jiān)測成果,定量檢測地面穩(wěn)定性降低的時間與地點、持續(xù)作用時間與空間范圍,分析其時空演變動態(tài)與規(guī)律;進而定量跟蹤地面穩(wěn)定性變化,分析CORS基準站網(wǎng)對地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測能力．

圖1 麗水溫州及周邊基準站分布圖

2 數(shù)據(jù)處理策略

用GAMIT/GLOBK軟件對39座CORS和12座IGS基準站數(shù)據(jù)作處理[7]．通過對每個基準站每日的CORS觀測量數(shù)據(jù)解算包括觀測站位置、接收機鐘差與衛(wèi)星鐘差等在內(nèi)的多種參數(shù)．采用Relax解算類型、LC-HELP觀測量類型;氣象條件為標準大氣壓,溫度為20°;天頂延遲改正模型VMF1、延遲參數(shù)和水平梯度的估計間隔為2 h;天線模型采用隨高度角和方位角變化的絕對改正模型、光壓模型BERNE;數(shù)據(jù)編輯采用自動處理AUTCLN;海潮模型FES2004、地球定向參數(shù)IERS10、固體潮模型IERS10;IGS基準站點坐標將ITRF2008框架下的周解坐標作為輸入的先驗坐標;麗江、溫州及周邊地區(qū)CORS基準站坐標,采用2015年第1天計算成果作為輸入;基線解算過程中對IGS站三個方向的約束均為5 cm．對于參與解算的CORS站,為精確解算實際形變,則不進行約束,獲得測站和衛(wèi)星軌道的單天區(qū)域松弛解(h-file)．這個單天解給出了區(qū)域測站、極移和衛(wèi)星等參數(shù)的松弛解和方差-協(xié)方差矩陣．

利用GLOBK軟件進行整網(wǎng)平差,得到麗水溫州及周邊CORS基準站在ITRF2014框架下的基準站點坐標變化時間序列及運動速度值．平差過程對IGS站點N、E、U三個方向的約束量分別為5 mm、5 mm、10 mm;對CORS基準站點的約束分別為10 m、10 m、10 m;采用IGS站作為確定框架的基準點．在CORS基準站網(wǎng)形變監(jiān)測過程中,進一步利用CORS基準站時序的空間強相關(guān)性,提高CORS基準站穩(wěn)定性分析的能力．基準站點的穩(wěn)定性分析,應(yīng)確保坐標變化表示的是CORS基準站所在地面的變化,而不僅僅是CORS衛(wèi)星天線的位置變化．

3 計算結(jié)果與分析

通過對基于CORS基準站的單天解的水平坐標時序分析、周期分析與線性項估計,大地高時序分析、周期分析與非線性項分離,移去三維坐標時序的線性趨勢項,當前后坐標變化量大于月平均離散度(天解與月平均坐標之差的標準差)的3倍時,認為是跳變,排查跳變原因,估計跳變量,并修復(fù)形變信號．利用跳變修復(fù)后的天解、周解坐標時間序列,評價基準站點的穩(wěn)定性．獲得麗水溫州及周邊地區(qū)39座CORS站的三維速度場如圖2所示．

圖2 CORS基準站三維速度場

采用固定擬合半徑(3倍CORS站平均間距),由CORS基準站水平坐標時序分離的各種線性項,自適應(yīng)估計半差函數(shù)(等效于協(xié)方差函數(shù)),按具有自適應(yīng)抗差功能的克里格擬合法,生成麗水溫州地區(qū)2′×2′水平速度場向量格網(wǎng)．從CORS基準站網(wǎng)監(jiān)測的2015-2017年麗水溫州地區(qū)水平速度場如圖3所示(統(tǒng)一減去平均水平運動速度)可以看出,蒲城-松陽(南)-文成-福鼎沿線兩邊,水平速度場特征變化較大,蒲城-松陽(南)地面拉伸,文成至福鼎地區(qū)的地面明顯受到擠壓,地面穩(wěn)定性變低．蒲城-龍泉-景寧-泰順沿線,以及青田和周邊,地面受到一定程度的擠壓,這些地區(qū)的地面穩(wěn)定性發(fā)生明顯變化．

圖3 2015-2017年麗水溫州地區(qū)水平速度場圖

同樣采用固定擬合半徑,由CORS基準站點大地高時序分離的線性項,自適應(yīng)估計半差函數(shù)參數(shù),按具有自適應(yīng)抗差功能的克里格擬合法,生成麗水溫州地區(qū)2′×2′地面沉降速率格網(wǎng)．從CORS基準站網(wǎng)監(jiān)測的2015-2017年大地高年變化率，如圖4所示，可以看出,麗水溫州地區(qū)地面沉降呈現(xiàn)明顯的空間不均勻分布特點．從總體上看,麗水市域主要表現(xiàn)為地面隆升,溫州市域主要表現(xiàn)為地面沉降．麗水溫州交界的整個帶狀區(qū)域,是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)地區(qū)．

圖4 2015-2017年麗水溫州地區(qū)大地高年變化

為測試驗證CORS基準站網(wǎng)地質(zhì)災(zāi)害前兆捕獲、追蹤和可能性預(yù)警能力,從網(wǎng)上和公開報道中,收集整理了2015-2017年期間,麗水溫州地區(qū)發(fā)生的40起地質(zhì)災(zāi)害(險情)事件．以每處地質(zhì)災(zāi)害(險情)事件為單元,逐一分析地質(zhì)災(zāi)害前兆捕獲、追蹤和動力環(huán)境作用,發(fā)現(xiàn)CORS基準站網(wǎng)能提前捕獲到37個地質(zhì)災(zāi)害的前兆,并提前預(yù)警,地質(zhì)災(zāi)害前兆漏檢率為7.5%(如圖5所示)．可見,CORS基準站網(wǎng)具備地質(zhì)災(zāi)害前兆檢測和災(zāi)害可能性預(yù)警能力．

圖5 CORS基準站網(wǎng)地質(zhì)災(zāi)害(險情)前兆檢測與統(tǒng)計圖表

4 結(jié)束語

降雨過程中大氣壓劇降,地面向上回彈;固體潮大潮高潮前后,地面重力減小;海平面下降時,沿海地區(qū)地面向上回彈,地面重力減小．因此,強降雨、大氣壓劇降、大潮、海平面下降等環(huán)境異常,都會導(dǎo)致地面穩(wěn)定性變低,易誘導(dǎo)或加劇地質(zhì)災(zāi)害,容易被附近及周邊CORS基準站及時、高精度、連續(xù)地監(jiān)測到氣候和地表水文環(huán)境變化對地質(zhì)災(zāi)害的影響．

利用CORS站網(wǎng)天解、周解產(chǎn)品,結(jié)合大氣、地表水及海平面變化等觀測資料,生成CORS站網(wǎng)作用范圍內(nèi)地面水平、垂直形變、地面重力變化等時間序列產(chǎn)品,進而定量跟蹤整個區(qū)域地面穩(wěn)定性及其時空演變動態(tài)．實現(xiàn)地面垂直形變、地面重力變化的高精度連續(xù)監(jiān)測,通過挖掘CORS站網(wǎng)監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)變過程的潛力,補充完善浙江省已有地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警手段,提升地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力,推進地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警向定量化、實用化方向發(fā)展,為浙江省重大工程建設(shè)(高鐵和高速的建設(shè)、大型水利設(shè)施建設(shè))和形變安全運營、資源環(huán)境承載力評估等提供支持．