滑坡災(zāi)害中GNSS自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)淺析

吳忠銀

摘要：地質(zhì)災(zāi)害影響著人類的生產(chǎn)和生活，對人類造成的危害極大。因此，地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警意義重大。地質(zhì)災(zāi)害中，以山體滑坡較為常見，對其預(yù)警更值得重視。因GNSS自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)精度高、對空間通視要求低等特點(diǎn)被廣泛用于各工程測量中。文章綜合分析了GNSS系統(tǒng)的工作原理，并列舉了貴州省大方縣德興煤礦滑坡中GNSS系統(tǒng)的運(yùn)用，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)用性與可靠性。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，提升GNSS自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用水平，在此基礎(chǔ)上研發(fā)新的預(yù)警系統(tǒng)，對今后的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警具有重要意義。

關(guān)鍵詞：滑坡；地質(zhì)災(zāi)害；GNSS；監(jiān)測預(yù)警

1.引言

地質(zhì)災(zāi)害已給人類留下諸多悲痛記憶，威脅著人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全，如2008年汶川大地震，2010年甘肅舟曲泥石流，2013年鎮(zhèn)雄縣滑坡，2019年水城滑坡等。2010年至2018年，中國地質(zhì)災(zāi)害有減少趨勢[1、2]。據(jù)《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》，2017年全國發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量為7521處，其中滑坡為主要地質(zhì)災(zāi)害，有5524處。西南地區(qū)地貌主要為高原和山地，極易發(fā)生滑坡、崩塌和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。2013年1月11日，云南省鎮(zhèn)雄縣發(fā)生山體滑坡，果珠鄉(xiāng)高坡村趙家溝組60多間屋宇被毀，46人罹難[3]。2019年7月23日，貴州省水城縣特大型山體滑坡，雞場鎮(zhèn)坪地村岔溝組21棟房屋被埋，51人遇難[4]?？梢姡谖髂系貐^(qū)，滑坡對人類的危害尤為嚴(yán)重，對生命和財(cái)產(chǎn)都造成了巨大的損失，因此，對于不同地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，尤其是滑坡，創(chuàng)建一套自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，并能科學(xué)有效地預(yù)測預(yù)報(bào)非常必要。

GPS技術(shù)適用于斜坡體地表位移變形不同階段三維監(jiān)測[5、6]，最高測量精度達(dá)到毫米，采樣頻率可達(dá)到20Hz，位移可以實(shí)時(shí)讀取，GPS測量接收器適應(yīng)復(fù)雜和惡劣的工作環(huán)境[7]。因此，GPS技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于精密工程測量、石油勘探、大地測量等領(lǐng)域，也被用于對滑坡體等地形變形監(jiān)測。隨著GPS系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步和完善，GPS技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘞到y(tǒng)融合的GNSS技術(shù)[8]。GNSS，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（全稱：Global Navigation Satellite System），主要指美國的GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）、俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONSSS、歐洲的Galileo和中國的BDS（北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)）[9]。

GNSS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的監(jiān)測手段，其高精度、自動(dòng)化、全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測并評價(jià)、預(yù)測等特點(diǎn)，集合新一代信息技術(shù)，不斷完善GNSS自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對以后山體滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警具有重要意義。

2. GNSS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

GPS系統(tǒng)是最早的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)，由24顆定位衛(wèi)星組成，平均分布在以每60°為一個(gè)間隔的6個(gè)軌道上，每個(gè)軌道由4顆衛(wèi)星組成，在任意時(shí)間和任意位置，都可以由同時(shí)來自4顆衛(wèi)星發(fā)射的信號，進(jìn)行瞬時(shí)定位，現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)量多至32顆[10]。由于受衛(wèi)星軌道誤差、電離層、對流層衛(wèi)星鐘差、多路徑接收機(jī)綜合誤差等對定位精確度的影響，絕對定位精度不達(dá)標(biāo)，故采用差分全球定位系統(tǒng)，英文全稱為Differential Global Position System，即DGPS技術(shù)，能更高精度地進(jìn)行定位測量[11]。若要進(jìn)一步提高定位精度，可采用載波相位差分技術(shù)（Real Time Kinematic），即RTK技術(shù)，可得到觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)[12]。GPS差分工作原理[13]：兩個(gè)或多個(gè)測站之間的定位，一臺(tái)GPS接收機(jī)處于基準(zhǔn)站（參考站），其坐標(biāo)為已知精密坐標(biāo)，和其他移動(dòng)站同時(shí)觀測了同一組衛(wèi)星（至少4顆），基準(zhǔn)站位置已知，通過數(shù)據(jù)連接，移動(dòng)站的位置坐標(biāo)就得以確定（圖1）。具體定位原理示意圖如下：

DGPS由已知地面基準(zhǔn)站和測區(qū)移動(dòng)站組成，通過在區(qū)域內(nèi)已知地面控制點(diǎn)記錄衛(wèi)星定位信息（一般情況下，地面控制點(diǎn)與待測點(diǎn)距離小于25km），與控制點(diǎn)坐標(biāo)對比處理，得到糾正量，以此糾正量糾正待測點(diǎn)得到更精確的坐標(biāo)測量值。

GNSS定位技術(shù)進(jìn)行滑坡自動(dòng)化監(jiān)測對測站空間要求低，無需保持通視，安裝好儀器后均為自動(dòng)化監(jiān)測，省去大量的工作量，因而方便、快捷。此外，GNSS測量基本不受任何氣候或天氣條件限制，這對于汛期地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測非常有利。測量精度可達(dá)毫米級別，可滿足一般地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測要求。GNSS接收器與定位衛(wèi)星實(shí)時(shí)連接，采集接收的信息可以第一時(shí)間發(fā)送給監(jiān)測人員，因此，GNSS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)在滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用。

3. GNSS自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在滑坡的運(yùn)用

3.1滑坡體監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)組成

滑坡體監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由三部分組成：滑坡體野外傳感器采集系統(tǒng)；數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)；供電等輔助支持系統(tǒng)[14]。野外傳感器分為地表位移監(jiān)測器、滑坡體內(nèi)部監(jiān)測器、一體化氣象站和土壤溫濕度傳感器；地表位移由高精度GPS定位設(shè)備監(jiān)測，表面式裂縫計(jì)監(jiān)測裂縫變化；固定測斜儀監(jiān)測滑坡體內(nèi)部位移，孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測地下水位，土力壓力計(jì)監(jiān)測內(nèi)部土壓力；一體化氣象站綜合監(jiān)測降雨量、風(fēng)速、氣壓、溫度、風(fēng)向、濕度等指標(biāo)，溫度和濕度由土壤溫濕度傳感器監(jiān)測。野外傳感器主要負(fù)責(zé)野外現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)的收集。數(shù)據(jù)傳輸由數(shù)據(jù)控制中心系統(tǒng)完成，傳輸系統(tǒng)由小型機(jī)系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成，主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)監(jiān)測和做出預(yù)警，使監(jiān)測人員能快速分析信息[15]。

GNSS定位技術(shù)是現(xiàn)階段監(jiān)測地理變形較先進(jìn)的常用手段，參考當(dāng)前相關(guān)新科技，地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)為滑坡體提供了監(jiān)測和治理方向?；乱巴獗O(jiān)測系統(tǒng)由表面位移監(jiān)測系統(tǒng)（GPS）、裂縫監(jiān)測系統(tǒng)（表面式裂縫計(jì)）、滑坡體內(nèi)部變形監(jiān)測系統(tǒng)（固定測斜儀）、滑坡體內(nèi)部水位監(jiān)測系統(tǒng)（孔空隙水滲壓監(jiān)測）、滑坡體內(nèi)部土壓力監(jiān)測系統(tǒng)（土壓力計(jì)）、組合氣象站組成[16]。

GPS監(jiān)測系統(tǒng)。其中傳感器子系統(tǒng)的主要組成是各監(jiān)測專用機(jī)型GPS接收機(jī)組成的監(jiān)測單元；數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)運(yùn)用（或同時(shí)運(yùn)用）3G、光纖和高頻無線傳輸終端等媒介，實(shí)時(shí)傳輸傳感器系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)到控制中心；輔助支持系統(tǒng)主要包括：防雷電、UPS（不間斷電源）、配電及綜合布線等相關(guān)設(shè)備配件，主要作用是輔助整個(gè)GNSS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3.2 GNSS數(shù)據(jù)處理

GNSS的數(shù)據(jù)處理為滑坡體自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，“數(shù)據(jù)處理”精度決定了對滑坡體穩(wěn)定性的判斷和分析，最終影響管理人員的決策。

本滑坡體GNSS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)“數(shù)據(jù)處理”指監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各GPS原始數(shù)據(jù)的采集控制，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的同時(shí)，控制數(shù)據(jù)采樣的間隔、多天線GPS機(jī)的信號的切換、GPS原始數(shù)據(jù)的處理和檢驗(yàn)、設(shè)備故障的診斷等。

數(shù)據(jù)解算軟件采用實(shí)時(shí)三維變形測量分析系統(tǒng)軟件，該系統(tǒng)軟件能對安裝在目標(biāo)設(shè)施物上的GPS的三維位置進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，并保證毫米級精度，還能對監(jiān)控站進(jìn)行實(shí)時(shí)差分定位，同時(shí)具備觀測數(shù)據(jù)記錄、圖形顯示和報(bào)警等功能。變形監(jiān)測系統(tǒng)中，每個(gè)GPS解算接收機(jī)輸出GPS原始數(shù)據(jù)和星歷數(shù)據(jù)，通過串口、無線設(shè)備、局域網(wǎng)絡(luò)、廣域網(wǎng)絡(luò)等傳輸至控制中心，解算軟件根據(jù)GPS解算接收機(jī)的IP地址和端口號，獲取監(jiān)測點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)差分解算，得到個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，再將坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端或存入數(shù)據(jù)庫。

3.3預(yù)警等級

據(jù)《中華人民共和國突發(fā)事件應(yīng)對法》將地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警劃分為四個(gè)等級，以表示災(zāi)害體形變階段和發(fā)生的可能性概率大小，一級、二級、三級、四級分別以預(yù)警色紅色、橙色、黃色、藍(lán)色顯示[17]。具體如表1。

地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)終端值班室通常不少于2人進(jìn)行24小時(shí)值班，隨時(shí)留意系統(tǒng)提醒情況，一旦收到預(yù)警報(bào)警提示，迅速聯(lián)系地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)監(jiān)測人員進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)，情況一經(jīng)核實(shí)，迅速采取對應(yīng)措施，盡可能將損失降到最小。

4.應(yīng)用實(shí)例

該系統(tǒng)在貴州省使用的實(shí)例之一為大方縣德興煤礦滑坡，該滑坡位于大方縣瓢井鎮(zhèn)油砂村，經(jīng)度：105°45′31″，緯度：27°23′26″。滑坡長約1000m，寬約150m，滑面深約10m，規(guī)模約13m3×105m3，為大型碎石滑坡，整體呈舌型，為滑向北（圖5）。該滑坡為采煤和降雨誘發(fā)古滑坡復(fù)活，后緣呈弧形。近年采礦停止，滑坡體逢雨季則會(huì)引起變形加劇，表明滑坡體處于緩慢變形階段。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，滑坡體上，植被茂盛，且滑坡位于山谷，視野通透性不好，集合成本考慮，采用GNSS自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。對于GNSS監(jiān)測系統(tǒng)，GNSS基準(zhǔn)網(wǎng)需與監(jiān)測區(qū)域地理范圍相適應(yīng)，針對礦區(qū)小范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，無建立GNSS基準(zhǔn)網(wǎng)的必要。對于礦區(qū)常見小規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害，單個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)即可提供較高監(jiān)測精度，故采用獨(dú)立基準(zhǔn)點(diǎn)，只需在選點(diǎn)過程中，避開對點(diǎn)位造成強(qiáng)干擾的位置即可。

對滑坡體GNSS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)（圖3），布置了1個(gè)GPS基準(zhǔn)站，3個(gè)GPS監(jiān)測站和1個(gè)一體氣象站。基準(zhǔn)站和氣象站布置于滑坡體外地形穩(wěn)定的居民區(qū)，3個(gè)GPS監(jiān)測站布置在滑坡體的前緣、滑坡體中部和中部靠后緣。同時(shí)布置了振弦式裂縫計(jì)、固定傾斜儀、空隙水滲壓計(jì)、振弦式土壓力計(jì)、土壤溫濕度傳感器、一體氣象站等監(jiān)測影響滑坡體形變的因素，可以綜合實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)（圖4）。所有儀器均能實(shí)時(shí)監(jiān)測，以GNSS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)為主。表2統(tǒng)計(jì)了3個(gè)GPS監(jiān)測點(diǎn)2018年全年的位移變形量。

由表2可以看出，6月滑坡體滑動(dòng)位移最大，單方向位移達(dá)344.5mm，8月次之，為321.7mm，2月滑動(dòng)位移最小，最大位移為65.2mm，三個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)水平和豎直位移變化一致，其中1月至3月可認(rèn)為緩慢蠕滑階段，4月～7月為等速變形階段，8月至10月為加速蠕變階段，11月、12月為緩慢變形階段。最大累計(jì)變形均體現(xiàn)在GPS3，緩慢蠕滑階段累計(jì)變形位移達(dá)550.2mm，等速變形階段累計(jì)變形位移為579.3mm，加速蠕變階段累計(jì)變形位移達(dá)775.3mm，緩慢變形階段累計(jì)變形位移135.4mm。滑坡體后緣的位移大于中部，中部位移大于前緣。

監(jiān)測2018年降水量最大為6月，最大降水量為234.1mm，最小降水量在2月，為16.7mm。監(jiān)測的的位移變化趨勢基本一致，變形量最大的為6月和8月，變形量最小的為2月，與2018年降水量變化趨勢一致，在對應(yīng)的滑動(dòng)位移緩慢蠕滑階段累計(jì)降水量為139.1mm，等速變形階段累計(jì)降水量為394.9mm，加速蠕變階段累計(jì)降水量為476.0mm，緩慢變形階段累計(jì)降水量為52.1mm?；伦冃螄?yán)重受降水量影響，說明該滑坡現(xiàn)階段主要受降水量控制。

德興煤礦滑坡GNSS自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)基于野外監(jiān)測系統(tǒng)采集的位移、降水量、水壓力、土壓力、土壤溫濕度等相關(guān)數(shù)據(jù)，加權(quán)結(jié)合多項(xiàng)式擬合、生物生長等位移預(yù)測進(jìn)行預(yù)測，一旦滑坡體上專業(yè)監(jiān)測儀器監(jiān)測的位移速度超過預(yù)測閾值，監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)就會(huì)及時(shí)發(fā)出警告。德興煤礦滑坡驗(yàn)證了GNSS自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性和可靠性，實(shí)時(shí)監(jiān)測反應(yīng)了滑坡體的變形特征，給預(yù)警系統(tǒng)的可靠性奠定了基礎(chǔ)。

近年來，我國對自然災(zāi)害愈加重視，加強(qiáng)了自然災(zāi)害排查和風(fēng)險(xiǎn)評估及監(jiān)測預(yù)警。據(jù)國家自然資源部的初步統(tǒng)計(jì)，2020年全國范圍內(nèi)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害共7840起，其中成功預(yù)報(bào)并避讓534起，提前轉(zhuǎn)移避讓威脅人員約1.8萬人，避免約10.2億元的直接經(jīng)濟(jì)損失[18]。

5.總結(jié)

GNSS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)以其全天候自動(dòng)監(jiān)測、站間無需通視、監(jiān)測范圍廣、自動(dòng)化程度高、采樣間隔短、精度高等特點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于各種工程測量中。GNSS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)雖有不足，但隨著全球定位系統(tǒng)、信息技術(shù)不斷發(fā)展，特別是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)飛速發(fā)展，GNSS將會(huì)成為更加優(yōu)化的導(dǎo)航系統(tǒng)，地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)會(huì)得到不斷升級，為人類的生命安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供重要的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉傳正，陳春利，等；中國地質(zhì)災(zāi)害成因分析[J].地質(zhì)論評， 2020（5）.

[2]劉傳正，陳春利，等；中國地質(zhì)災(zāi)害防治成效與問題對策[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2020， v.28； No.136（02）：190-198.

[3]殷躍平，劉傳正，陳紅旗，任堅(jiān)，祝傳兵，等； 2013年1月11日云南鎮(zhèn)雄趙家溝特大滑坡災(zāi)害研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2013， 21（01）： 6-15.

[4]王立朝.貴州水城"7·23"特大山體滑坡[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)， 2019， v.30； No.122（04）： 12-12.5-76.

[5]Rizos C， Han S. Reference Station Network Based RTK SystemsConcepts & Progress [J]. Wuhan University Journal of Nature Sciences， 2003， 8（2B）： 566-574.

[6]Bennet R A， Wernicke B P， and Davis J L. Continuous GPS Measurements of Contemporary Deformation across the Northern Basin and Range Province [J]. Geophys. Res. Lett.， 1998， 25（4）： 563-566.

[7]Yi Lin Guo， Xin Yan. Application of Global Positioning System Measuring Technology in Safety Monitoring of Highway Slope[J]. Advanced Materials Research， 2013， 2331..

[8]張全德，劉小陽，錢安，等；從GPS到GNSS教學(xué)的轉(zhuǎn)變[J].測繪通報(bào)， 2017（07）： 151-154.

[9]Sadoun B ， Al-Bayari O . On the inclusion of geographic information systems （GIS） in global navigation satellite systems （GNSS）[J]. International Journal of Communication Systems， 2010， 20（3）： 385-396.

[10]陳存婷.北斗三號基本系統(tǒng)偽距單點(diǎn)定位性能分析[D].長安大學(xué)， 2019.

[11]安金玉. POS輔助航空攝影測量應(yīng)用研究[D].昆明理工大學(xué)， 2014.

[12]張小紅，李星星，李盼，等； GNSS精密單點(diǎn)定位技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展[J].測繪學(xué)報(bào)， 2017， 46（10）： 1399-1407.

[13]李鵬勃，馬方遠(yuǎn)，鄭善魁，王茜，等；多基準(zhǔn)站GPS定位靶場測試方法研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制， 2017， 25（12）： 117-119+145.

[14]于懷昌，王春磊，王碩楠，潘廣釗，席偉，等；基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的欒川魏家溝滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究與實(shí)踐[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2018， 39（06）： 46-50.

[15]馮曉亮，陳龍，李遠(yuǎn)寧，等；地質(zhì)災(zāi)害GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探析[J].低碳世界， 2015， 000（019）： 149-150.

[16]中華人民共和國突發(fā)事件應(yīng)對法[J].中華人民共和國全國人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)公報(bào)， 2007（06）： 535-543.

[17]楊背背.三峽庫區(qū)萬州區(qū)庫岸堆積層滑坡變形特征及位移預(yù)測研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)， 2019.

[18]數(shù)字[J].資源導(dǎo)刊， 2021（02）： 5.