GNSS滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)進(jìn)展

張 勤，白正偉，黃觀文，杜 源，王 鐸

長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054

滑坡指斜坡上的巖土體在自身重力、地震、降雨和人類工程活動(dòng)等內(nèi)外誘因的共同作用下，沿著特定滑動(dòng)面和滑動(dòng)方向發(fā)生整體或局部下滑的現(xiàn)象[1-2]。滑坡災(zāi)害在全球廣泛分布，每年頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響人類工程建設(shè)、運(yùn)行以及人居安全。隨著人類工程活動(dòng)加快和全球氣候變化加劇，滑坡災(zāi)害發(fā)生數(shù)量正在逐年增加[3-4]。我國(guó)是世界上受滑坡災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國(guó)家，據(jù)統(tǒng)計(jì)2004—2016年共發(fā)生山體滑坡278 880次，占收集到的非地震地質(zhì)災(zāi)害事件的97.9%，造成4718人死亡，社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失約9.812 9億美元[5-6]。典型的特大滑坡災(zāi)害有：2010年甘肅舟曲特大滑坡泥石流造成1557人死亡；2017年四川茂縣新磨村特大滑坡災(zāi)害導(dǎo)致全村118人被掩埋；2019年貴州水城山體滑坡致使死亡和失蹤人數(shù)共計(jì)52人。

滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警是主動(dòng)防控滑坡災(zāi)害，避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的重要手段，滑坡孕育和演化發(fā)生一般有一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程，伴隨著地表位移、地表裂縫等外在表現(xiàn)，因此可采用變形監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)滑坡進(jìn)行周期性或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)。GNSS因具有高精度、全天候、連續(xù)三維定位、無(wú)須通視等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始就被研究用于滑坡變形監(jiān)測(cè)[7-9]。GNSS靜態(tài)相對(duì)定位(static GNSS measurements，SGM)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位(real-time kinematic，RTK)、網(wǎng)絡(luò)RTK(NRTK)和精密單點(diǎn)定位(precise point positioning，PPP)等技術(shù)相繼應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)。隨著技術(shù)研究的深入，上述GNSS技術(shù)的定位精度和實(shí)時(shí)性不斷提升，但是大量滑坡位于高山峽谷植被茂密的高遮擋、強(qiáng)干擾復(fù)雜場(chǎng)景中，而GNSS又是一種極易受到環(huán)境干擾的技術(shù)，致使復(fù)雜場(chǎng)景GNSS滑坡監(jiān)測(cè)的可靠性和精度較低，該技術(shù)的可用性也受到嚴(yán)重質(zhì)疑。此外，滑坡監(jiān)測(cè)的最終目的是準(zhǔn)確預(yù)警，這就要求GNSS技術(shù)必須具備高精準(zhǔn)超前預(yù)警的能力，但當(dāng)前基于GNSS技術(shù)的滑坡預(yù)警研究成果相對(duì)較少，GNSS滑坡預(yù)警的準(zhǔn)確性和可靠性較低，GNSS滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。

本文旨在通過(guò)對(duì)GNSS滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)近年來(lái)取得的進(jìn)展、實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題和研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，使讀者能夠?qū)NSS滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警有更為系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)和思考。章節(jié)結(jié)構(gòu)如下：第1節(jié)對(duì)GNSS滑坡監(jiān)測(cè)接收機(jī)技術(shù)、定位技術(shù)、多源融合技術(shù)等方面的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，重點(diǎn)分析GNSS各類監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，在滑坡監(jiān)測(cè)中的適用范圍和存在問(wèn)題；第2節(jié)介紹適用于GNSS滑坡預(yù)警的技術(shù)方法；第3節(jié)梳理當(dāng)前GNSS滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警中面臨的瓶頸問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)研究方向和發(fā)展趨勢(shì)提出一些思路；第4節(jié)對(duì)全文內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。

1 GNSS滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)

目前GNSS在軌衛(wèi)星數(shù)已超過(guò)120顆，促進(jìn)了GNSS的普適化應(yīng)用與發(fā)展[10]。GNSS應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)過(guò)程，首先需要在滑坡體附近的穩(wěn)定區(qū)域部署基準(zhǔn)站，然后在滑坡體變形區(qū)域部署監(jiān)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站均使用高精度GNSS監(jiān)測(cè)接收機(jī)采集導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，并利用4G等通信網(wǎng)絡(luò)將采集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)傳回解算云平臺(tái)。云平臺(tái)選擇相應(yīng)的高精度定位技術(shù)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理、分析，并根據(jù)滑坡體的環(huán)境、通信條件等選擇相應(yīng)的穩(wěn)定性技術(shù)及多源融合技術(shù)進(jìn)行增強(qiáng)處理，最終得到具有較高可靠性的變形序列結(jié)果。

1.1 GNSS監(jiān)測(cè)接收機(jī)技術(shù)

數(shù)據(jù)采集是GNSS監(jiān)測(cè)技術(shù)的第一步，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的GNSS監(jiān)測(cè)接收機(jī)接收導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的電文信號(hào)，將其處理成可以用于定位解算的觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接決定定位的精度和可靠性。GNSS監(jiān)測(cè)接收機(jī)一般由衛(wèi)星天線、定位模塊和通信模塊構(gòu)成，在野外主要利用太陽(yáng)能對(duì)其進(jìn)行供電，是GNSS滑坡監(jiān)測(cè)工作中最核心且占據(jù)最大成本的設(shè)備，常規(guī)GNSS滑坡監(jiān)測(cè)設(shè)備如圖1所示?；麦w一般形變比較破碎，相距較近的兩個(gè)點(diǎn)形變特征卻可能迥異，這就要求必須在滑坡體上部署多臺(tái)監(jiān)測(cè)接收機(jī)，形成一定密度的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。成本、功耗和性能是GNSS監(jiān)測(cè)接收機(jī)大范圍普適化推廣應(yīng)用的關(guān)鍵，當(dāng)前這些指標(biāo)還不能滿足滑坡大范圍復(fù)雜場(chǎng)景監(jiān)測(cè)需求[11]。因此，學(xué)者們研究了GNSS監(jiān)測(cè)接收機(jī)系列技術(shù)，包括一機(jī)多天線、單頻接收機(jī)、低成本高精度GNSS芯片、基于云平臺(tái)的GNSS接收機(jī)和偽衛(wèi)星增強(qiáng)等[12]。

圖1 常規(guī)GNSS滑坡監(jiān)測(cè)設(shè)備Fig.1 Conventional GNSS landslide monitoring equipment

(1) 一機(jī)多天線技術(shù)。該技術(shù)是使用單臺(tái)GNSS接收機(jī)連接多個(gè)衛(wèi)星天線，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，可成倍地降低GNSS硬件接收機(jī)成本。文獻(xiàn)[13—15]相繼研究了GNSS一機(jī)多天線技術(shù)并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用結(jié)果表明一機(jī)多天線精度與常規(guī)GNSS監(jiān)測(cè)技術(shù)精度相當(dāng)，能夠在大幅度降低監(jiān)測(cè)設(shè)備成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡災(zāi)害體的高精度監(jiān)測(cè)。但是一機(jī)多天線技術(shù)也存在信號(hào)轉(zhuǎn)換器不穩(wěn)定、電纜布置范圍有限、作業(yè)不靈活等問(wèn)題，隨著接收機(jī)成本不斷降低，該技術(shù)近年來(lái)受關(guān)注程度減弱。

(2) 單頻接收機(jī)技術(shù)。GNSS接收機(jī)按照接收導(dǎo)航衛(wèi)星載波信號(hào)的數(shù)量可以分為單頻和多頻。文獻(xiàn)[16—18]對(duì)單頻接收機(jī)進(jìn)行了研究測(cè)試，結(jié)果表明單頻接收機(jī)雖然精度僅為厘米級(jí)，考慮到滑坡災(zāi)害變形遠(yuǎn)大于厘米級(jí)，因此認(rèn)為該技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測(cè)中是可以使用的。文獻(xiàn)[19—23]采用網(wǎng)絡(luò)RTK等技術(shù)研究單頻接收機(jī)在開(kāi)闊環(huán)境、短基線下的定位精度，結(jié)果表明三維精度能達(dá)到毫米級(jí)，但是試驗(yàn)僅在超短基線條件下進(jìn)行，且未給出精度統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)窗口大小的選擇策略。單頻接收機(jī)的優(yōu)勢(shì)主要是成本低，但是隨著多模多頻GNSS接收機(jī)成本不斷降低，該技術(shù)近年來(lái)受關(guān)注程度也逐步減弱。

(3) 低成本高精度GNSS芯片技術(shù)。GNSS芯片是GNSS接收機(jī)的核心，也是實(shí)現(xiàn)低成本高精度定位的關(guān)鍵。為了降低GNSS監(jiān)測(cè)接收機(jī)的成本，自然資源部組織全國(guó)科研院所和企事業(yè)單位加快研發(fā)低成本普適化地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備，低成本高精度GNSS芯片技術(shù)在功耗、定位精度和價(jià)格等方面都取得了突破。目前，國(guó)內(nèi)典型低成本定位模塊有和芯星通科技(北京)有限公司的UM980和武漢夢(mèng)芯科技有限公司的MXT906B等，國(guó)外有UBLOX的F9P等，使用上述定位模塊研發(fā)的普適型滑坡監(jiān)測(cè)型一體化接收機(jī)整機(jī)售價(jià)均低于5000元。文獻(xiàn)[24—26]測(cè)試評(píng)估了低成本雙頻UBLOX-F9P接收機(jī)和常規(guī)大地測(cè)量型接收機(jī)，結(jié)果表明低成本雙頻接收機(jī)在動(dòng)靜態(tài)條件下相比常規(guī)設(shè)備精度差異小于2 mm，低成本雙頻UBLOX-F9P接收機(jī)可以探測(cè)大于10 mm的變形。目前，低成本高精度GNSS芯片技術(shù)是實(shí)現(xiàn)普適型GNSS監(jiān)測(cè)接收機(jī)應(yīng)用的核心技術(shù)之一。

(4) 基于云平臺(tái)的GNSS接收機(jī)技術(shù)。為了降低GNSS監(jiān)測(cè)接收機(jī)成本，長(zhǎng)安大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出“云+端”的設(shè)計(jì)理念，率先研制了基于云平臺(tái)的GNSS接收機(jī)，將傳統(tǒng)GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備變革為功能至簡(jiǎn)，僅保留采集與傳輸功能的傳感器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、定位解算等功能在云平臺(tái)進(jìn)行。該團(tuán)隊(duì)率先研發(fā)的基于云平臺(tái)的GNSS接收機(jī)售價(jià)約為3000元，體積小于100 cm3，在全國(guó)15個(gè)地災(zāi)嚴(yán)重的省份進(jìn)行了應(yīng)用[27-28]。接收機(jī)終端價(jià)格的降低，極大地推動(dòng)了GNSS在大范圍滑坡監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。但是GNSS接收機(jī)功耗高，大量滑坡位于高山峽谷區(qū)域，GNSS野外滑坡監(jiān)測(cè)通常采用太陽(yáng)能供電，這種方式在連續(xù)陰雨、積雪覆蓋，以及光照不佳等區(qū)域經(jīng)常發(fā)生供電中斷的問(wèn)題，此時(shí)維修十分困難。因此，長(zhǎng)安大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種“GNSS自適應(yīng)變頻滑坡監(jiān)測(cè)接收機(jī)”，接收機(jī)集成感知滑坡?tīng)顟B(tài)的傳感器，可以通過(guò)云平臺(tái)和終端傳感器觸發(fā)GNSS工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡體穩(wěn)定時(shí)低頻定時(shí)監(jiān)測(cè)，加速變形時(shí)高頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[29]。

(5) 偽衛(wèi)星增強(qiáng)技術(shù)。針對(duì)GNSS衛(wèi)星信號(hào)易被遮擋的問(wèn)題，有學(xué)者提出采用偽衛(wèi)星技術(shù)增強(qiáng)GNSS監(jiān)測(cè)。偽衛(wèi)星技術(shù)是一種類似于導(dǎo)航衛(wèi)星，能發(fā)射用于定位的觀測(cè)信號(hào)，以彌補(bǔ)可觀測(cè)衛(wèi)星信號(hào)不足的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)GNSS定位或者自身獨(dú)立定位的技術(shù)。該技術(shù)一般在需要增強(qiáng)的地表附近安裝信號(hào)發(fā)射設(shè)備，因此不受電離層影響，受到的大氣誤差小，能改善惡劣環(huán)境下衛(wèi)星的幾何分布，理論和試驗(yàn)結(jié)果表明該方法能有效提高GNSS信號(hào)幾何精度因子，可將GNSS復(fù)雜場(chǎng)景的三維定位精度提升至10 mm[12]。但是該技術(shù)存在成本高、布站困難和多路徑嚴(yán)重等問(wèn)題，在滑坡監(jiān)測(cè)中推廣價(jià)值不大。

1.2 GNSS監(jiān)測(cè)定位技術(shù)

GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)傳回?cái)?shù)據(jù)處理平臺(tái)后，將根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景和監(jiān)測(cè)需要選擇相應(yīng)的高精度定位技術(shù)進(jìn)行處理，包括SGM、RTK、NRTK和PPP等技術(shù)。

(1) SGM技術(shù)。SGM是通過(guò)對(duì)一段時(shí)間觀測(cè)數(shù)據(jù)的差分解算獲得一個(gè)較高精度的定位解[30]。在國(guó)外，文獻(xiàn)[31]較早討論了GPS用于滑坡監(jiān)測(cè)的可行性；在國(guó)內(nèi)，文獻(xiàn)[7]最早嘗試將GPS應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)；此外，在三峽庫(kù)區(qū)滑坡[32]、四川雅安峽口滑坡[33]相繼利用GPS技術(shù)開(kāi)展了滑坡監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果顯示SGM監(jiān)測(cè)滑坡可以達(dá)到毫米級(jí)。SGM需要較長(zhǎng)時(shí)間(大于1 h)的同步觀測(cè)才能實(shí)現(xiàn)高精度定位，為此多位學(xué)者研究了模糊度快速固定方法以實(shí)現(xiàn)快速相對(duì)定位，目前已實(shí)現(xiàn)基線長(zhǎng)度為1 km、采樣間隔5 s時(shí)，10 min相對(duì)定位精度達(dá)到2 cm(99%置信概率)[34]。文獻(xiàn)[35]在意大利南部亞平寧山脈黏土質(zhì)深層滑坡進(jìn)行GPS地表位移監(jiān)測(cè)和傾斜儀深部剖面位移的聯(lián)合監(jiān)測(cè)，GPS測(cè)站采用雙頻接收機(jī)和扼流圈天線，利用Bernese 5.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，GPS與測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)的地表位移數(shù)據(jù)具有高度一致性。

SGM技術(shù)應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)經(jīng)歷了周期性的定期監(jiān)測(cè)到連續(xù)性監(jiān)測(cè)的過(guò)渡，每次觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)從數(shù)小時(shí)縮短至10 min，監(jiān)測(cè)精度從平面10 mm提高到2 mm，高程從20 mm提高到5 mm。SGM為事后處理，由于技術(shù)模式所限，該技術(shù)的滑坡變形監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間大于10 min，目前在滑坡監(jiān)測(cè)中主要用于對(duì)相對(duì)穩(wěn)定的滑坡體進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，也可用于事后對(duì)RTK監(jiān)測(cè)時(shí)間序列的更新和校驗(yàn)。由于受到內(nèi)外部誘發(fā)因素的作用，滑坡在發(fā)育的過(guò)程中狀態(tài)可能突變，這導(dǎo)致滑坡的發(fā)生具有突發(fā)性。文獻(xiàn)[36]采用GPS技術(shù)對(duì)滑坡進(jìn)行30 min一次的變形監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示滑坡發(fā)生前30 min監(jiān)測(cè)到的變形速度不足1 mm/d，未能監(jiān)測(cè)到滑坡加速變形破壞過(guò)程數(shù)據(jù)，分析該類滑坡加速變形破壞過(guò)程可能只有短短幾分鐘。因此SGM技術(shù)不能滿足對(duì)突發(fā)性滑坡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求。

(2) RTK技術(shù)。RTK基于載波相位觀測(cè)值，可以通過(guò)基準(zhǔn)站與監(jiān)測(cè)站單歷元實(shí)時(shí)差分獲取高精度坐標(biāo)，該技術(shù)要求基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站之間具有穩(wěn)定的通信鏈路，用于將基準(zhǔn)站觀測(cè)值或計(jì)算出的差分改正信息實(shí)時(shí)播發(fā)給監(jiān)測(cè)站[37]。差分定位時(shí)同步觀測(cè)且距離越近的兩個(gè)GNSS觀測(cè)站數(shù)據(jù)受到的大氣誤差越近似相等，因此通過(guò)差分解算能消除大部分的系統(tǒng)誤差，實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)站高精度三維空間坐標(biāo)。文獻(xiàn)[38]利用陜西涇陽(yáng)南塬廟店滑坡的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究了BDS短基線RTK算法及GPS/BDS組合RTK關(guān)鍵技術(shù)，與全站儀監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，各方向上的差值在毫米量級(jí)。RTK在開(kāi)闊無(wú)遮擋環(huán)境下能夠?qū)崟r(shí)獲得毫米級(jí)定位精度，平面和高程定位精度分別優(yōu)于5 mm和10 mm，不僅能滿足對(duì)滑坡體進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)滑坡?tīng)顟B(tài)突變的捕捉和突發(fā)滑坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警[39]。然而隨著基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站間距離增加，二者大氣誤差相似性降低，定位精度顯著降低。針對(duì)RTK中長(zhǎng)基線定位差的問(wèn)題，有學(xué)者提出引入大氣誤差參數(shù)，但是這些參數(shù)的收斂需要一定的時(shí)間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)的高精度定位。RTK滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)通常是“一點(diǎn)一基站”模式，即每個(gè)滑坡區(qū)域都需要建設(shè)獨(dú)立基準(zhǔn)站?！耙稽c(diǎn)一基站”的監(jiān)測(cè)模式既增加了成本，造成資源浪費(fèi)，也帶來(lái)良好基準(zhǔn)布設(shè)的問(wèn)題[40]，同時(shí)RTK技術(shù)受到距離限制，基準(zhǔn)覆蓋范圍有限，最大基線距離不能超過(guò)15 km。

(3) NRTK技術(shù)。NRTK是通過(guò)在區(qū)域建設(shè)多個(gè)GNSS基準(zhǔn)站，來(lái)構(gòu)建基于多個(gè)基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的區(qū)域大氣誤差修正模型，并將修正信息播發(fā)給用戶，實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)定位[41-42]。文獻(xiàn)[43]設(shè)計(jì)了一套位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)區(qū)域改正參數(shù)、虛擬基準(zhǔn)站和主輔站3種NRTK方法的垂直和水平位移精度進(jìn)行評(píng)估，整體評(píng)估顯示3種方法與真實(shí)位移的平均差異分別為6.8、5.1和5.2 mm。NRTK方法的均方誤差在水平方向?yàn)?.7 mm，垂直方向?yàn)?.9 mm，精度足以監(jiān)測(cè)大于1 cm的滑坡位移。NRTK技術(shù)極大改善了RTK定位中隨著距離增加誤差增大的問(wèn)題，適用范圍從小于10 km擴(kuò)大至上百千米[44]。對(duì)流層延遲是NRTK達(dá)到厘米級(jí)定位精度的關(guān)鍵參數(shù)之一，當(dāng)前NRTK還存在由于對(duì)流層延遲引起的全域定位精度不一致，以及基準(zhǔn)站與監(jiān)測(cè)站設(shè)備不同導(dǎo)致設(shè)備間的系統(tǒng)差難以消除等問(wèn)題，實(shí)際在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用仍處于試驗(yàn)發(fā)展階段。

(4) PPP技術(shù)。PPP是僅采用單臺(tái)GNSS設(shè)備，利用精密軌道和鐘差產(chǎn)品來(lái)精確改正觀測(cè)值中的各項(xiàng)誤差，實(shí)現(xiàn)在全球任意位置的高精度絕對(duì)坐標(biāo)獲取[45]。文獻(xiàn)[46—48]進(jìn)行了PPP滑坡監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，證明該技術(shù)可以應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)，具備無(wú)須參考基準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[49]研究使用GPS和GLONASS雙系統(tǒng)組合PPP滑坡變形監(jiān)測(cè)，東、北、高程方向的標(biāo)準(zhǔn)差都為2 cm，可以保證實(shí)時(shí)PPP滑坡監(jiān)測(cè)能夠探測(cè)到大于5 cm的變形。文獻(xiàn)[50]研究了利用PPP和SGM技術(shù)進(jìn)行模擬位移監(jiān)測(cè)，研究表明，PPP和SGM技術(shù)基于24 h和12 h觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的位移探測(cè)具有很好的一致性，基于24 h觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的PPP技術(shù)可探測(cè)到大于1.5 cm的水平位移。文獻(xiàn)[51]周期性采集了四川西山村滑坡8個(gè)站點(diǎn)的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究了靜態(tài)PPP技術(shù)在部分衛(wèi)星被遮擋的復(fù)雜場(chǎng)景中的監(jiān)測(cè)精度，結(jié)果表明5.93 h左右的衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)能使監(jiān)測(cè)精度達(dá)到1～2 cm，滿足緩慢變形滑坡體的監(jiān)測(cè)要求。文獻(xiàn)[52]研究得出單接收機(jī)載波相位模糊度固定的PPP位置(24 h)可以達(dá)到2～3 mm的水平精度和8 mm的垂直精度。

PPP技術(shù)對(duì)觀測(cè)環(huán)境要求較高，良好觀測(cè)環(huán)境下需要30 min甚至更長(zhǎng)的收斂時(shí)間才能達(dá)到分米甚至厘米級(jí)的定位精度，而且數(shù)據(jù)中斷后需要再次收斂，不能應(yīng)用于滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[53]。相對(duì)定位技術(shù)依賴于穩(wěn)定的基準(zhǔn)，根據(jù)GNSS滑坡監(jiān)測(cè)規(guī)范要求，基準(zhǔn)站需要設(shè)立在滑坡體附近區(qū)域的穩(wěn)定基巖之上，而滑坡監(jiān)測(cè)中穩(wěn)定的基巖可能埋深很深，實(shí)際應(yīng)用中很難選擇到符合GNSS滑坡監(jiān)測(cè)規(guī)范的基準(zhǔn)布設(shè)位置，因此可能出現(xiàn)基準(zhǔn)站在監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)生變動(dòng)的情形。PPP可以應(yīng)用于定期對(duì)基準(zhǔn)站進(jìn)行穩(wěn)定性檢測(cè)，確?；鶞?zhǔn)穩(wěn)定可靠。此外，PPP還可以作為RTK等技術(shù)無(wú)法應(yīng)用的滑坡監(jiān)測(cè)場(chǎng)景下的一種備選方案。

表1給出了各類GNSS高精度監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，可以看出，SGM技術(shù)精度最高，但是無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此SGM技術(shù)一般用于定期(天/小時(shí))對(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行處理；RTK技術(shù)響應(yīng)時(shí)間最短，精度僅次于SGM，因此常用于實(shí)時(shí)捕捉滑坡的突變信息；NRTK技術(shù)覆蓋范圍大，因此適用于對(duì)大范圍海量滑坡點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，以節(jié)約成本；PPP技術(shù)不依賴基準(zhǔn)站，但需要較長(zhǎng)的收斂時(shí)間才能獲得較高精度的坐標(biāo)，因此PPP技術(shù)可以用于定期檢測(cè)GNSS基準(zhǔn)是否發(fā)生變動(dòng)，確保監(jiān)測(cè)時(shí)間序列的可靠性。

表1 幾種高精度GNSS監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

上述技術(shù)直接獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)在特定空間直角坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)(X，Y，Z)，基于定位的滑坡監(jiān)測(cè)流程為先利用PPP或SPP技術(shù)定位基準(zhǔn)站的空間直角坐標(biāo)(Xb，Yb，Zb)，并根據(jù)基準(zhǔn)站坐標(biāo)求得監(jiān)測(cè)站在t=0時(shí)刻與基準(zhǔn)站同一坐標(biāo)系統(tǒng)下的初始空間直角坐標(biāo)(Xt0，Yt0，Zt0)，GNSS滑坡監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)站任意t=i時(shí)刻空間直角坐標(biāo)(Xti，Yti，Zti)?；卤O(jiān)測(cè)關(guān)注的是監(jiān)測(cè)點(diǎn)在水平和高程方向的位移變化，因此需要將任意ti時(shí)刻坐標(biāo)(Xti，Yti，Zti)轉(zhuǎn)換為以初始坐標(biāo)點(diǎn)(Xt0，Yt0，Zt0)為原點(diǎn)的站心地平坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(Nti，Eti，Uti)，其換算如公式如下

(1)

(Xt0，Yt0，Zt0)→(Bt0，Lt0，Ht0)

(2)

(3)

式(1)求取ti時(shí)刻監(jiān)測(cè)點(diǎn)在空間三維方向的累計(jì)位移ΔXti、ΔYti、ΔZti。式(2)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)在初始t0時(shí)刻的空間三維坐標(biāo)(Xt0，Yt0，Zt0)轉(zhuǎn)化為大地坐標(biāo)(Bt0，Lt0，Ht0)。式(3)求取監(jiān)測(cè)站點(diǎn)在任意ti時(shí)刻在站心地平坐標(biāo)系的坐標(biāo)。其中Nti表示滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)t=0時(shí)刻在南北方向累計(jì)位移，向北為正；Eti表示東西方向累計(jì)位移，向東為正；Uti表示高程方向累計(jì)位移，向上為正。通過(guò)兩次連續(xù)GNSS測(cè)量的坐標(biāo)差得到滑坡位移。早期GNSS滑坡監(jiān)測(cè)由于供電、通信、處理器等技術(shù)發(fā)展不成熟，GNSS滑坡數(shù)據(jù)處理多數(shù)為事后人工處理，目前GNSS數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)在終端設(shè)備和云端服務(wù)器同時(shí)進(jìn)行自動(dòng)化處理。云端服務(wù)器具有大存儲(chǔ)、高計(jì)算性能的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)處理工作被放在云端進(jìn)行，但是部分滑坡區(qū)域依然存在通信覆蓋盲區(qū)，而實(shí)時(shí)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸量較大，存在無(wú)法及時(shí)將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳回云端的情況，此時(shí)采取終端處理的模式是必要的。

1.3 GNSS監(jiān)測(cè)精度及穩(wěn)定性技術(shù)

滑坡精準(zhǔn)預(yù)警要求滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)具備高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能力，只有當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)精度小于滑坡變形時(shí)才能及時(shí)監(jiān)測(cè)出滑坡變形，但是復(fù)雜滑坡環(huán)境下GNSS定位序列存在諸多誤差[54]，嚴(yán)重影響GNSS滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的可靠性，圍繞這一問(wèn)題產(chǎn)出了大量研究成果。

(1) 復(fù)雜場(chǎng)景建模增強(qiáng)定位。復(fù)雜場(chǎng)景GNSS數(shù)據(jù)噪聲特性與衛(wèi)星高度角無(wú)顯著關(guān)系，而與滑坡地形關(guān)系緊密，因此傳統(tǒng)的高度角定權(quán)方式不合理[55-56]。據(jù)此文獻(xiàn)[55]提出一種基于導(dǎo)航衛(wèi)星方位信息和衛(wèi)星高度角信息構(gòu)建的滑坡環(huán)境模型，可以將復(fù)雜場(chǎng)景RTK模糊度固定率從不足60%提升至95%以上?？紤]到GNSS基準(zhǔn)站通常布設(shè)于開(kāi)闊無(wú)遮擋環(huán)境，基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站跟蹤的衛(wèi)星信息相關(guān)性較強(qiáng)，文獻(xiàn)[57]提出一種基于信噪比(SNR)先驗(yàn)信息的觀測(cè)數(shù)據(jù)粗差識(shí)別方法，顯著提升了復(fù)雜場(chǎng)景模糊度固定率及定位精度，固定解精度在東、北方向優(yōu)于4 mm，高程方向優(yōu)于9 mm。

(2) 基準(zhǔn)站穩(wěn)定性探測(cè)與修復(fù)。GNSS基準(zhǔn)站的穩(wěn)定性對(duì)獲取真實(shí)滑坡變形數(shù)據(jù)至關(guān)重要，復(fù)雜場(chǎng)景下基準(zhǔn)站存在變動(dòng)和通信中斷的問(wèn)題。針對(duì)基準(zhǔn)不穩(wěn)的問(wèn)題，一方面可以采用PPP技術(shù)進(jìn)行基準(zhǔn)站穩(wěn)定性探測(cè)與修復(fù)，但是PPP無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度探測(cè)。也可以采用GAMIT/GLOBK、Bernese等基線解算軟件，將滑坡監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)與IGS站點(diǎn)/城市CORS站點(diǎn)聯(lián)測(cè)進(jìn)行基線解算。GAMIT長(zhǎng)基線解算的相對(duì)精度在10-9量級(jí)，短基線解算時(shí)精度在1 mm，該軟件操作專業(yè)性強(qiáng)，目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)解算[58]。文獻(xiàn)[59—60]針對(duì)基準(zhǔn)時(shí)延問(wèn)題，基準(zhǔn)不穩(wěn)定問(wèn)題和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)故障中斷問(wèn)題，深入研究分析了異步RTK的理論及誤差修正算法，并基于實(shí)際滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了研究方法的實(shí)效性、可靠性和連續(xù)性。

(3) 位移序列的濾波平滑算法。濾波模型可以顯著提升GNSS實(shí)時(shí)滑坡監(jiān)測(cè)精度，文獻(xiàn)[61]提出了基于模型選擇思想的多卡爾曼濾波模型，以提高變形歷元監(jiān)測(cè)的可靠性，模型采用了統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)則選取最優(yōu)卡爾曼濾波模型，處理GNSS實(shí)時(shí)滑坡監(jiān)測(cè)時(shí)間序列并在每個(gè)歷元處識(shí)別變形，不同的濾波模型代表不同的變形類型，但是由于GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列是逐歷元處理的，容易受到測(cè)量誤差的影響。

文獻(xiàn)[62]評(píng)估了簡(jiǎn)單移動(dòng)平均(SMA)、高斯加權(quán)移動(dòng)平均(GWMA)和Savitzky-Golay(S-G)3種濾波方法在GNSS滑坡位移監(jiān)測(cè)序列濾波中的適用性，研究表明當(dāng)用于諧波場(chǎng)景的直接濾波時(shí)，GWMA方法產(chǎn)生的誤差約為SMA方法的1/3，S-G方法的濾波誤差最小，SMA方法會(huì)使變形趨勢(shì)扭曲和峰值失真，GWMA和S-G方法能保留趨勢(shì)特征，但由于在S-G方法中存在負(fù)權(quán)值，一些較小的波谷和波峰是在主峰之后產(chǎn)生的，導(dǎo)致S-G在有異常的實(shí)時(shí)位移、速率濾波時(shí)表現(xiàn)不佳。文獻(xiàn)[63]提出一種基于樣本崩潰點(diǎn)的自適應(yīng)滑動(dòng)窗口方法用于處理GNSS滑坡監(jiān)測(cè)序列，基于模擬和真實(shí)滑坡監(jiān)測(cè)結(jié)果表明該方法能夠?yàn)镚NSS滑坡預(yù)警提供自適應(yīng)、可靠的變形信息。

多路徑是復(fù)雜場(chǎng)景GNSS高精度定位的主要誤差源，恒星日濾波(sidereal filtering，SF)是削弱多路徑誤差的有效技術(shù)，受到廣泛研究與應(yīng)用[64]。文獻(xiàn)[65]提出一種基于單差觀測(cè)值的恒星日濾波算法，相比坐標(biāo)域改正具有更好的效果。文獻(xiàn)[66]研究了GNSS靜態(tài)觀測(cè)環(huán)境下基于時(shí)空重復(fù)性的多路徑半球改正模型(MHM)和恒星日濾波(SF)/改進(jìn)的恒星日濾波(ASF)方法，并比較了它們?cè)趯?shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)處理中多路徑縮減方面的性能。比較表明，ASF模型更適用于高頻多徑抑制，如高速率GNSS應(yīng)用。當(dāng)總體多路徑頻率為中低頻時(shí)，MHM模型更容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多路徑緩解。文獻(xiàn)[67]提出交叉驗(yàn)證Vondrak濾波方法，該方法包括Vondrak數(shù)值濾波和交叉驗(yàn)證算法，并成功應(yīng)用于GPS測(cè)量中的多徑誤差消除，具有良好的精度。文獻(xiàn)[68]利用恒星日濾波法提取GNSS誤差趨勢(shì)項(xiàng)以修正相鄰2 d的定位誤差，將復(fù)雜場(chǎng)景RTK水平和高程定位精度分別提升至優(yōu)于2.5 mm和5 mm。文獻(xiàn)[69—71]還研究了自適應(yīng)濾波、改進(jìn)粒子濾波算法、獨(dú)立成分分析、小波變換等，均能不同程度地降低多路徑引起的殘差。

1.4 GNSS多源融合監(jiān)測(cè)技術(shù)

上述高精度定位算法極大地提升了復(fù)雜場(chǎng)景下的定位精度，同時(shí)多頻多模系統(tǒng)也給GNSS滑坡監(jiān)測(cè)提供了更多的衛(wèi)星數(shù)，可以改善衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)，但是多頻多模定位需要處理包括系統(tǒng)間偏差、頻間偏差等一系列新的偏差參數(shù)。此外，任何一種單一信號(hào)體制的滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)都有其局限性和適用性，GNSS相比InSAR等空天遙感技術(shù)具有高時(shí)間分辨率的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在只能獲取點(diǎn)狀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)范圍小等不足，相比光纖傳感、位移計(jì)等在復(fù)雜場(chǎng)景下穩(wěn)健性低。

滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)邁向多源傳感融合監(jiān)測(cè)是技術(shù)發(fā)展的必然，根據(jù)GNSS與多源傳感技術(shù)融合機(jī)理可以將GNSS融合技術(shù)劃分為3個(gè)層次：協(xié)同、集成、融合[72]。協(xié)同是指GNSS技術(shù)與多源技術(shù)合作完成一項(xiàng)任務(wù)，如GNSS與航空航天遙感協(xié)同實(shí)現(xiàn)滑坡的識(shí)別監(jiān)測(cè)[73]。集成是指將GNSS與多源傳感器從設(shè)備或者平臺(tái)層面集成在一起實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)新的功能，如GNSS與慣性傳感器(inertial sensor，INS)等的集成[74]。融合是指GNSS與多源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的融合，如GNSS和加速度計(jì)等數(shù)據(jù)的融合處理[75]。

GNSS和微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro mechanical system，MEMS)融合建立了更加可靠的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和模型，已廣泛應(yīng)用于大橋、高層建筑物健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中[76]。慣性傳感器的數(shù)據(jù)采集不受外界環(huán)境干擾，短時(shí)精度高，與GNSS交叉驗(yàn)證能提升監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性；加速度計(jì)(100～200 Hz)比GNSS(1～20 Hz)具有更高的采樣率，可以敏感到地表的高頻帶振動(dòng)特性，兩者能夠形成良好的補(bǔ)充。文獻(xiàn)[77]提出了一種GNSS/加速度計(jì)融合模型來(lái)估計(jì)地表高頻位移變化。文獻(xiàn)[78—79]針對(duì)加速度計(jì)的基線漂移現(xiàn)象，提出了經(jīng)驗(yàn)改正和參數(shù)估計(jì)的方法來(lái)削弱該因素對(duì)監(jiān)測(cè)精度的影響，另外還分析了多系統(tǒng)GNSS與加速度融合模型在緩變位移監(jiān)測(cè)中的有效性。

提升GNSS在復(fù)雜場(chǎng)景的可用性和可靠性，是確保GNSS滑坡預(yù)警成功的關(guān)鍵。GNSS滑坡監(jiān)測(cè)是一個(gè)跨技術(shù)、全流程的實(shí)現(xiàn)過(guò)程(圖2)，從數(shù)據(jù)接收、解算、精度提升等整個(gè)過(guò)程進(jìn)行整體數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，才能確保GNSS實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可用性和可靠性。

圖2 GNSS滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程Fig.2 The process of GNSS landslide monitoring and early warning

2 GNSS滑坡預(yù)警技術(shù)

本文根據(jù)多年從事GNSS滑坡預(yù)警工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)GNSS單體滑坡預(yù)警進(jìn)行定義、分類，并介紹GNSS預(yù)警相關(guān)的研究進(jìn)展。預(yù)警是GNSS滑坡監(jiān)測(cè)的根本目的，具有拯救生命、減少財(cái)產(chǎn)損失的重要意義[80]。GNSS滑坡預(yù)警是采用單一GNSS監(jiān)測(cè)信息或者結(jié)合其他多源傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)預(yù)警理論模型綜合分析確定滑坡隱患風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并將告警信息發(fā)送給受滑坡威脅的群眾及負(fù)責(zé)人員，以便采取災(zāi)害應(yīng)急避險(xiǎn)、撤離等措施，最大化保證人員安全、降低財(cái)產(chǎn)損失。

滑坡最直接的外在表現(xiàn)是地裂縫等變形，且變形是反映滑坡?tīng)顟B(tài)穩(wěn)定性的諸多指標(biāo)中比較容易監(jiān)測(cè)的指標(biāo)，因此基于變形的滑坡預(yù)警一直是研究的熱點(diǎn)[81]。GNSS滑坡位移具有包括累計(jì)變形在內(nèi)更豐富的信息，針對(duì)單體滑坡的GNSS預(yù)警技術(shù)可以分為滑坡位移預(yù)測(cè)、臨滑時(shí)間預(yù)報(bào)和預(yù)警實(shí)施。

2.1 滑坡位移預(yù)測(cè)

滑坡位移預(yù)測(cè)是采用一定的數(shù)學(xué)方法，對(duì)滑坡歷史監(jiān)測(cè)曲線進(jìn)行擬合后合理外推未來(lái)一段時(shí)間的滑坡位移。滑坡位移的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)和預(yù)警實(shí)施的重要前提。文獻(xiàn)[82]于1965年首次提出滑坡蠕滑破壞理論，認(rèn)為滑坡從發(fā)育到破壞經(jīng)歷3個(gè)特征階段，如圖3所示。由于假定滑坡不受外界因素干擾，變形完全遵循三階段特征規(guī)律，則滑坡位移監(jiān)測(cè)曲線呈現(xiàn)規(guī)律的線性變化。

圖3 滑坡蠕滑破壞三階段位移曲線Fig.3 Three-stage displacement curve of landslide creep failure

誘發(fā)滑坡的因素主要有地震、水和人類活動(dòng)，地震預(yù)測(cè)技術(shù)尚不成熟，人類工程活動(dòng)難以量化監(jiān)測(cè)，目前的位移預(yù)測(cè)研究主要集中于水作用下的滑坡變形。我國(guó)三峽庫(kù)區(qū)存在大量受降雨和庫(kù)水位作用而產(chǎn)生的階躍型滑坡。階躍型滑坡分布范圍廣、數(shù)量多，其位移監(jiān)測(cè)曲線不再表現(xiàn)為經(jīng)典的三階段特征，近年來(lái)針對(duì)此類滑坡產(chǎn)生大量的位移預(yù)測(cè)理論方法。文獻(xiàn)[83]采用灰色模型和自回歸模型分別對(duì)分離后的滑坡位移趨勢(shì)項(xiàng)和周期項(xiàng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[84]利用主成分分析法提取滑坡位移誘發(fā)因素影響特征，構(gòu)建出粒子群算法優(yōu)化的協(xié)同滑坡預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[85]提出一種基于多元混沌模型和極限學(xué)習(xí)機(jī)的滑坡位移預(yù)測(cè)模型用于水庫(kù)滑坡位移預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[86]采用三次多項(xiàng)式函數(shù)預(yù)測(cè)滑坡位移趨勢(shì)項(xiàng)，利用LSTM(long short-term memory)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)滑坡位移周期項(xiàng)。文獻(xiàn)[87]考慮地下水位變化的滯后效應(yīng)，提出了一種基于支持向量機(jī)的混合機(jī)器學(xué)習(xí)位移預(yù)測(cè)模型，對(duì)滑坡陡增位移進(jìn)行預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[88]采用GNSS位移數(shù)據(jù)、降雨量數(shù)據(jù)和庫(kù)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)滯互相關(guān)分析，確定出時(shí)滯參數(shù)并建立了時(shí)滯GM(1，3)預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[89—91]連續(xù)提出了3種較好的階躍型滑坡位移預(yù)測(cè)方法：水循環(huán)算法(WCA)與極限學(xué)習(xí)機(jī)(ELM)相結(jié)合的預(yù)測(cè)模型；水循環(huán)算法優(yōu)化BPNN動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型；基于門控遞歸單元(GRU)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型。研究采用三峽庫(kù)區(qū)滑坡數(shù)據(jù)，比較分析了上述3種算法與SVM模型、反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、BPNN模型和ELM模型的預(yù)測(cè)效果，新模型具有更好的預(yù)測(cè)效果?；略陂L(zhǎng)期的變形過(guò)程中，其位移方向和大小都表現(xiàn)出很強(qiáng)的趨勢(shì)性，這對(duì)于滑坡位移測(cè)預(yù)測(cè)是非常有利的，因此基于滑坡長(zhǎng)期位移序列進(jìn)行滑坡短期位移預(yù)測(cè)的理論方法已經(jīng)成熟。但是滑坡變形過(guò)程中還可能表現(xiàn)出難以預(yù)料的波動(dòng)性，這是滑坡位移預(yù)測(cè)的難點(diǎn)。

2.2 臨滑時(shí)間預(yù)報(bào)

臨滑時(shí)間預(yù)報(bào)指滑坡發(fā)育演化至加速變形階段，滑坡體變形破壞特征明顯時(shí)對(duì)滑坡發(fā)生最終失穩(wěn)破壞的時(shí)間做出預(yù)報(bào)[92]。本質(zhì)上說(shuō)臨滑時(shí)間預(yù)報(bào)是滑坡位移預(yù)測(cè)的延伸，所不同的是滑坡位移預(yù)測(cè)追求的是預(yù)測(cè)位移與實(shí)際位移誤差最小，而臨滑時(shí)間預(yù)報(bào)追求的是預(yù)報(bào)的滑坡發(fā)生時(shí)間和實(shí)際時(shí)間上的誤差最小。臨滑時(shí)間預(yù)報(bào)是滑坡災(zāi)害應(yīng)急處置措施的重要依據(jù)，目前最可靠的預(yù)報(bào)參數(shù)還是滑坡位移及由其計(jì)算得出的其他參數(shù)，其主要理論依然是滑坡破壞前的位移可以用蠕變曲線來(lái)描述[93]。

文獻(xiàn)[94—95]首次采用一種從二次蠕變曲線預(yù)測(cè)邊坡破壞剩余時(shí)間的方法，預(yù)報(bào)了日本高場(chǎng)山滑坡，此后滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)研究受到廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[96]提出利用速度倒數(shù)預(yù)測(cè)滑坡失穩(wěn)時(shí)間的方法，并在速度倒數(shù)-時(shí)間曲線圖上作圖預(yù)測(cè)滑坡失穩(wěn)時(shí)間。文獻(xiàn)[97]對(duì)基于位移或應(yīng)變的速度倒數(shù)法預(yù)測(cè)滑坡的有效性進(jìn)行了對(duì)比，提出了基于斜率預(yù)測(cè)滑坡破壞時(shí)間的方法。文獻(xiàn)[98]基于摩擦學(xué)理論提出一種GM(1，1)時(shí)間預(yù)報(bào)模型。文獻(xiàn)[99]研究得出齋藤時(shí)間預(yù)報(bào)模型的變形計(jì)算選取切線角70°～75°更為合適，同時(shí)引入修正系數(shù)0.5修正了預(yù)報(bào)值，該方法采用黑方臺(tái)多次滑坡變形數(shù)據(jù)驗(yàn)證了有效性。文獻(xiàn)[100]將邊坡破壞時(shí)間預(yù)測(cè)的不確定性分為觀測(cè)不確定性和模型不確定性，基于極大似然原理評(píng)估觀測(cè)不確定性對(duì)邊坡失穩(wěn)時(shí)間預(yù)測(cè)的影響，提出了一種預(yù)測(cè)邊坡失穩(wěn)時(shí)間的概率密度函數(shù)的方法，為合理決策提供更多信息。文獻(xiàn)[101]基于文獻(xiàn)[96]理論，提出一種預(yù)測(cè)滑坡破壞時(shí)間的改進(jìn)型速度倒數(shù)法，通過(guò)對(duì)5個(gè)滑坡進(jìn)行分析，表明該方法可以降低滑坡失穩(wěn)破壞前加速度減小引起的預(yù)測(cè)誤差。其他學(xué)者也對(duì)滑坡失穩(wěn)時(shí)間預(yù)報(bào)進(jìn)行了大量研究，大多數(shù)臨滑時(shí)間預(yù)報(bào)的理論方法都是位移斜率和速度倒數(shù)方法的補(bǔ)充和發(fā)展，并未在實(shí)際滑坡應(yīng)用中得到普及和認(rèn)可[102]?；率且粋€(gè)內(nèi)部難以監(jiān)測(cè)、外部誘因多樣的復(fù)雜系統(tǒng)，發(fā)育過(guò)程具有復(fù)雜性和不確定性，臨滑時(shí)間預(yù)報(bào)的理論研究至今仍是世界性難題。

2.3 預(yù)警實(shí)施

預(yù)警實(shí)施包括5部分：①預(yù)警等級(jí)劃分；②預(yù)警模型構(gòu)建；③預(yù)警閾值判據(jù)建立；④預(yù)警信息發(fā)布；⑤預(yù)警處置措施響應(yīng)。我國(guó)按照滑坡災(zāi)害的發(fā)展階段、緊急程度、不穩(wěn)定發(fā)展趨勢(shì)和可能造成的危害程度等將預(yù)警劃分為4個(gè)等級(jí)，一級(jí)(紅色)為最高級(jí)別程度的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，四級(jí)(藍(lán)色)為最低級(jí)別程度的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。基于GNSS長(zhǎng)時(shí)間位移監(jiān)測(cè)序列可以求得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速度、加速度、切線角、速度倒數(shù)和位移矢量角等參數(shù)，依據(jù)上述參數(shù)可以建立預(yù)警模型，預(yù)警模型和預(yù)警等級(jí)對(duì)應(yīng)劃分出不同等級(jí)的預(yù)警判據(jù)取值范圍。當(dāng)滑坡變形超過(guò)相應(yīng)的預(yù)警判據(jù)閾值時(shí)觸發(fā)預(yù)警信息發(fā)布。相關(guān)人員接收到預(yù)警信息后，根據(jù)對(duì)應(yīng)預(yù)警等級(jí)采取處置措施。

文獻(xiàn)[103]通過(guò)將時(shí)間序列曲線進(jìn)行同量綱變化確保了切線角的唯一性，并提出一種滑坡預(yù)警判據(jù)，進(jìn)一步將滑坡加速變形過(guò)程定量細(xì)分為3個(gè)亞階段，該方法在我國(guó)多個(gè)滑坡預(yù)警工作中得到了應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)多起滑坡的預(yù)警。

盡管目前在滑坡位移預(yù)測(cè)、臨滑時(shí)間預(yù)報(bào)方面已產(chǎn)出大量的理論成果，但是在滑坡最終失穩(wěn)破壞預(yù)警方面能成功進(jìn)行預(yù)警實(shí)踐的案例占比依然較少。一方面基于現(xiàn)有認(rèn)識(shí)可以認(rèn)為不存在針對(duì)所有滑坡統(tǒng)一適用的單個(gè)預(yù)警模型；另一方面也要認(rèn)識(shí)到，在已開(kāi)展監(jiān)測(cè)的滑坡中能夠發(fā)展到最終失穩(wěn)破壞的滑坡數(shù)量是有限的，原因是部分處于監(jiān)測(cè)的滑坡會(huì)在最終失穩(wěn)破壞前得到治理，并且大多數(shù)由人類工程活動(dòng)引起的滑坡可能在人類活動(dòng)停止后逐漸趨于穩(wěn)定。最后，盡管每年發(fā)展到最終失穩(wěn)破壞的滑坡數(shù)量多，但是許多發(fā)展到最終失穩(wěn)破壞的滑坡在發(fā)生破壞前是未被識(shí)別與監(jiān)測(cè)的，因此學(xué)者們能夠進(jìn)行滑坡失穩(wěn)破壞成功預(yù)警實(shí)踐的機(jī)會(huì)非常難得。

滑坡預(yù)警是一件非常專業(yè)的工作，精準(zhǔn)的滑坡預(yù)警有時(shí)甚至需要根據(jù)宏觀跡象結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行專家級(jí)綜合研判。這就要求預(yù)警人員既要具有監(jiān)測(cè)技術(shù)專業(yè)背景、擁有預(yù)警理論知識(shí)儲(chǔ)備，同時(shí)也了解野外實(shí)際情況，但現(xiàn)狀是從事預(yù)警實(shí)踐的人員很難同時(shí)兼?zhèn)溥@些能力[104]。2019年長(zhǎng)安大學(xué)采用GNSS成功預(yù)警一起甘肅黑方臺(tái)滑坡災(zāi)害[28]，本次預(yù)警是一次監(jiān)測(cè)技術(shù)專業(yè)背景、預(yù)警理論知識(shí)儲(chǔ)備和野外實(shí)際情況相結(jié)合后的成功預(yù)警實(shí)踐。

3 面臨挑戰(zhàn)及技術(shù)展望

伴隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向著更廣闊的邊遠(yuǎn)山區(qū)快速發(fā)展，以川藏鐵路為代表的國(guó)家重大戰(zhàn)略工程面臨滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的直接威脅，盡管GNSS已經(jīng)成為滑坡監(jiān)測(cè)中廣泛采用的監(jiān)測(cè)技術(shù)之一，但是GNSS滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)在環(huán)境更加復(fù)雜的新場(chǎng)景仍然面臨著諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

3.1 面臨的主要挑戰(zhàn)

(1) 終端設(shè)備研制挑戰(zhàn)。GNSS為高精度“點(diǎn)”狀監(jiān)測(cè)技術(shù)，必須構(gòu)建一定的GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡整體的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，當(dāng)前GNSS滑坡監(jiān)測(cè)設(shè)備單臺(tái)成本已小于5000元，但是成本依然是制約GNSS滑坡大范圍布網(wǎng)監(jiān)測(cè)的主要瓶頸。同時(shí)GNSS設(shè)備功耗高、不智能，野外滑坡監(jiān)測(cè)時(shí)24 h連續(xù)運(yùn)行，采用太陽(yáng)能供電很難保證連續(xù)陰雨天氣下不斷電[105]。

(2) 設(shè)備部署挑戰(zhàn)。目前滑坡監(jiān)測(cè)是通過(guò)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)部署設(shè)備，這在高位遠(yuǎn)程滑坡和應(yīng)急高?；?簡(jiǎn)稱“高危高位滑坡”)場(chǎng)景下存在設(shè)備部署難的問(wèn)題。高位遠(yuǎn)程滑坡是指位于高山峽谷地帶位置較高地勢(shì)陡峻的滑坡體，具有滑動(dòng)距離遠(yuǎn)、造成危害大的顯著特征，廣泛分布于我國(guó)西藏、四川、云南等省份，此類滑坡災(zāi)害存在人工難以到達(dá)，監(jiān)測(cè)設(shè)備部署不上去的問(wèn)題[106]。應(yīng)急高?；轮柑幱诜浅２环€(wěn)定狀態(tài)，因應(yīng)急搶險(xiǎn)或保障居民安全而亟須部署設(shè)備開(kāi)展監(jiān)測(cè)的滑坡體，該類滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性差、失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)大，人員現(xiàn)場(chǎng)施工安裝生命無(wú)保障。當(dāng)前高危高位滑坡缺少無(wú)人化部署的接觸式滑坡監(jiān)測(cè)設(shè)備及技術(shù)。

(3) 復(fù)雜場(chǎng)景高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)挑戰(zhàn)。由于實(shí)時(shí)預(yù)警的需要，目前主流的GNSS滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)為采用RTK技術(shù)進(jìn)行單歷元實(shí)時(shí)解算，這使得滑坡監(jiān)測(cè)結(jié)果容易受到觀測(cè)噪聲和粗差的影響。隨著滑坡災(zāi)害普查防治范圍的逐年擴(kuò)大，GNSS面臨著更多遮擋、干擾嚴(yán)重的復(fù)雜場(chǎng)景，直接影響到RTK技術(shù)的定位精度。定位精度決定GNSS可以探測(cè)到的最小滑坡變形，只有當(dāng)定位精度優(yōu)于滑坡變形時(shí)才能探測(cè)出微小變形，因此復(fù)雜場(chǎng)景下GNSS面臨實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測(cè)挑戰(zhàn)[107]。

(4) GNSS滑坡監(jiān)測(cè)完好性挑戰(zhàn)。GNSS滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警事關(guān)生命安全，必須保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性，但是復(fù)雜場(chǎng)景下由于部分誤差識(shí)別不了、剔除不凈、無(wú)法改正，使得載波相位模糊度不能快速收斂和正確求解，導(dǎo)致GNSS監(jiān)測(cè)時(shí)間序列頻繁出現(xiàn)“尖刺”類跳變問(wèn)題，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性受到嚴(yán)重質(zhì)疑。完好性最初應(yīng)用于飛機(jī)進(jìn)近這種對(duì)安全有極高要求的領(lǐng)域，是指導(dǎo)航系統(tǒng)因故無(wú)法用于導(dǎo)航和定位，或者定位結(jié)果不可靠時(shí)，系統(tǒng)向用戶及時(shí)發(fā)出報(bào)警，以保障用戶安全的重要參數(shù)。目前GNSS滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域的完好性研究尚處空白，對(duì)GNSS技術(shù)開(kāi)展完好性監(jiān)測(cè)迫在眉睫。

(5) 滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)警挑戰(zhàn)。準(zhǔn)確的滑坡預(yù)警意義重大，滑坡預(yù)警中出現(xiàn)的誤報(bào)和漏報(bào)可能造成嚴(yán)重的社會(huì)影響，因此滑坡預(yù)警是一件需要嚴(yán)肅慎重對(duì)待的事情?；伦冃螐谋举|(zhì)上是一個(gè)復(fù)雜多變的地質(zhì)力學(xué)過(guò)程，在其發(fā)育演化過(guò)程中隨時(shí)可能受到不穩(wěn)定因素影響?，F(xiàn)有的預(yù)警模型很難顧及所有誘發(fā)因素，因此對(duì)于某一個(gè)滑坡預(yù)警效果較好的模型方法，在其他滑坡使用時(shí)存在滑坡位移預(yù)測(cè)和臨滑時(shí)間預(yù)報(bào)模型失效的可能。不同滑坡由于本身巖性、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)和地形地貌不同，其演化的內(nèi)在機(jī)理迥異且事前難以完全掌握，導(dǎo)致滑坡預(yù)警時(shí)無(wú)法有效結(jié)合滑坡演化的內(nèi)在機(jī)理，而僅采用滑坡外在變形信息無(wú)法保障滑坡預(yù)警的可靠性。因此，目前滑坡臨滑預(yù)警依然存在難以精準(zhǔn)可靠預(yù)報(bào)的問(wèn)題。

3.2 未來(lái)技術(shù)展望

GNSS滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)要想實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，必須突破上述技術(shù)瓶頸，從設(shè)備研制、部署監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、完好性和預(yù)警5個(gè)方面出發(fā)，系統(tǒng)性地解決困擾當(dāng)前GNSS在滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警中不好用的系列難題，最終構(gòu)建一套GNSS滑坡災(zāi)害綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 GNSS滑坡災(zāi)害綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)體系Fig.4 The technology system of GNSS comprehensive monitoring and early warning for landslide disaster

(1) GNSS多傳感智能滑坡采集技術(shù)。滑坡最終加速失穩(wěn)破壞前具有長(zhǎng)期變形緩慢的特性，即使在不可預(yù)料的誘發(fā)因素作用下發(fā)生狀態(tài)突變，也會(huì)通過(guò)加速度、震動(dòng)等形式表現(xiàn)出來(lái)。根據(jù)這一特點(diǎn)研發(fā)集成滑坡?tīng)顟B(tài)感知傳感器(加速度計(jì)、MEMS、微震、傾角)的GNSS多傳感智能采集設(shè)備，利用滑坡?tīng)顟B(tài)感知傳感器感知滑坡突變和突發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡災(zāi)害體的自適應(yīng)智能變頻監(jiān)測(cè)。該技術(shù)不僅有望大幅降低設(shè)備功耗與成本，避免GNSS海量冗余觀測(cè)數(shù)據(jù)占用過(guò)多存儲(chǔ)資源，獲取的多傳感數(shù)據(jù)還可以為GNSS高精度監(jiān)測(cè)提供支撐。

(2) GNSS無(wú)人化部署技術(shù)。針對(duì)高危高位滑坡接觸式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)手段缺失的問(wèn)題，長(zhǎng)安大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出利用無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程部署GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備[108]。團(tuán)隊(duì)擬綜合利用北斗導(dǎo)航、無(wú)人機(jī)、自組網(wǎng)通信、智能控制、先進(jìn)遙感、多傳感器等高新技術(shù)，在滑坡災(zāi)害區(qū)域使用勘查無(wú)人機(jī)先行檢視巡點(diǎn)，然后利用投放無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程快速投放部署GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備。目前該技術(shù)在我國(guó)甘肅黑方臺(tái)滑坡、三峽新鋪滑坡和西藏白格滑坡進(jìn)行了試驗(yàn)性部署研究。未來(lái)，利用先進(jìn)機(jī)器人、視覺(jué)技術(shù)等有望進(jìn)一步推動(dòng)GNSS無(wú)人化部署新技術(shù)的發(fā)展和完善，實(shí)現(xiàn)GNSS從有人部署到無(wú)人部署的技術(shù)變革。

(3) GNSS滑坡高精度監(jiān)測(cè)技術(shù)。GNSS和MEMS等多源數(shù)據(jù)融合處理、低軌衛(wèi)星增強(qiáng)GNSS定位、大區(qū)域大高差下的網(wǎng)絡(luò)RTK、GNSS遙感和導(dǎo)航與遙感融合等技術(shù)，將是未來(lái)GNSS滑坡高精度監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的重點(diǎn)[109]。相比GNSS等中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星，低軌星座軌道低、地面接收信號(hào)強(qiáng)、衛(wèi)星分布的空間幾何結(jié)構(gòu)變化快，有利于獲取信號(hào)較強(qiáng)、質(zhì)量較好的衛(wèi)星定位信號(hào)[110-111]。中高軌的GNSS星座聯(lián)合低軌衛(wèi)星，有利于改善衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu)，提升GNSS在復(fù)雜場(chǎng)景的模糊度收斂速度和定位精度。此外高位遠(yuǎn)程滑坡場(chǎng)景下，GNSS基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站之間高差較大(大于1000 m)使得水汽誤差不相關(guān)，當(dāng)高差大于500 m時(shí)GNSS水汽誤差便難以通過(guò)差分進(jìn)行消除，在滑坡監(jiān)測(cè)大高差下，通過(guò)建立大高差監(jiān)測(cè)場(chǎng)景下基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站之間的水汽差值模型，修正GNSS差分定位中存在的水汽誤差也是下一步的研究方向[112]。

(4) GNSS滑坡監(jiān)測(cè)完好性技術(shù)。未來(lái)GNSS滑坡監(jiān)測(cè)完好性可以從內(nèi)部完好性和外部完好性兩方面開(kāi)展研究，內(nèi)部完好性主要指從GNSS技術(shù)本身定位信號(hào)的接收、預(yù)處理、解算、結(jié)果檢驗(yàn)等全流程進(jìn)行完好性監(jiān)測(cè)，外部完好性指利用滑坡變形特征約束、融合加速度計(jì)等多源傳感器以監(jiān)測(cè)GNSS完好性，彌補(bǔ)GNSS單一信號(hào)體制技術(shù)在功能和精度方面的不足，提高GNSS技術(shù)的可靠性。

(5) 基于大數(shù)據(jù)和人工智能的綜合滑坡預(yù)警技術(shù)。未來(lái)建立一個(gè)用于GNSS和多源傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、解算、分析等功能于一體的滑坡綜合預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)滑坡預(yù)警模型的及時(shí)更新，以及公有網(wǎng)絡(luò)上和滑坡預(yù)警相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)資源的及時(shí)抓取。利用云平臺(tái)大數(shù)據(jù)和人工智能深入挖掘誘發(fā)滑坡的致災(zāi)因素與滑坡災(zāi)變演化內(nèi)在機(jī)理的聯(lián)系，掌握滑坡形成過(guò)程，建立基于滑坡災(zāi)變機(jī)理的趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法、預(yù)警判據(jù)和模型。保證滑坡預(yù)警擁有完備的理論支撐和技術(shù)體系保障，實(shí)現(xiàn)滑坡預(yù)警的精準(zhǔn)化、智能化、數(shù)字化和科學(xué)化[113]。

4 結(jié) 語(yǔ)

GNSS滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)歷經(jīng)30余年的長(zhǎng)足發(fā)展，目前已經(jīng)成為融合衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)人機(jī)、自組網(wǎng)通信、智能控制、先進(jìn)遙感等眾多學(xué)科理論與技術(shù)的研究領(lǐng)域。當(dāng)前隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向著更偏遠(yuǎn)的復(fù)雜山區(qū)拓展，現(xiàn)實(shí)需求對(duì)GNSS技術(shù)提出“設(shè)備普適智能，技術(shù)穩(wěn)定可靠，預(yù)警快速精準(zhǔn)”的高要求。

本文梳理了GNSS滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的進(jìn)展與存在問(wèn)題。未來(lái)GNSS滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)亟待攻堅(jiān)克難，攻關(guān)以下研究方向：GNSS多傳感智能滑坡采集技術(shù)、GNSS無(wú)人化部署監(jiān)測(cè)技術(shù)、多源數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)RTK滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)、GNSS滑坡監(jiān)測(cè)完好性技術(shù)、低軌衛(wèi)星增強(qiáng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、基于云平臺(tái)大數(shù)據(jù)和人工智能的綜合滑坡預(yù)警技術(shù)等。上述技術(shù)的不斷突破，將推進(jìn)復(fù)雜場(chǎng)景GNSS滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、可用性和可靠性，預(yù)警技術(shù)的自動(dòng)化、智能化和精準(zhǔn)化。