基于區(qū)域參考框架的GNSS滑坡監(jiān)測(cè)

王國(guó)權(quán)，鮑 艷

1. 休斯頓大學(xué)地球與大氣科學(xué)系, 休斯頓 77024; 2. 北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100124

近20年來(lái)，基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的高精度定位技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、地面沉降、活斷層、火山及地震等)的觀測(cè)和監(jiān)測(cè)研究中，GNSS觀測(cè)技術(shù)已發(fā)展成為滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)的新興技術(shù)手段之一。GNSS包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo、中國(guó)的北斗(BeiDou)及其他區(qū)域的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前GNSS在滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要局限于對(duì)小規(guī)模滑坡的短期(幾天至幾個(gè)月)監(jiān)測(cè)，在滑坡長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)(幾年至數(shù)十年)領(lǐng)域還未得到廣泛的應(yīng)用，其中一個(gè)主要原因是缺乏穩(wěn)定的區(qū)域參考框架。區(qū)別于短期的GNSS位移(形變)觀測(cè)，長(zhǎng)期的位移觀測(cè)需要一個(gè)在時(shí)間和空間上連續(xù)的、穩(wěn)定的基準(zhǔn)，即穩(wěn)定參考框架。建立參考框架需要積累長(zhǎng)期的(5年或更長(zhǎng))、連續(xù)的、大面積的地殼形變觀測(cè)數(shù)據(jù)，并非一朝一夕之功[1-3]。

高精度的GNSS定位并不保證得到可靠的滑坡穩(wěn)定性評(píng)判結(jié)果。在滑坡災(zāi)害長(zhǎng)期觀測(cè)和監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)踐中，決策者最關(guān)心的通常是觀測(cè)點(diǎn)的位置隨時(shí)間變化的速度，即場(chǎng)地速度。場(chǎng)地速度的精度和可靠度在很大程度上取決于所選用的參考框架。由GNSS解算得到的觀測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)通常與定義衛(wèi)星軌道位置的全球參考框架對(duì)齊。在全球參考框架下，觀測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)地速度由該點(diǎn)所在地殼塊體(板塊)的長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)所主導(dǎo)，短期的、每年毫米級(jí)的場(chǎng)地速度通常會(huì)被每年厘米級(jí)的板塊運(yùn)動(dòng)掩蓋或夸大。GNSS連續(xù)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)(CORS)通常被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高精度區(qū)域大地變形監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)硬件。區(qū)域穩(wěn)定參考框架可視為實(shí)現(xiàn)高精度GNSS變形觀測(cè)的核心固件，也稱(chēng)“軟”硬件，源于硬件，置于軟件之中，在一個(gè)比較長(zhǎng)的時(shí)間窗口(5年或更長(zhǎng))內(nèi)保持穩(wěn)定。硬件(CORS)、固件(參考框架)和GNSS數(shù)據(jù)處理軟件三者共同構(gòu)建高精度區(qū)域大地變形觀測(cè)和滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的基礎(chǔ)設(shè)施。本文旨在介紹區(qū)域參考框架在滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 中國(guó)區(qū)域穩(wěn)定參考框架系列

近年來(lái)，我國(guó)的GNSS基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)(CMONOC)目前運(yùn)行約260臺(tái)連續(xù)GNSS觀測(cè)站[4](圖1)，絕大多數(shù)COMONOC臺(tái)站已有十年的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)(2011—2020年)。在過(guò)去的十年中，我國(guó)各級(jí)測(cè)繪、電力、交通、地震等相關(guān)部門(mén)和高校科研院所已經(jīng)安裝了數(shù)以千計(jì)的連續(xù)GNSS觀測(cè)站[5-7]。這些長(zhǎng)期運(yùn)行的連續(xù)GNSS觀測(cè)臺(tái)站，為在我國(guó)建立一系列區(qū)域參考框架積累了寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[8-11]。

基于地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)和早期的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[12]將我國(guó)大陸及鄰區(qū)劃分為6個(gè)一級(jí)活動(dòng)地塊區(qū)：青藏、西域、南華、滇緬、華北及東北亞，并進(jìn)一步劃分為22個(gè)二級(jí)活動(dòng)地塊?；顒?dòng)地塊是被晚新生代活動(dòng)構(gòu)造帶所分割和圍限的地質(zhì)單元?；顒?dòng)地塊的區(qū)劃主要基于地殼塊體的整體運(yùn)動(dòng)特征。穩(wěn)定參考框架基于區(qū)域地殼塊體的剛性假設(shè)，即假設(shè)地塊內(nèi)部各點(diǎn)之間的距離不隨時(shí)間而改變。絕對(duì)剛體實(shí)際上是不存在的，只是一種理想模型。受到地塊內(nèi)部斷層活動(dòng)、火山活動(dòng)、地面沉降等影響，地塊內(nèi)部往往經(jīng)歷復(fù)雜的地表形變，很難視為一個(gè)整體剛性塊體，但基于長(zhǎng)期的、大量的GNSS連續(xù)觀測(cè)結(jié)果，在活動(dòng)地塊內(nèi)部通常能夠找到一組相對(duì)靜止、覆蓋整個(gè)地塊的GNSS臺(tái)站(臺(tái)網(wǎng))(例如，各站點(diǎn)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度小于1 mm/a)。由這些相對(duì)獨(dú)立的觀測(cè)點(diǎn)可構(gòu)建一個(gè)“剛性骨架”模型，基于該剛性骨架，可建立一個(gè)穩(wěn)定的參照系，即“區(qū)域穩(wěn)定參考框架”，簡(jiǎn)稱(chēng)“區(qū)域參考框架”。建立區(qū)域參考框架的核心工作就是從大量的GNSS臺(tái)站中找到一組相對(duì)穩(wěn)定的臺(tái)站，即參考站。理論上，用3個(gè)參考站就能夠建立一個(gè)區(qū)域參考框架，但在實(shí)踐中，則盡可能多地選擇參考站，并且所選參考站盡可能均勻覆蓋整個(gè)研究地塊區(qū)。參考站的選取原則和建立區(qū)域參考框架的方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。

結(jié)合文獻(xiàn)[12]的活動(dòng)地塊劃分成果和長(zhǎng)期的GNSS觀測(cè)結(jié)果，筆者將我國(guó)大陸和海域初步劃分為7個(gè)“剛性骨架地塊”，簡(jiǎn)稱(chēng)“剛性地塊”(圖1)，擬建立覆蓋我國(guó)陸海全域的區(qū)域參考框架系列：東北參考框架、華北參考框架、華南參考框架、西北參考框架、青藏參考框架、川滇參考框架及南海參考框架。近年來(lái)先后建立了華北參考框架[14-15]、華南參考框架[16]和東北參考框架[17]。建立這3個(gè)區(qū)域參考框架所選用的參考站如圖1所示，剛性地塊邊界的厘定在上述文獻(xiàn)中有詳細(xì)的介紹。建立其他4個(gè)區(qū)域參考框架的工作正在準(zhǔn)備中。一般來(lái)講，活動(dòng)地塊邊緣往往受到地塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)的擠壓和剪切影響，其剛性比地塊內(nèi)部差。因此，在地塊之間預(yù)留了相當(dāng)寬的“地塊過(guò)渡帶”。例如，在東北地塊和華北地塊之間預(yù)留了寬約100 km的過(guò)渡帶，即河套斷陷帶和張家口-渤海斷裂帶[15,17]。華北穩(wěn)定參考框架已經(jīng)被應(yīng)用到北京昆侖大廈公寓的傾斜監(jiān)測(cè)與預(yù)警[18]、石家莊地鐵一號(hào)線下穿滹沱河引起的河底變形監(jiān)測(cè)[19]，以及天津地面沉降長(zhǎng)期觀測(cè)[20]等工程實(shí)踐中。

每個(gè)GNSS系統(tǒng)在定義衛(wèi)星軌道時(shí)都選用自己的全球參考系統(tǒng)，GNSS接收機(jī)記錄到的原始數(shù)據(jù)(衛(wèi)星與地面站之間的距離、衛(wèi)星軌道等)都與各GNSS系統(tǒng)的參考框架對(duì)齊。但是后期處理軟件在解算位置坐標(biāo)時(shí)，通常選用由國(guó)際GNSS組織(IGS)發(fā)布的、與最新IGS參考框架(當(dāng)前為IGS14)對(duì)齊的衛(wèi)星軌道產(chǎn)品。區(qū)域參考框架通常由IGS全球參考框架的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)，并隨全球參考框架的更新而更新。IGS有望在2022年前后更新當(dāng)前的全球參考框架(從IGS14更新到IGS20),我國(guó)區(qū)域參考框架系列也將做相應(yīng)的更新，實(shí)現(xiàn)從IGS20到區(qū)域參考框架的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

圖1 中國(guó)及周邊地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)(水平方向，2000—2020年)和“剛性地塊”區(qū)劃Fig.1 The site velocity field of crustal movements (horizontal, 2000—2020) in China and its surrounding areas and the zonation of “rigid frame blocks”

2 從全球參考框架到區(qū)域參考框架的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)系是參考框架的具體實(shí)現(xiàn)，因此，參考框架的轉(zhuǎn)換也稱(chēng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。建立區(qū)域參考框架，就是建立在全球參考框架下的XYZ坐標(biāo)位置與在區(qū)域參考框架下的XYZ坐標(biāo)位置之間的聯(lián)系，即確定轉(zhuǎn)換參數(shù)。本節(jié)扼要介紹從全球參考框架到區(qū)域參考框架的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。

實(shí)現(xiàn)區(qū)域參考框架的常用方法是經(jīng)典的Helmert方法，即將IGS14參考框架下的地心地固(ECEF)三維笛卡兒坐標(biāo)(XYZ)通過(guò)平移(Tx，Ty，Tz)、旋轉(zhuǎn)(Rx，Ry，Rz)和縮放(s)轉(zhuǎn)換到區(qū)域參考框架?；?個(gè)或更多基準(zhǔn)站在兩個(gè)參考框架下的XYZ坐標(biāo)，可以通過(guò)最小二乘法計(jì)算在該歷元的7個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。轉(zhuǎn)換長(zhǎng)期觀測(cè)得到的XYZ時(shí)間序列，則需要計(jì)算每天的7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)。解算每天的7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)需要收集和處理大量的參考站數(shù)據(jù)，并且需要評(píng)價(jià)每個(gè)參考站的穩(wěn)定性，解算過(guò)程也比較繁雜，因此單日7參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法目前主要應(yīng)用在研究領(lǐng)域，在滑坡和工程結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)實(shí)踐中應(yīng)用很少。Helmert轉(zhuǎn)換方法在本質(zhì)上是線性轉(zhuǎn)換，線性的位置時(shí)間序列經(jīng)Helmert坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后仍然保持線性，并且每個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)的時(shí)間序列也保持線性。在單日7參數(shù)轉(zhuǎn)換方法的基礎(chǔ)上，筆者提出了用7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)實(shí)現(xiàn)位置時(shí)間序列(XYZ,t)從全球參考框架到區(qū)域參考框架的轉(zhuǎn)換方法[13,15]

(1)

從本質(zhì)上講，區(qū)域參考框架的穩(wěn)定性(精度)由參考站所覆蓋地殼塊體的剛度來(lái)決定。在實(shí)踐中，通常使用參考站在區(qū)域參考框架下的場(chǎng)地速度的均方根(RMS)來(lái)評(píng)估該區(qū)域參考框架的穩(wěn)定性，也稱(chēng)參考框架的精度。華北和東北穩(wěn)定參考框架在水平方向的精度約為0.5 mm/a，在垂直方向約為0.6 mm/a[15,17]；華南穩(wěn)定參考框架的穩(wěn)定性則更好，在水平方向約為0.4 mm/a，在垂直方向約為0.5 mm/a[16]。在解釋低于1 mm/a的觀測(cè)點(diǎn)位移速度時(shí)，應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮速度估計(jì)值的可靠性(例如，95%置信區(qū)間)和參考框架的穩(wěn)定性。一般而言，地塊的整體剛度隨地塊面積的增大和時(shí)間跨度的延長(zhǎng)而降低，因此區(qū)域參考框架在時(shí)間上有其壽命，在空間上有其最佳適用范圍。筆者建議NChina20、NEChina20和SChina20的適用范圍在空間上限于各自對(duì)應(yīng)的剛性地塊區(qū)(圖1)，在時(shí)間上限于從2000—2025年約25 a的時(shí)間窗口。各區(qū)域參考框架在空間上的應(yīng)用范圍可擴(kuò)展到其周邊的地塊過(guò)渡帶，但在解釋GNSS記錄到的觀測(cè)點(diǎn)位移速度時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到地塊過(guò)渡帶內(nèi)的場(chǎng)地速度。受地塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，在地塊過(guò)渡帶內(nèi)，穩(wěn)定場(chǎng)地相對(duì)于區(qū)域參考框架的位移速度有可能大于1 mm/a[15-17]。

表1 實(shí)現(xiàn)華北、華南和東北穩(wěn)定參考框架的轉(zhuǎn)換參數(shù)

3 滑坡位移監(jiān)測(cè)

根據(jù)定位模式，從GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)中解算觀測(cè)點(diǎn)位置的方法可概括為相對(duì)定位和絕對(duì)定位方法。相對(duì)定位方法使用基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)載波相位二次差分計(jì)算參考站和監(jiān)測(cè)站之間的相對(duì)位置。相對(duì)定位方法在滑坡監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，但由于參考站的位移誤差將直接傳遞到觀測(cè)點(diǎn)，采用相對(duì)定位方法監(jiān)測(cè)滑坡需要同步評(píng)價(jià)參考站的穩(wěn)定性[21-22]。絕對(duì)定位方法在不使用地面參考站的情況下，根據(jù)單臺(tái)GNSS接收機(jī)所記錄的觀測(cè)信號(hào)和高精度衛(wèi)星軌道、鐘差及各種誤差修正模型來(lái)解算GNSS天線相位中心的準(zhǔn)確位置。精密單點(diǎn)定位(precise point positioning,PPP)就是一種典型的絕對(duì)定位方法，不需要地面參考站，避免了參考站的不穩(wěn)定性對(duì)觀測(cè)結(jié)果的干擾，同時(shí)也顯著降低了野外觀測(cè)的成本，在地質(zhì)災(zāi)害長(zhǎng)期觀測(cè)、監(jiān)測(cè)和預(yù)警實(shí)踐中有廣泛的應(yīng)用前景[23-24]。對(duì)于大型蠕動(dòng)滑坡(每年幾個(gè)毫米)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，筆者推薦用絕對(duì)定位方法處理GNSS數(shù)據(jù)，首先得到觀測(cè)點(diǎn)在全球參考框架下的坐標(biāo)位置，再轉(zhuǎn)換到區(qū)域參考框架下研究其穩(wěn)定性。對(duì)面積較小的單體滑坡監(jiān)測(cè)，可考慮在滑坡外圍布置參考站，用相對(duì)定位的方法解算滑坡相對(duì)于參考站的3方向位移，同時(shí)用絕對(duì)定位的方法監(jiān)測(cè)參考站在區(qū)域參考框架下的穩(wěn)定性。

3.1 隱伏滑坡的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)

滑坡隱患精準(zhǔn)識(shí)別一直是滑坡研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。隱伏滑坡指滑動(dòng)速度非常緩慢，一般在每年幾個(gè)毫米的水平，在常規(guī)的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中未被發(fā)現(xiàn)或確認(rèn)的緩慢滑坡。由于在工程選址時(shí)很難識(shí)別這類(lèi)滑坡，很有可能在其上修建大型建筑物，甚至安置整個(gè)城市。例如，因葛洲壩工程和三峽工程建設(shè)，位于湖北省的巴東縣城在20世紀(jì)80年代從現(xiàn)在的淹沒(méi)區(qū)往上搬遷到一個(gè)隱伏滑坡上，即后續(xù)研究證實(shí)的黃土坡滑坡[25]，當(dāng)時(shí)的地質(zhì)勘查和城市選址并未發(fā)現(xiàn)該處為一處隱伏滑坡。受到人類(lèi)活動(dòng)的影響，該滑坡的活動(dòng)性增加，滑坡風(fēng)險(xiǎn)隨著人口數(shù)量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提升而加劇，巴東縣城在2010年代不得不再次搬遷。筆者曾于2016—2018年期間在巴東縣城黃土坡一帶開(kāi)展GNSS滑坡監(jiān)測(cè)研究，由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有一個(gè)穩(wěn)定的、統(tǒng)一的參照系統(tǒng)，很難整合區(qū)域內(nèi)眾多研究機(jī)構(gòu)多年來(lái)在不同時(shí)期發(fā)表的基于不同觀測(cè)平臺(tái)、不同參照系統(tǒng)的滑坡觀測(cè)結(jié)果，很難對(duì)該滑坡的滑動(dòng)歷史和空間分布開(kāi)展長(zhǎng)期的、綜合的深入研究。

隱伏滑坡調(diào)查和識(shí)別對(duì)城市規(guī)劃和大型工程建設(shè)有重要意義。在實(shí)踐中，很難在幾年的時(shí)間窗口內(nèi)，在全球參考框架下識(shí)別每年幾個(gè)毫米的緩慢滑坡，區(qū)域穩(wěn)定參考框架則為識(shí)別和長(zhǎng)期追蹤隱伏滑坡提供了精確、連續(xù)的參照系。圖2(a)為華南地區(qū)兩個(gè)連續(xù)CORS站近8 a的3方向(NEU)位移時(shí)程，參考框架為全球參考框架IGS14。每個(gè)點(diǎn)代表由PPP方法解算得到的GNSS天線相位中心在24 h的平均位移，簡(jiǎn)稱(chēng)“單日解”。CORS臺(tái)網(wǎng)通過(guò)建設(shè)永久性連續(xù)運(yùn)行的GNSS臺(tái)站，為大地測(cè)量、工程建設(shè)、城市規(guī)劃、國(guó)土測(cè)繪、地籍管理、防災(zāi)減災(zāi)等多種現(xiàn)代化、信息化管理提供高精度的位置和時(shí)間信息，是區(qū)域空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。CORS臺(tái)站的選址，一般都遵循縝密的野外調(diào)查，嚴(yán)格排除滑坡等不穩(wěn)定場(chǎng)地。在該CORS臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行約5 a后，臺(tái)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)方逐漸認(rèn)識(shí)到CORS站REF1和其鄰近的REF2站的位移時(shí)間序列有一定的差別，但在全球參考框架下很難確切判定這兩個(gè)臺(tái)站所在場(chǎng)地的穩(wěn)定性。REF1和REF2之間的直線距離約135 km。圖2(b)為REF1和REF2在華南穩(wěn)定參考框架(SChina20)下的3方向位移時(shí)程，二者的差別很明顯。REF2記錄到的位移時(shí)間序列保持很好的線性(2011—2018年)，3方向場(chǎng)地速度小于1 mm/a，是一理想的CORS站；REF1則向東南方向運(yùn)動(dòng)，在2015年前后場(chǎng)地速度有明顯變化。REF1在2011—2014年的時(shí)間窗口內(nèi)向南運(yùn)動(dòng)的平均速度為(6.5±0.5)mm/a(±0.5為95%可信度)，向東運(yùn)動(dòng)的平均速度為(2.9±0.5)mm/a，向下運(yùn)動(dòng)的速度為(5.5±0.8)mm/a；自2015年以來(lái)，向南運(yùn)動(dòng)的速度減小到(2.2±0.5)mm/a，在東西方向相對(duì)于SChina20保持穩(wěn)定，沉降速度減小到(3.0±0.9)mm/a。估算GNSS場(chǎng)地速度及其可信度的方法參考文獻(xiàn)[26]。REF1位于山坡上，靠近山脊，在野外的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中，未發(fā)現(xiàn)可疑的斷層和滑坡活動(dòng)特征，在該地區(qū)的地質(zhì)和工程勘察文獻(xiàn)中也未找到在REF1場(chǎng)地附近有斷層和滑坡的記錄，筆者初步推測(cè)REF1位于一個(gè)隱伏滑坡上。沒(méi)有長(zhǎng)期的GNSS觀測(cè)，很難在野外識(shí)別每年幾個(gè)毫米的滑坡位移。美國(guó)的板塊邊界觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)(Plate Boundary Observational GNSS Network,PBO)也發(fā)生過(guò)將一個(gè)永久參考站(AC55)安裝到一個(gè)隱伏滑坡上的事故，該臺(tái)站在運(yùn)行4 a之后不得不拆除[27]。

圖2 滑坡位移時(shí)間序列在全球參考框架(IGS14)和區(qū)域參考框架(SChina20)下的比較和隱伏滑坡的識(shí)別Fig.2 Comparisons of the landslide displacement time series with respect to the global reference frame (IGS14) and the regional reference frame (SChina20), and the detection of a hidden landslide

3.2 滑坡初動(dòng)自動(dòng)識(shí)別

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)流傳輸、云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，GNSS實(shí)時(shí)定位技術(shù)已經(jīng)被成功應(yīng)用到滑坡災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)踐中[28-31]。由GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解算得到的3方向位移時(shí)間序列，簡(jiǎn)稱(chēng)位移流，已成為滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的主要信息流之一。評(píng)價(jià)GNSS位移流有3個(gè)主要指標(biāo)：時(shí)間延遲、穩(wěn)健性和精度。時(shí)間延遲指監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從GNSS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中解算得到位移解的時(shí)間和位移發(fā)生的時(shí)間之間的間隔。時(shí)間延遲制約著滑坡預(yù)警的時(shí)效性。對(duì)于蠕動(dòng)滑坡的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，可以用靜態(tài)定位的方法解算24 h的平均位移，根據(jù)監(jiān)測(cè)需要，時(shí)間延遲可控制到1 d；對(duì)于滑動(dòng)較快的滑坡，例如每天幾個(gè)毫米的位移，可根據(jù)需要解算每小時(shí)的平均位移，時(shí)間延遲可控制到1 h；對(duì)于已經(jīng)進(jìn)入臨滑或加速階段的滑坡，可以用動(dòng)態(tài)定位的方法解算每秒的位移，時(shí)間延遲可控制在幾秒到數(shù)分鐘。穩(wěn)健性主要指位移流的連續(xù)性和離群值的比例。位移時(shí)間序列中的離群值通常由設(shè)備臨時(shí)故障、野外觀測(cè)環(huán)境的突變(雷電、強(qiáng)降雨、臨時(shí)多路徑反射等)、數(shù)據(jù)傳輸不暢及軟件設(shè)計(jì)缺陷等因素產(chǎn)生。在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，一般很難將常規(guī)的離群值和實(shí)際的地面滑動(dòng)(位移突變)及時(shí)區(qū)分。識(shí)別位移突變是GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。精度指滑坡位移解在滑坡靜止或勻速滑動(dòng)時(shí)的可重復(fù)性，一般用位移時(shí)程的均方根誤差(RMSE)來(lái)評(píng)價(jià)位移的精度。GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)后處理得到的單日解的位移精度在水平方向一般優(yōu)于5 mm，在垂直方向優(yōu)于10 mm，1 h平均位移的精度在水平方向也能達(dá)到毫米級(jí)[23,32]。實(shí)時(shí)解算得到的位移時(shí)間序列的精度和穩(wěn)健度一般低于后處理解算得到的位移時(shí)間序列的精度和穩(wěn)健度，但隨著GNSS軟件和各種模型的完善、衛(wèi)星軌道和鐘差精度的提高、數(shù)據(jù)傳輸速度和容量的提升，GNSS實(shí)時(shí)處理和后處理結(jié)果之間的差別在逐步縮小。本節(jié)用中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)山西長(zhǎng)治站(SXCZ)記錄到的位移時(shí)間序列(單日解)來(lái)模擬實(shí)時(shí)位移流，例舉穩(wěn)定參考框架在滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用。在GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中使用區(qū)域參考框架的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要安裝參考站，因此也不需顧及參考站的穩(wěn)定性和運(yùn)行狀態(tài)。

圖3(a)為SXCZ臺(tái)記錄到的3方向位移時(shí)間序列，參考框架為NChina20。單日解由PPP方法解算得到。SXCZ記錄了由2011年日本大地震(Mw 9.1)產(chǎn)生的同震位移，在東西(EW)方向約為5 mm (向東)，在南北(NS)和垂直(UD)方向沒(méi)有GNSS可識(shí)別的同震位移。SXCZ在2013年7月記錄了一次快速滑動(dòng)事件，經(jīng)證實(shí)為由強(qiáng)降雨觸發(fā)的小面積滑坡[13]。根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)水平方向的運(yùn)動(dòng)軌跡(圖3(b))，該滑動(dòng)主要發(fā)生在7月13日—7月24日約12 d的時(shí)間窗口內(nèi)，向西北方向滑動(dòng)約2 cm，平均滑動(dòng)速度約為1.5 mm/d；在垂直方向沒(méi)有觀測(cè)到GNSS可識(shí)別的位移。SXCZ所在場(chǎng)地在這次快速滑動(dòng)之前保持每年約1.5 mm向北的蠕動(dòng)(1.5 mm/a),為一處隱伏滑坡，在當(dāng)初的臺(tái)站選址調(diào)查中沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。

圖3 山西長(zhǎng)治GNSS臺(tái)站(SXCZ)記錄的滑坡位移(PPP單日解)(參考框架為華北參考框架)Fig.3 Landslide movements recorded by GNSS station (SXCZ) located in Changzhi, Shanxi province, with respect to the North China Reference Frame (NChina20)

滑坡從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭Х€(wěn)狀態(tài)的時(shí)間間隔往往差別較大，從幾個(gè)小時(shí)到數(shù)月，甚至數(shù)年?；鲁鮿?dòng)的識(shí)別是評(píng)價(jià)滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)之一。GNSS實(shí)時(shí)位移流的精度一般在毫米到厘米級(jí)，滑坡的初始速度通常在每天幾毫米的水平。在實(shí)踐中，很難即時(shí)識(shí)別滑坡初動(dòng)或加速。GNSS位移流中客觀存在的離群值使得從位移流中及時(shí)判定滑坡初動(dòng)尤為困難。筆者曾多年在美國(guó)波多黎各開(kāi)展GNSS滑坡監(jiān)測(cè)研究，用變化點(diǎn)檢測(cè)(change point detection,CPD)技術(shù)實(shí)時(shí)分析GNSS位移流，在實(shí)踐中很好地實(shí)現(xiàn)了滑坡初動(dòng)的自動(dòng)識(shí)別。文獻(xiàn)[33]對(duì)各種CPD方法提供了一個(gè)很好的總結(jié)。簡(jiǎn)單來(lái)講，CPD算法有兩種類(lèi)型，一種是離線的，另一種是在線的。離線算法使用所有數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)查找變化點(diǎn)。在線算法不需要等待“將來(lái)”的數(shù)據(jù)，僅根據(jù)“當(dāng)前”和“近期”的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)和異常值特征，即時(shí)判斷當(dāng)前輸入點(diǎn)的異常等級(jí)。在滑坡監(jiān)測(cè)實(shí)踐中，筆者將文獻(xiàn)[34]介紹的從非平穩(wěn)時(shí)間序列中檢測(cè)異常值和變化點(diǎn)的方法集成到滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中。該方法由兩部分組成：數(shù)據(jù)建模和評(píng)分。在數(shù)據(jù)建模部分，從數(shù)據(jù)序列中逐步學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)和離群值的分布特征；在評(píng)分部分，根據(jù)學(xué)習(xí)到的模型對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)或每個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行異常度評(píng)分，即估計(jì)該值與學(xué)習(xí)模型的偏差，得分高表示成為統(tǒng)計(jì)異常值(突變點(diǎn))的可能性高。

基于在SXCZ站的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建(虛擬)山西長(zhǎng)治滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)同步運(yùn)行GNSS實(shí)時(shí)處理模塊和CPD檢查模塊。GNSS處理模塊在每天的凌晨自動(dòng)解算前一天的平均位置(IGS14,XYZ)，并將該位置轉(zhuǎn)換到區(qū)域參考框架(NChina20,XYZ)和站心直角坐標(biāo)系(NChina20,ENU)。對(duì)位移流的每個(gè)新輸入點(diǎn)(當(dāng)前點(diǎn))，CPD檢查模塊基于歷史觀測(cè)值的機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)預(yù)測(cè)其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和可能出現(xiàn)的離群值，并計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)的異常分?jǐn)?shù)。因此，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端，位移流和異常流是同步的。圖4(a)為SXCZ站EW和NS方向的位移流和異常流。根據(jù)長(zhǎng)期的異常流數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將位移突變的閾值設(shè)定為15。當(dāng)輸入點(diǎn)的異常分?jǐn)?shù)超過(guò)該閾值時(shí)，系統(tǒng)可啟動(dòng)高頻的位移解算，例如開(kāi)始每小時(shí)或每秒解算一次位移，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)、降雨、地下水等其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)人員可考慮啟動(dòng)其他預(yù)警措施。異常分?jǐn)?shù)首次超過(guò)閾值的時(shí)間，可初步判定為滑坡初動(dòng)的時(shí)間。如圖4(b)所示，該系統(tǒng)能夠相當(dāng)準(zhǔn)確地識(shí)別2011年日本大地震(Mw 9.1)的初動(dòng)時(shí)間(3月11日)和2013年滑坡的初動(dòng)時(shí)間。該自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)判定的山西長(zhǎng)治滑坡的開(kāi)始時(shí)間為7月13日。該實(shí)時(shí)識(shí)別結(jié)果與用觀測(cè)點(diǎn)水平方向位移軌跡圖(圖3(b))所判定的滑坡初動(dòng)時(shí)間相吻合。位移軌跡圖基于滑動(dòng)之前和之后的位移判定滑坡開(kāi)始的時(shí)間，僅依靠GNSS實(shí)時(shí)位移流很難在7月13日判定滑坡初動(dòng)。CPD自動(dòng)識(shí)別模塊有效增強(qiáng)了GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)盡早識(shí)別滑坡初動(dòng)的能力，為災(zāi)害預(yù)警爭(zhēng)取了時(shí)間。

圖4 基于區(qū)域穩(wěn)定參考框架(NChina20)和變化點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)的滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)Fig.4 Real-time landslide monitoring based on the regional reference frame (NChina20) and change point detection

4 總結(jié)與展望

隨著GNSS觀測(cè)系統(tǒng)的完善和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的成熟，高精度GNSS技術(shù)將在滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。綜合應(yīng)用GNSS精密單點(diǎn)定位技術(shù)(PPP)和區(qū)域穩(wěn)定參考框架，工程技術(shù)人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)，可以開(kāi)展高精度的、大面積的、長(zhǎng)期的滑坡監(jiān)測(cè)，無(wú)須安裝地面參考站，也不需要進(jìn)行繁雜的數(shù)據(jù)處理，從而大大降低了高精度GNSS滑坡監(jiān)測(cè)的技術(shù)門(mén)檻和監(jiān)測(cè)成本。近10年來(lái)，干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)、激光探測(cè)與測(cè)距(LiDAR)、各類(lèi)基于無(wú)人機(jī)(UAV)的測(cè)量技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，這些遙感技術(shù)一般都裝備GNSS，觀測(cè)結(jié)果往往與全球參考框架對(duì)齊。區(qū)域參考框架為整合不同時(shí)期、不同地區(qū)、不同平臺(tái)的遙感觀測(cè)結(jié)果提供了一個(gè)統(tǒng)一的參照系統(tǒng)，為開(kāi)展跨地區(qū)的、綜合的、長(zhǎng)期的滑坡災(zāi)害觀測(cè)和監(jiān)測(cè)構(gòu)建了基礎(chǔ)設(shè)施。筆者期望基于區(qū)域參考框架的滑坡監(jiān)測(cè)方法將推動(dòng)GNSS和遙感技術(shù)在我國(guó)滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，提升滑坡災(zāi)害預(yù)警能力和水平。