基于虛擬參考站的GNSS 滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)分析

蔡華，劉邢巍，蒲德祥，王斌

(1.重慶市地理信息和遙感應(yīng)用中心,重慶 401127；2.自然資源部國(guó)土空間規(guī)劃監(jiān)測(cè)評(píng)估預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 401127)

0 引言

我國(guó)山區(qū)面積占總陸地面積的三分之二[1]，是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重、受威脅人口最多的國(guó)家之一，其中超過半數(shù)為滑坡災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施安全[2-3].滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)主要采用群測(cè)群防和專業(yè)監(jiān)測(cè)，在專業(yè)監(jiān)測(cè)方面，主要以全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)和傳感器技術(shù)(如裂縫計(jì)、拉力計(jì)、雨量計(jì)等)為主.GNSS 技術(shù)具有全天候、高精度、自動(dòng)化、無需通視等優(yōu)勢(shì)，基線解算相對(duì)精度可達(dá)10-9[4]，成為滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要技術(shù)手段.目前GNSS 滑坡監(jiān)測(cè)主要采用“1+N”模式(1 個(gè)基準(zhǔn)站和N個(gè)監(jiān)測(cè)站)[5-6]，通過解算地質(zhì)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)參考站與滑坡體內(nèi)監(jiān)測(cè)站間的基線，獲取滑坡體的位移.“1+N”模式需要在每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域附近建設(shè)至少1 個(gè)參考站，存在建設(shè)成本高、選址困難、基準(zhǔn)不穩(wěn)定、資源浪費(fèi)等問題.

為了減少GNSS 滑坡監(jiān)測(cè)的成本，滿足滑坡監(jiān)測(cè)大范圍、普適性、場(chǎng)景復(fù)雜的要求，學(xué)者們研究了針對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)的軟硬件技術(shù)，如一機(jī)多天線技術(shù)[7-8]、單頻接收機(jī)技術(shù)[9]、低成本GNSS 芯片技術(shù)[10-11]和云平臺(tái)監(jiān)測(cè)技術(shù)[12-13]，同時(shí)將實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)技術(shù)和精密單點(diǎn)定位(PPP)技術(shù)用于滑坡監(jiān)測(cè)[14-15].當(dāng)前國(guó)家和各省市均建立有連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)，其基準(zhǔn)站大多建立在地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基巖上，是維持空間基準(zhǔn)的基礎(chǔ)設(shè)施.基于CORS 的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)NRTK 技術(shù)可以在基準(zhǔn)站網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的任意地點(diǎn)生成虛擬參考站(VRS)，該VRS 不受地質(zhì)條件和距離約束，為大范圍滑坡監(jiān)測(cè)提供了新的思路.自然資源部印發(fā)的《2022年地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)驗(yàn)工作方案》和《地質(zhì)災(zāi)害專群結(jié)合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)指南(試行)》中明確集中連片區(qū)宜采用衛(wèi)星定位服務(wù)CORS、VRS 等“統(tǒng)籌共享”技術(shù)方案替代“一點(diǎn)基站”.在這方面，已有相關(guān)研究進(jìn)行基于CORS 或VRS 進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)的探索[16-20].本文利用真實(shí)滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析VRS 數(shù)據(jù)質(zhì)量，基于VRS 進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)，并將結(jié)果與傳統(tǒng)GNSS 滑坡監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估基于VRS 進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)的可行性.

1 數(shù)據(jù)來源

選取重慶市萬(wàn)州區(qū)某滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布設(shè)1 個(gè)參考站CQ03和3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)CQ01、CQ02和CQ04，參考站至3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離分別為479 m、437 m和480 m，站點(diǎn)分布如圖1 所示，參考站和監(jiān)測(cè)點(diǎn)均安裝的一體化GNSS 位移監(jiān)測(cè)設(shè)備，天線類型為GPS1000，數(shù)據(jù)采樣率15 s，時(shí)間跨度為2021年4月1日至2021年5月31日.監(jiān)測(cè)區(qū)域處于重慶市衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)(CQGNSS)覆蓋范圍內(nèi)，最近3 個(gè)基準(zhǔn)站是KAXI、WAZH和LIPI，組成的三角網(wǎng)基線長(zhǎng)度分別是80.4 km、58.3 km和45.4 km，生成的VRS 位于CQ02 附近.

圖1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)站點(diǎn)分布

2 VRS 觀測(cè)值生成

2.1 虛擬觀測(cè)值生成方法

基于VRS 進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵是在監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近生成有效的VRS，將VRS 與監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行短基線解算，獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移.根據(jù)用戶概略位置，內(nèi)插對(duì)流層天頂濕延遲、雙差電離層延遲等空間相關(guān)誤差模型，結(jié)合基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)生成VRS 的觀測(cè)數(shù)據(jù).VRS 載波相位觀測(cè)值可表示為[21-22]

式中：φ為載波相位觀測(cè)值；λ為載波相位波長(zhǎng)； ρ為參考站與衛(wèi)星之間的距離；I為電離層延遲誤差；T為對(duì)流層延遲誤差；O為衛(wèi)星星歷誤差；M為多路徑效應(yīng)；ε為觀測(cè)噪聲；i和j為衛(wèi)星標(biāo)識(shí)；A為參考站編號(hào)；V為VRS 編號(hào)；Δ為單差算子；Δ?為雙差算子.

由式(1)載波相位觀測(cè)值計(jì)算模型可推導(dǎo)出偽距觀測(cè)值計(jì)算模型

式中，P為偽距.

2.2 虛擬觀測(cè)值質(zhì)量檢驗(yàn)

VRS 的觀測(cè)值質(zhì)量直接影響監(jiān)測(cè)結(jié)果，有必要對(duì)VRS 的觀測(cè)值質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)估.利用GNut/Anubis 對(duì)CQ02 點(diǎn)處VRS 數(shù)據(jù)和物理參考站數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，檢驗(yàn)指標(biāo)包括信噪比(SNR)、多路徑效應(yīng)、周跳比等.G-Nut/Anubis 中衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為15°，計(jì)算多路徑效應(yīng)的移動(dòng)窗口設(shè)置為20 個(gè)歷元，周跳探測(cè)時(shí)間設(shè)置為5 min，檢驗(yàn)結(jié)果取算術(shù)平均值，如表1 所示.

表1 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)已有研究和相關(guān)規(guī)范[23]，將35 作為SNR 參考值，其值越大越好；將0.5 作為多路徑參考值，其值越小越好；將200 作為周跳比參考值，其值越大越好.

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，VRS 觀測(cè)值SN1 平均值為43.75，SN2 平均值為37.27；物理參考站觀測(cè)值信噪比SN1 平均值為44.21，SN2 平均值為42.72；物理參考站略優(yōu)于VRS，兩者均大于參考值.VRS 多路徑效應(yīng)MP1 平均值為0.29，MP2 平均值為0.28；物理參考站多路徑效應(yīng)MP1 平均值為0.23，MP2 平均值為0.31；兩者均滿足規(guī)范要求.VRS 周跳比為30 216，物理參考站周跳比為4 240，VRS 周跳比均優(yōu)于物理參考站.

綜合對(duì)比SNR、多路徑效應(yīng)、周跳比，VRS 觀測(cè)值質(zhì)量與物理參考站觀測(cè)值質(zhì)量均滿足相關(guān)要求，初步驗(yàn)證了將其用于滑坡監(jiān)測(cè)的可行性.

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理策略

為分析使用VRS 進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)的精度，本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)使用上文中的滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和VRS 數(shù)據(jù)，利用GAMIT 解算不同時(shí)長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算精度并與傳統(tǒng)GNSS 滑坡監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比.GAMIT 解算策略如下：

1)星歷：IGS 超快速預(yù)報(bào)精密星歷；

2)衛(wèi)星截止高度角：15°；

3)附加天頂對(duì)流層延遲估計(jì)；

4)基線解類型：L1、L2_INDEPEND[24]；

5)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)：1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、12 h、24 h；

6)VRS 天線相位中心偏差改正數(shù)均為0；

7)所有站點(diǎn)均不附加坐標(biāo)約束；

8)直接使用基線解算結(jié)果作為監(jiān)測(cè)結(jié)果，不進(jìn)行網(wǎng)平差.

本文使用標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差(NRMS)和基線重復(fù)性來衡量基線解算質(zhì)量.NRMS 值反映單時(shí)段解算出的基線值偏離其加權(quán)平均值的程度，將NRMS 值大于1 的解算結(jié)果進(jìn)行剔除.基線重復(fù)性反映基線解的內(nèi)部精度，計(jì)算方法為

式中：R為基線重復(fù)性；i為觀測(cè)時(shí)段；n為觀測(cè)時(shí)段總數(shù)；σi為單時(shí)段基線中誤差；ci為單時(shí)段基線解算結(jié)果；為單天基線解的加權(quán)平均值.

3.2 粗差探測(cè)與修復(fù)

3σ粗差探測(cè)法以3 倍中誤差(置信概率99.73%)為閾值，適用于噪聲滿足高斯分布的時(shí)間序列.對(duì)于滑坡監(jiān)測(cè)這類包含趨勢(shì)項(xiàng)的時(shí)間序列，需要先進(jìn)行去趨勢(shì).本文的滑坡監(jiān)測(cè)坐標(biāo)時(shí)間序列呈線性趨勢(shì)，采用下式對(duì)原始坐標(biāo)序列X(i)進(jìn)行最小二乘線性擬合，獲取時(shí)間序列線性擬合模型Xl(i).

式中：a為常數(shù)項(xiàng)；b為擬合速度.

一般情況下是根據(jù)時(shí)間序列算術(shù)平均值計(jì)算均方根誤差 σ，本文以線性擬合模型值代替算術(shù)平均值，計(jì)算方式為

根據(jù)計(jì)算出的 σ進(jìn)行粗差探測(cè)與修復(fù)，得到“干凈”的時(shí)間序列.

3σ粗差探測(cè)會(huì)受到原始時(shí)間序列中的異常值影響，較大粗差存在時(shí)均方根誤差 σ會(huì)變大，使得較小的粗差落入 3 σ區(qū)間，無法完全剔除粗差.因此本文進(jìn)行2 次循環(huán) 3 σ粗差探測(cè)，獲得“干凈”的時(shí)間序列，如圖2 所示.

圖2 粗差剔除效果

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

分別采用VRS 1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、12 h和24 h 的數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行解算，將解算結(jié)果進(jìn)行粗差探測(cè)和修復(fù)，對(duì)解算結(jié)果的精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到各解算時(shí)長(zhǎng)在北(N)、東(E)、天頂(U)方向上的基線重復(fù)性，如表2 所示.精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3 所示.結(jié)果表明監(jiān)測(cè)精度與解算時(shí)長(zhǎng)密切相關(guān)，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)精度越高，在U 方向尤其明顯.基于VRS 的滑坡監(jiān)測(cè)1 h解在N、E、U 三個(gè)方向的精度分別是5.7 mm、4.8 mm和35.0 mm；滑坡監(jiān)測(cè)中常用的2 h 解在N、E、U 三個(gè)方向的精度分別是4.3 mm、3.5 mm和25.0 mm；隨著解算時(shí)長(zhǎng)增加，8 h 解在N、E、U 三個(gè)方向的精度分別是2.9 mm、2.5 mm和13.1 mm；當(dāng)解算時(shí)長(zhǎng)增加到24 h，平面精度可以控制在2 mm 以內(nèi)，高程精度控制在10 mm 以內(nèi).

圖3 VRS 監(jiān)測(cè)解算精度

表2 VRS 滑坡監(jiān)測(cè)精度

采用傳統(tǒng)GNSS 監(jiān)測(cè)方法對(duì)監(jiān)測(cè)站的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，2 h 監(jiān)測(cè)結(jié)果精度統(tǒng)計(jì)為N 方向0.6mm，E方向1.0mm，U方向1.7mm.VRS2h監(jiān)測(cè)精度為4.3mm、3.5mm和25.0mm，精度不及傳統(tǒng)GNSS 監(jiān)測(cè)，但平面仍能達(dá)到毫米級(jí)，根據(jù)《重慶市地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)技術(shù)要求(試行)》，基于VRS 監(jiān)測(cè)1 h 解能滿足巖質(zhì)滑坡三級(jí)、土質(zhì)滑坡二級(jí)和土質(zhì)滑坡三級(jí)對(duì)于水平位移點(diǎn)位中誤差的要求；4 h解能滿足除巖質(zhì)滑坡一級(jí)之外的要求；8 h 解能滿足所有巖質(zhì)滑坡和土質(zhì)滑坡要求[25].

圖4～6 是2 種方法監(jiān)測(cè)CQ01 點(diǎn)的結(jié)果，其中N_VRS 是VRS 監(jiān)測(cè)結(jié)果，N_傳統(tǒng)是傳統(tǒng)GNSS 監(jiān)測(cè)結(jié)果，兩者在反映監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移趨勢(shì)上有較好的一致性.圖7 是CQO1 點(diǎn)N、E、U 三個(gè)方向上VRS 監(jiān)測(cè)和傳統(tǒng)GNSS 監(jiān)測(cè)較差分布圖，較差分布大體呈正態(tài)分布，平面多集中在-4～4 mm，高程多集中在-8～8 mm，兩者符合性較好.

圖4 CQ01 點(diǎn)N 方向監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5 CQ01 點(diǎn)E 方向監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖6 CQ01 點(diǎn)U 方向監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖7 CQ01 點(diǎn)VRS 監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)GNSS 監(jiān)測(cè)較差

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)“一點(diǎn)一基站”的GNSS 滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)成熟，已有成功探測(cè)滑坡前兆并進(jìn)行預(yù)警的案例.當(dāng)前隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)拓展和地質(zhì)災(zāi)害增加，對(duì)GNSS 滑坡監(jiān)測(cè)提出了“低成本，統(tǒng)一監(jiān)測(cè)”的要求.本文利用VRS 數(shù)據(jù)代替物理站進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的滑坡監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明2 h 解在N、E、U 三個(gè)方向的精度分別是4.3 mm、3.5 mm和25.0 mm.監(jiān)測(cè)精度雖不及傳統(tǒng)GNSS 滑坡監(jiān)測(cè)，但在反映滑坡位移趨勢(shì)上兩者一致.