滑坡災害中GNSS自動化監測預警系統技術淺析

吳忠銀

摘要：地質災害影響著人類的生產和生活，對人類造成的危害極大。因此，地質災害的監測預警意義重大。地質災害中，以山體滑坡較為常見，對其預警更值得重視。因GNSS自動化監測預警系統精度高、對空間通視要求低等特點被廣泛用于各工程測量中。文章綜合分析了GNSS系統的工作原理，并列舉了貴州省大方縣德興煤礦滑坡中GNSS系統的運用，驗證了該系統的實用性與可靠性。隨著信息技術的發展，提升GNSS自動化監測預警系統在地質災害中的應用水平，在此基礎上研發新的預警系統，對今后的地質災害監測預警具有重要意義。

關鍵詞：滑坡；地質災害；GNSS；監測預警

1.引言

地質災害已給人類留下諸多悲痛記憶，威脅著人類的生命和財產安全，如2008年汶川大地震，2010年甘肅舟曲泥石流，2013年鎮雄縣滑坡，2019年水城滑坡等。2010年至2018年，中國地質災害有減少趨勢[1、2]。據《中國統計年鑒》，2017年全國發生地質災害數量為7521處，其中滑坡為主要地質災害，有5524處。西南地區地貌主要為高原和山地，極易發生滑坡、崩塌和泥石流等地質災害。2013年1月11日，云南省鎮雄縣發生山體滑坡，果珠鄉高坡村趙家溝組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，雞場鎮坪地村岔溝組21棟房屋被埋，51人遇難[4]。可見，在西南地區，滑坡對人類的危害尤為嚴重，對生命和財產都造成了巨大的損失，因此，對于不同地質災害隱患點，尤其是滑坡，創建一套自動化實時監測系統，并能科學有效地預測預報非常必要。

GPS技術適用于斜坡體地表位移變形不同階段三維監測[5、6]，最高測量精度達到毫米，采樣頻率可達到20Hz，位移可以實時讀取，GPS測量接收器適應復雜和惡劣的工作環境[7]。因此，GPS技術不僅廣泛應用于精密工程測量、石油勘探、大地測量等領域，也被用于對滑坡體等地形變形監測。隨著GPS系統技術的進步和完善，GPS技術逐漸轉變為多系統融合的GNSS技術[8]。GNSS，全球導航衛星系統（全稱：Global Navigation Satellite System），主要指美國的GPS（Global Positioning System，全球定位系統）、俄羅斯的全球衛星導航系統GLONSSS、歐洲的Galileo和中國的BDS（北斗導航定位系統）[9]。

GNSS自動化監測系統代替傳統的監測手段，其高精度、自動化、全天候實時監測并評價、預測等特點，集合新一代信息技術，不斷完善GNSS自動化監測預警系統，對以后山體滑坡、崩塌、泥石流等地質災害監測預警具有重要意義。

2. GNSS自動化監測系統工作原理

GPS系統是最早的全球定位導航系統，由24顆定位衛星組成，平均分布在以每60°為一個間隔的6個軌道上，每個軌道由4顆衛星組成，在任意時間和任意位置，都可以由同時來自4顆衛星發射的信號，進行瞬時定位，現衛星數量多至32顆[10]。由于受衛星軌道誤差、電離層、對流層衛星鐘差、多路徑接收機綜合誤差等對定位精確度的影響，絕對定位精度不達標，故采用差分全球定位系統，英文全稱為Differential Global Position System，即DGPS技術，能更高精度地進行定位測量[11]。若要進一步提高定位精度，可采用載波相位差分技術（Real Time Kinematic），即RTK技術，可得到觀測點的三維坐標數據[12]。GPS差分工作原理[13]：兩個或多個測站之間的定位，一臺GPS接收機處于基準站（參考站），其坐標為已知精密坐標，和其他移動站同時觀測了同一組衛星（至少4顆），基準站位置已知，通過數據連接，移動站的位置坐標就得以確定（圖1）。具體定位原理示意圖如下：

DGPS由已知地面基準站和測區移動站組成，通過在區域內已知地面控制點記錄衛星定位信息（一般情況下，地面控制點與待測點距離小于25km），與控制點坐標對比處理，得到糾正量，以此糾正量糾正待測點得到更精確的坐標測量值。

GNSS定位技術進行滑坡自動化監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化監測，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，這對于汛期地質災害監測非常有利。測量精度可達毫米級別，可滿足一般地質災害的監測要求。GNSS接收器與定位衛星實時連接，采集接收的信息可以第一時間發送給監測人員，因此，GNSS自動化監測系統技術在滑坡、崩塌、泥石流等地質災害的監測中得到了廣泛的應用。

3. GNSS自動化監測預警系統在滑坡的運用

3.1滑坡體監測預警系統組成

滑坡體監測預警系統由三部分組成：滑坡體野外傳感器采集系統；數據通訊系統；供電等輔助支持系統[14]。野外傳感器分為地表位移監測器、滑坡體內部監測器、一體化氣象站和土壤溫濕度傳感器；地表位移由高精度GPS定位設備監測，表面式裂縫計監測裂縫變化；固定測斜儀監測滑坡體內部位移，孔隙水壓力計監測地下水位，土力壓力計監測內部土壓力；一體化氣象站綜合監測降雨量、風速、氣壓、溫度、風向、濕度等指標，溫度和濕度由土壤溫濕度傳感器監測。野外傳感器主要負責野外現場原始數據的收集。數據傳輸由數據控制中心系統完成，傳輸系統由小型機系統、服務器系統及軟件系統組成，主要負責對數據監測和做出預警，使監測人員能快速分析信息[15]。

GNSS定位技術是現階段監測地理變形較先進的常用手段，參考當前相關新科技，地質災害自動化監測系統為滑坡體提供了監測和治理方向。滑坡野外監測系統由表面位移監測系統（GPS）、裂縫監測系統（表面式裂縫計）、滑坡體內部變形監測系統（固定測斜儀）、滑坡體內部水位監測系統（孔空隙水滲壓監測）、滑坡體內部土壓力監測系統（土壓力計）、組合氣象站組成[16]。

GPS監測系統。其中傳感器子系統的主要組成是各監測專用機型GPS接收機組成的監測單元；數據傳輸子系統運用（或同時運用）3G、光纖和高頻無線傳輸終端等媒介，實時傳輸傳感器系統采集的數據到控制中心；輔助支持系統主要包括：防雷電、UPS（不間斷電源）、配電及綜合布線等相關設備配件，主要作用是輔助整個GNSS自動化監測系統正常運行。

3.2 GNSS數據處理

GNSS的數據處理為滑坡體自動化監測系統的核心部分，“數據處理”精度決定了對滑坡體穩定性的判斷和分析，最終影響管理人員的決策。

本滑坡體GNSS自動化監測系統“數據處理”指監測區域內各GPS原始數據的采集控制，在進行數據處理的同時，控制數據采樣的間隔、多天線GPS機的信號的切換、GPS原始數據的處理和檢驗、設備故障的診斷等。

數據解算軟件采用實時三維變形測量分析系統軟件，該系統軟件能對安裝在目標設施物上的GPS的三維位置進行實時解算，并保證毫米級精度，還能對監控站進行實時差分定位，同時具備觀測數據記錄、圖形顯示和報警等功能。變形監測系統中，每個GPS解算接收機輸出GPS原始數據和星歷數據，通過串口、無線設備、局域網絡、廣域網絡等傳輸至控制中心，解算軟件根據GPS解算接收機的IP地址和端口號，獲取監測點的原始數據，并進行實時差分解算，得到個監測點的三維坐標，再將坐標數據發送到客戶端或存入數據庫。

3.3預警等級

據《中華人民共和國突發事件應對法》將地質災害預警劃分為四個等級，以表示災害體形變階段和發生的可能性概率大小，一級、二級、三級、四級分別以預警色紅色、橙色、黃色、藍色顯示[17]。具體如表1。

地質災害預警監測系統終端值班室通常不少于2人進行24小時值班，隨時留意系統提醒情況，一旦收到預警報警提示，迅速聯系地質災害隱患點監測人員進行現場確認，情況一經核實，迅速采取對應措施，盡可能將損失降到最小。

4.應用實例

該系統在貴州省使用的實例之一為大方縣德興煤礦滑坡，該滑坡位于大方縣瓢井鎮油砂村，經度：105°45′31″，緯度：27°23′26″。滑坡長約1000m，寬約150m，滑面深約10m，規模約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古滑坡復活，后緣呈弧形。近年采礦停止，滑坡體逢雨季則會引起變形加劇，表明滑坡體處于緩慢變形階段。

據現場調查，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自動化監測預警系統。對于GNSS監測系統，GNSS基準網需與監測區域地理范圍相適應，針對礦區小范圍內的地質災害監測，無建立GNSS基準網的必要。對于礦區常見小規模地質災害，單個基準點即可提供較高監測精度，故采用獨立基準點，只需在選點過程中，避開對點位造成強干擾的位置即可。

對滑坡體GNSS自動化監測系統（圖3），布置了1個GPS基準站，3個GPS監測站和1個一體氣象站。基準站和氣象站布置于滑坡體外地形穩定的居民區，3個GPS監測站布置在滑坡體的前緣、滑坡體中部和中部靠后緣。同時布置了振弦式裂縫計、固定傾斜儀、空隙水滲壓計、振弦式土壓力計、土壤溫濕度傳感器、一體氣象站等監測影響滑坡體形變的因素，可以綜合實時采集現場數據（圖4）。所有儀器均能實時監測，以GNSS自動化監測系統為主。表2統計了3個GPS監測點2018年全年的位移變形量。

由表2可以看出，6月滑坡體滑動位移最大，單方向位移達344.5mm，8月次之，為321.7mm，2月滑動位移最小，最大位移為65.2mm，三個自動化監測點水平和豎直位移變化一致，其中1月至3月可認為緩慢蠕滑階段，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。最大累計變形均體現在GPS3，緩慢蠕滑階段累計變形位移達550.2mm，等速變形階段累計變形位移為579.3mm，加速蠕變階段累計變形位移達775.3mm，緩慢變形階段累計變形位移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，在對應的滑動位移緩慢蠕滑階段累計降水量為139.1mm，等速變形階段累計降水量為394.9mm，加速蠕變階段累計降水量為476.0mm，緩慢變形階段累計降水量為52.1mm。滑坡變形嚴重受降水量影響，說明該滑坡現階段主要受降水量控制。

德興煤礦滑坡GNSS自動化監測預警系統基于野外監測系統采集的位移、降水量、水壓力、土壓力、土壤溫濕度等相關數據，加權結合多項式擬合、生物生長等位移預測進行預測，一旦滑坡體上專業監測儀器監測的位移速度超過預測閾值，監測預警系統就會及時發出警告。德興煤礦滑坡驗證了GNSS自動監測預警系統運行的準確性和可靠性，實時監測反應了滑坡體的變形特征，給預警系統的可靠性奠定了基礎。

近年來，我國對自然災害愈加重視，加強了自然災害排查和風險評估及監測預警。據國家自然資源部的初步統計，2020年全國范圍內發生地質災害共7840起，其中成功預報并避讓534起，提前轉移避讓威脅人員約1.8萬人，避免約10.2億元的直接經濟損失[18]。

5.總結

GNSS自動化監測系統以其全天候自動監測、站間無需通視、監測范圍廣、自動化程度高、采樣間隔短、精度高等特點被廣泛運用于各種工程測量中。GNSS自動化監測系統雖有不足，但隨著全球定位系統、信息技術不斷發展，特別是北斗衛星導航系統飛速發展，GNSS將會成為更加優化的導航系統，地質災害自動化監測預警系統會得到不斷升級，為人類的生命安全和經濟發展提供重要的保障。

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