滑坡災害中GNSS自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)技術淺析

滑坡災害中gnss自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)技術淺析作者：吳忠銀來源：《西部資源》2021年第05期摘要：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(jiān)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(jiān)測預警系統(tǒng)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(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)的運用，驗證了該系統(tǒng)的實用性與可靠性。隨著信息技術的發(fā)展，提升GNSS自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)在地質災害中的應用水平，在此基礎上研發(fā)新的預警系統(tǒng)，對今后的地質災害監(jiān)測預警具有重要意義。關鍵詞：滑坡；地質災害；GNSS；監(jiān)測預警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(zhèn)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(tǒng)計年鑒》，2017年全國發(fā)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(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災害。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(chuàng)建一套自動化實時監(jiān)測系統(tǒng)，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(jiān)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(huán)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(jiān)測。隨著GPS系統(tǒng)技術的進步和完善，GPS技術逐漸轉變?yōu)槎嘞到y(tǒng)融合的GNSS技術［8］。GNSS，全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（全稱:GlobalNavigationSatelliteSystem），主要指美國的GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系統(tǒng)）、俄羅斯的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GLONSSS、歐洲的Galileo和中國的BDS（北斗導航定位系統(tǒng)）［9］。GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的監(jiān)測手段，其高精度、自動化、全天候實時監(jiān)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(jiān)測預警系統(tǒng)，對以后山體滑坡、崩塌、泥石流等地質災害監(jiān)測預警具有重要意義。GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)工作原理GPS系統(tǒng)是最早的全球定位導航系統(tǒng)，由24顆定位衛(wèi)星組成，平均分布在以每60°為一個間隔的6個軌道上，每個軌道由4顆衛(wèi)星組成，在任意時間和任意位置，都可以由同時來自4顆衛(wèi)星發(fā)射的信號，進行瞬時定位，現衛(wèi)星數量多至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(tǒng)，英文全稱為DifferentialGlobalPositionSystem，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（RealTimeKinematic），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(wèi)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由已知地面基舉站和測區(qū)移動站組成，通過在區(qū)域內已知地面控制點記錄衛(wèi)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(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，這對于汛期地質災害監(jiān)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(jiān)測要求。GNSS接收器與定位衛(wèi)星實時連接，采集接收的信息可以第一時間發(fā)送給監(jiān)測人員，因此，GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)技術在滑坡、崩塌、泥石流等地質災害的監(jiān)測中得到了廣泛的應用。GNSS自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)在滑坡的運用3.1滑坡體監(jiān)測預警系統(tǒng)組成滑坡體監(jiān)測預警系統(tǒng)由三部分組成：滑坡體野外傳感器采集系統(tǒng)；數據通訊系統(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定位設備監(jiān)測，表面式裂縫計監(jiān)測裂縫變化；固定測斜儀監(jiān)測滑坡體內部位移，孔隙水壓力計監(jiān)測地下水位，土力壓力計監(jiān)測內部土壓力；一體化氣象站綜合監(jiān)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(jiān)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(tǒng)完成，傳輸系統(tǒng)由小型機系統(tǒng)、服務器系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成，主要負責對數據監(jiān)測和做出預警，使監(jiān)測人員能快速分析信息［15］。圖2滑坡體監(jiān)測拓撲輔弱系統(tǒng)rtf電偶何廟臉敖據傳輸系統(tǒng)（GFRS塊無線估輸）圖2滑坡體監(jiān)測拓撲輔弱系統(tǒng)rtf電偶何廟臉敖據傳輸系統(tǒng)（GFRS塊無線估輸）岬ill*野外代感器系航E*針寸in杭小/LF￡?lJj虻ih±Db計GNSS定位技術是現階段監(jiān)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(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）、滑坡體內部變形監(jiān)測系統(tǒng)（固定測斜儀）、滑坡體內部水位監(jiān)測系統(tǒng)（孔空隙水滲壓監(jiān)測）、滑坡體內部土壓力監(jiān)測系統(tǒng)（土壓力計）、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)測專用機型GPS接收機組成的監(jiān)測單元；數據傳輸子系統(tǒng)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(tǒng)采集的數據到控制中心；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設備配件，主要作用是輔助整個GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)正常運行。3.2GNSS數據處理GNSS的數據處理為滑坡體自動化監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，“數據處理”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自動化監(jiān)測系統(tǒng)“數據處理”指監(jiān)測區(qū)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(tǒng)軟件，該系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測點的原始數據，并進行實時差分解算，得到個監(jiān)測點的三維坐標，再將坐標數據發(fā)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(fā)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(fā)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(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)提醒情況，一旦收到預警報警提示，迅速聯(lián)系地質災害隱患點監(jiān)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。衷1地廚災害預苔等圾及建設采取糟拖型垠哭靠卅ili股欲叫帽Iff!蚩耕:安物u&fk小.對kt?岫娜點進i亍晌flf（W*九趴也｛?:級1酣警發(fā)生尖#町能性邦.皿世葉恥武障紋點向24小閔通丹.即堂耶牛m刻政枷堂化押職一R■時做好防并升姬樁帝幡也|:坳麻普■■1較?■:rI：'.-；：'■；■1.-1■!.-■-1!■■'AI-■:\忙也佃k1:-"IlI.■■■■；■.1?.：?'?".，'.：r.買航撲廈iMJft臉日色1?繼|質黔.電塵寬客W拒阻很Hi!辿也時朕iT.方案、加熾附近孕^.求讓If業(yè)也忡.Jr哽驟0曜故進打此金園盼美用釘Klfi略.擰折關單悴指奔兀8到明.捫織成金裁at人uj燦岫肝祐.應用實例該系統(tǒng)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(zhèn)油砂村，經度：105°45'31〃，緯度：27°23'26〃?；麻L約1000m，寬約150m，滑面深約10m，規(guī)模約13m3x105m3，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(jiān)測預警系統(tǒng)。對于GNSS監(jiān)測系統(tǒng)，GNSS基準網需與監(jiān)測區(qū)域地理范圍相適應，針對礦區(qū)小范圍內的地質災害監(jiān)測，無建立GNSS基準網的必要。對于礦區(qū)常見小規(guī)模地質災害，單個基準點即可提供較高監(jiān)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。

圖3GP$監(jiān)測示意圖對滑坡體GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)（圖3）,布置了1個GPS基準站，3個GPS監(jiān)測站和1個一體氣象站。基準站和氣象站布置于滑坡髓外地形穩(wěn)定的居民區(qū)，3個GPS監(jiān)測站布置在滑坡體的前緣、滑坡體中部和中部靠后緣。同時布置了振弦式裂縫計、固定傾斜儀、空隙水滲壓計、振弦式土壓力計、土壤溫濕度傳感器、一體氣象站等監(jiān)測影響滑坡體形變的因素，可以綜合實時采集現場數據（圖4）。所有儀器均能實時監(jiān)測，以GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)為主。表2統(tǒng)計了3個GPS監(jiān)測點2018年全年的位移變形量。'I皿力在/科料齊i-we擔甫怖■.f*?'泌'：鋤j.y.LPt圖4德興煤礦滑坡體部分野外傳感器采集系統(tǒng)監(jiān)測示意圖'I皿力在/科料齊i-we擔甫怖■.f*?'泌'：鋤j.y.LPt由表2可以看出，6月滑坡體滑動位移最大，單方向位移達344.5mm,8月次之，為321.7mm,2月滑動位移最小，最大位移為65.2mm，三個自動化監(jiān)測點水平和豎直位移變化一致，其中1月至3月可認為緩慢蠕滑階段，4月~7月為等速變形階段，8月至10月為加速蠕變階段，11月、12月為緩慢變形階段。最大累計變形均體現在GPS3，緩慢蠕滑階段累計變形位移達550.2mm，等速變形階段累計變形位移為579.3mm，加速蠕變階段累計變形位移達775.3mm，緩慢變形階段累計變形位移135.4mm?；麦w后緣的位移大于中部，中部位移大于前緣。監(jiān)測2018年降水量最大為6月，最大降水量為234.1mm，最小降水量在2月，為16.7mm。監(jiān)測的的位移變化趨勢基本一致，變形量最大的為6月和8月，變形量最小的為2月，與2018年降水量變化趨勢一致，在對應的滑動位移緩慢蠕滑階段累計降水量為139.1mm，等速變形階段累計降水量為394.9mm，加速蠕變階段累計降水量為476.0mm，緩慢變形階段累計降水量為52.1mm?；伦冃螄乐厥芙邓坑绊?，說明該滑坡現階段主要受降水量控制。表之三個監(jiān)剖點芝叫$年每月查形量統(tǒng)計Imm)位切向1JJJJi4月“110jin月11flRPSIix57御故仁151.6wirw.4IS4154.5血」87.QJ&7243由MJS.窩15A.fis14-1.7皿4812mA*-17.57白-A.7-NJiun—5.A-^7.1-M-E5AXsn.2以4之心41.1g2t].2jn.a1447443qgAY29.6LJ.A77.714.9H4.1口52.954』l&jft15X1*-S.3-fl.l-2L.7T.W-25.6F-]&.l-ILJO-13.S*-4J-3.KIW.Ifi5.1?M5.96I.Z135.3344.5機3m.7ZZl.tl712ft4_2河L4.377A-6i2-L5.S-35.0-3.K-31.6-2L.7-S.7-7.B-2Z9T.O-ID.H--27.4-2.1-17.7-1212-2Q9-6.4-5.?月降雨量mm圖52018年降水量監(jiān)測直方圖德興煤礦滑坡GNSS自動化監(jiān)測預警系統(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(yè)監(jiān)測儀器監(jiān)測的位移速度超過預測閾值，監(jiān)測預警系統(tǒng)就會及時發(fā)出警告。德興煤礦滑坡驗證了GNSS自動監(jiān)測預警系統(tǒng)運行的準確性和可靠性，實時監(jiān)測反應了滑坡體的變形特征，給預警系統(tǒng)的可靠性奠定了基礎。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)測專用機型GPS接收橫組成的監(jiān)測單元；數據傳輸子系統(tǒng)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(tǒng)采集的數據到控制中心；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設備配件，主要作用是輔助整個GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)正常運行。3.2GNSS數據處理GNSS的數據處理為滑坡體自動化監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，“數據處理”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自動化監(jiān)測系統(tǒng)“數據處理”指監(jiān)測區(qū)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(tǒng)軟件，該系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測點的原始數據，并進行實時差分解算，得到個監(jiān)測點的三維坐標，再將坐標數據發(fā)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(fā)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(fā)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(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)提醒情況，一旦收到預警報警提示，迅速聯(lián)系地質災害隱患點監(jiān)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。表1地用災害預磬等級及連議采取措施茴雷菲城蠟:兜物ii￡fu小m握點謎行牌si卉黃"?:卻檔發(fā)生尖#誡1即靠小，皿世此jot洗障為點枸U婀巡登一圖最町外m刻屈聊堂化g職一R■時做好防并升巍準帝袖色「蜒牌碧安:‘ryr：:論隹較火.對*5璋俱應阻rm小時瞄ts，捉薜武抖代內營拄.忙小中業(yè).地傳,nr、居配■停戶外作業(yè)，rtHf圳關性甘i.eikf息化.日色1?繼|冷黔發(fā)v就害u］,阻很足,二■到臨時朕訃方案、凱卻附近二唯.讓it業(yè)n忡.Jarm此蛻尊健故進打耽@窺階關用釘tii5魅.擰有關單悴指奔兀員到牌應織應金裁at人65燦岫陽祐.4.應用實例該系統(tǒng)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(zhèn)油砂村，經度：105°45'31〃，緯度：27°23'26〃?；麻L約1000m，寬約150m，滑面深約10m，規(guī)模約13m3x105m3，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(jiān)測預警系統(tǒng)。對于GNSS監(jiān)測系統(tǒng)，GNSS基準網需與監(jiān)測區(qū)域地理范圍相適應，針對礦區(qū)小范圍內的地質災害監(jiān)測，無建立GNSS基準網的必要。對于礦區(qū)常見小規(guī)模地質災害，單個基準點即可提供較高監(jiān)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。

圖3GP$監(jiān)測示意圖對滑坡體GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)（圖3）,布置了1個GPS基準站，3個GPS監(jiān)測站和1個一體氣象站?；鶞收竞蜌庀笳静贾糜诨麦w外地形穩(wěn)定的居民區(qū)，3個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(jiān)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(jiān)測，以GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)為主。表2統(tǒng)計了3個GPS監(jiān)測點2018年全年的位移變形量。'I皿力在/科料齊i-we擔甫怖■.f*?'泌'：鋤j.y.LPt圖4德興煤礦滑坡體部分野外傳感器采集系統(tǒng)監(jiān)測示意圖'I皿力在/科料齊i-we擔甫怖■.f*?'泌'：鋤j.y.LPt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(jiān)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?；麦w后緣的位移大于中部，中部位移大于前緣