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紧盯隐患!GNSS毫米级“值守”地质灾害监测

2020-12-18 16:51 性质:转载 作者: 北斗智造者 来源: 北斗智造者
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作为世界上地质灾害最严重、受威胁人口最多的国家之一,我国滑坡、泥石流、崩塌等大大小小的地质灾害每年近万起。近年来,全球气候变暖进一步加剧,极端气候事件...

作为世界上地质灾害最严重、受威胁人口最多的国家之一,我国滑坡、泥石流、崩塌等大大小小的地质灾害每年近万起。近年来,全球气候变暖进一步加剧,极端气候事件增多,地质灾害风险不断增加,威胁着人民群众生命财产安全,影响到国家重大工程的建设,也制约了我国国民经济的可持续发展。

2020年1-10月我国发生的地质灾害数量为7771起,成功预报522起,仅占6.72%

地质灾害具有极强的隐蔽性、突发性和破坏性。据中国地质灾害防治工程行业协会统计,2020年1-10月份,全国共发生地质灾害7771起,其中滑坡4775起、崩塌1775起、泥石流897起、地面塌陷174起、地裂缝142起、地面沉降8起,造成117人死亡、22人失踪、56人受伤,直接经济损失49.7亿元。

虽然地质灾害的力量不可抗拒,但提前的监测预警可以让人们在被动中尽可能争取主动。今年1-10月份,全国共成功预报地质灾害522起,涉及可能伤亡人员17491人,避免直接经济损失10.0亿元。

传统的地质灾害监测预警仅采用简易“人防”模式。如:用尺测量灾害隐患点裂缝宽度,进行数值记录和上报。但这种方式耗费大量人力、物力,也无法满足长时间甚至24小时不间断监测,很难保证突发地质灾害事件的提前预警与及时响应。

近年来,我国正加快构建“人防+技防”的地质灾害防治新模式,高新技术的赋能为普适性监测预警提供了强大的科技支撑。这其中,GNSS卫星定位,因其全天候全天时的毫米级定位能力,可显著提升灾害隐患点的监测效率,已被成熟应用于变形监测。

GNSS高精度变形监测技术主要基于相对定位原理,即通过在“被监测变形体”和位于其附近的“位置信息已知的、基础稳定的参考点”上分别架设GNSS定位设备,采用GNSS高精度后处理差分定位技术可精准计算出变形点相对于稳定参考点间的相对位置变化,其位移精度分辨率依据数据处理算法的不同,最高可达毫米级,以此实现高精度变形监测的目的。

GNSS高精度变形监测技术的系统应用(图片源自网络)

变形监测采用载波相位差分算法。通过双差(站间、星间各求一次差)计算原理获得后处理毫米级定位结果。

双差计算图示(图片源自网络)

其特点有:

  • 削弱电离层折射影响

  • 削弱对流层折射影响

  • 削弱卫星轨道误差影响

  • 消除卫星钟差影响

  • 消除接收机钟差影响

  • 双差计算假设基准站和监测站上空的电离层和对流层情况相同,在项目中监测站与基准站距离在5km以内为佳。基于此,统一规划、统一建设、统一运维的北斗地基增强系统及虚拟SGR基准站技术具备高可用优势。

    全国高密度覆盖的北斗地基增强网,可为监测点提供高精度基准(图片源自千寻位置)

    物理站通过SGR技术生成网格化虚拟站,可为监测站提供就近的网格点观测量(图片源自千寻位置)

    后处理毫米级载波相位差分算法,适用于趋势性变形监测。且精度与观测时长、基线长度都有密切的关系:

    (1)观测时长,与精度呈正相关。监测站连续接收卫星观测数据的时间越长、精度越高。这很好理解,参与解算的观测数据越多,对结果的纠偏帮助越大。

    (2)基线长度,与精度呈负相关。监测站与基准站的距离越近,精度越高。因为距离变远,基站上空的大气环境相似度会急剧下降,基于差分无法完全消除大气误差(包括电离层误差和对流层误差)。

    按照基线长度等级,对相同解算弧长下的所有偏差值统计CEP95的平面精度、高程精度后可见:解算弧长越长,精度偏差越小;基线长度越短,精度偏差越小(图表数据源自千寻位置)

    通过一些数字,来看看GNSS技术在地质灾害监测领域所能达到的毫米级精度。我们以千寻位置的静态毫米级高精度定位服务FindMM为例,基于12小时弧长,实体站点的5公里范围内,理想环境下的测量精度可以达到平面2mm+0.5ppm,高程4mm+0.5ppm。就拿平面精度数据来看,“2mm+0.5ppm”前者叫固定误差,后面的ppm的值叫比例误差,与基线长度有关。0.5ppm意为:1公里长度的测量误差,是0.5mm。假如监测点和基准站的距离是5公里,那么距离误差就是0.5*5=2.5mm。总体的误差就是2mm+2.5mm=4.5mm。也就是说,平面误差范围在4.5mm内。

    如果采用千寻位置SGR虚拟站技术,则可确保CORS网内获得均匀定位精度,监测精度不会随基线长度增加而产生明显衰减。

    GNSS监测站毫米级“值守”地质灾害隐患点(图片源自千寻位置)

    目前,GNSS毫米级变形监测技术,已应用于各地质灾害隐患点的长期精密监测,有利于对地质灾害开展深入研究、建立各个灾害隐患点的数学模型以及监测预警,将自然灾害带来的损失降到最低。

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