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緊盯隱患!GNSS毫米級“值守”地質災害監測

2020-12-18 16:51 性質:轉載 作者: 北斗智造者 來源: 北斗智造者
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作為世界上地質災害最嚴重、受威脅人口最多的國家之一,我國滑坡、泥石流、崩塌等大大小小的地質災害每年近萬起。近年來,全球氣候變暖進一步加劇,極端氣候事件...

作為世界上地質災害最嚴重、受威脅人口最多的國家之一,我國滑坡、泥石流、崩塌等大大小小的地質災害每年近萬起。近年來,全球氣候變暖進一步加劇,極端氣候事件增多,地質災害風險不斷增加,威脅著人民群眾生命財產安全,影響到國家重大工程的建設,也制約了我國國民經濟的可持續發展。

2020年1-10月我國發生的地質災害數量為7771起,成功預報522起,僅占6.72%

地質災害具有極強的隱蔽性、突發性和破壞性。據中國地質災害防治工程行業協會統計,2020年1-10月份,全國共發生地質災害7771起,其中滑坡4775起、崩塌1775起、泥石流897起、地面塌陷174起、地裂縫142起、地面沉降8起,造成117人死亡、22人失蹤、56人受傷,直接經濟損失49.7億元。

雖然地質災害的力量不可抗拒,但提前的監測預警可以讓人們在被動中盡可能爭取主動。今年1-10月份,全國共成功預報地質災害522起,涉及可能傷亡人員17491人,避免直接經濟損失10.0億元。

傳統的地質災害監測預警僅采用簡易“人防”模式。如:用尺測量災害隱患點裂縫寬度,進行數值記錄和上報。但這種方式耗費大量人力、物力,也無法滿足長時間甚至24小時不間斷監測,很難保證突發地質災害事件的提前預警與及時響應。

近年來,我國正加快構建“人防+技防”的地質災害防治新模式,高新技術的賦能為普適性監測預警提供了強大的科技支撐。這其中,GNSS衛星定位,因其全天候全天時的毫米級定位能力,可顯著提升災害隱患點的監測效率,已被成熟應用于變形監測。

GNSS高精度變形監測技術主要基于相對定位原理,即通過在“被監測變形體”和位于其附近的“位置信息已知的、基礎穩定的參考點”上分別架設GNSS定位設備,采用GNSS高精度后處理差分定位技術可精準計算出變形點相對于穩定參考點間的相對位置變化,其位移精度分辨率依據數據處理算法的不同,最高可達毫米級,以此實現高精度變形監測的目的。

GNSS高精度變形監測技術的系統應用(圖片源自網絡)

變形監測采用載波相位差分算法。通過雙差(站間、星間各求一次差)計算原理獲得后處理毫米級定位結果。

雙差計算圖示(圖片源自網絡)

其特點有:

  • 削弱電離層折射影響

  • 削弱對流層折射影響

  • 削弱衛星軌道誤差影響

  • 消除衛星鐘差影響

  • 消除接收機鐘差影響

  • 雙差計算假設基準站和監測站上空的電離層和對流層情況相同,在項目中監測站與基準站距離在5km以內為佳。基于此,統一規劃、統一建設、統一運維的北斗地基增強系統及虛擬SGR基準站技術具備高可用優勢。

    全國高密度覆蓋的北斗地基增強網,可為監測點提供高精度基準(圖片源自千尋位置)

    物理站通過SGR技術生成網格化虛擬站,可為監測站提供就近的網格點觀測量(圖片源自千尋位置)

    后處理毫米級載波相位差分算法,適用于趨勢性變形監測。且精度與觀測時長、基線長度都有密切的關系:

    (1)觀測時長,與精度呈正相關。監測站連續接收衛星觀測數據的時間越長、精度越高。這很好理解,參與解算的觀測數據越多,對結果的糾偏幫助越大。

    (2)基線長度,與精度呈負相關。監測站與基準站的距離越近,精度越高。因為距離變遠,基站上空的大氣環境相似度會急劇下降,基于差分無法完全消除大氣誤差(包括電離層誤差和對流層誤差)。

    按照基線長度等級,對相同解算弧長下的所有偏差值統計CEP95的平面精度、高程精度后可見:解算弧長越長,精度偏差越小;基線長度越短,精度偏差越小(圖表數據源自千尋位置)

    通過一些數字,來看看GNSS技術在地質災害監測領域所能達到的毫米級精度。我們以千尋位置的靜態毫米級高精度定位服務FindMM為例,基于12小時弧長,實體站點的5公里范圍內,理想環境下的測量精度可以達到平面2mm+0.5ppm,高程4mm+0.5ppm。就拿平面精度數據來看,“2mm+0.5ppm”前者叫固定誤差,后面的ppm的值叫比例誤差,與基線長度有關。0.5ppm意為:1公里長度的測量誤差,是0.5mm。假如監測點和基準站的距離是5公里,那么距離誤差就是0.5*5=2.5mm。總體的誤差就是2mm+2.5mm=4.5mm。也就是說,平面誤差范圍在4.5mm內。

    如果采用千尋位置SGR虛擬站技術,則可確保CORS網內獲得均勻定位精度,監測精度不會隨基線長度增加而產生明顯衰減。

    GNSS監測站毫米級“值守”地質災害隱患點(圖片源自千尋位置)

    目前,GNSS毫米級變形監測技術,已應用于各地質災害隱患點的長期精密監測,有利于對地質災害開展深入研究、建立各個災害隱患點的數學模型以及監測預警,將自然災害帶來的損失降到最低。

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