基于CORS基準(zhǔn)站的GNSS滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)處理策略分析

劉邢巍，蔡華，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. 自然資源部國土空間規(guī)劃監(jiān)測評估預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 401127 )

0 引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)具有測站間無需通視、精度高、全天侯、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，其基線解算相對精度可達(dá)10-9量級[1]，已成為滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警的重要技術(shù)手段. 目前，GNSS技術(shù)在滑坡監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用主要以“1/2+N”的監(jiān)測模式為主，即1個(gè)(或2個(gè))基準(zhǔn)站和若干個(gè)監(jiān)測站[2-4]，這種監(jiān)測模式需要在監(jiān)測區(qū)域附近單獨(dú)建設(shè)GNSS基準(zhǔn)站，各區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，存在基準(zhǔn)站選址難度大、資源不能共享、建設(shè)成本高等問題.

當(dāng)前，我國各省(直轄市、自治區(qū))測繪地理信息主管部門紛紛建立了衛(wèi)星導(dǎo)航定位連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)，不僅是維持區(qū)域空間基準(zhǔn)、提供時(shí)空信息服務(wù)的核心設(shè)施，而且是導(dǎo)航位置服務(wù)、精密衛(wèi)星定軌、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等工程和科學(xué)研究的重要支撐[5]，且大部分基準(zhǔn)站建在地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基巖上. 在大尺度地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域，CORS基準(zhǔn)站能夠?yàn)閰^(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)(地面沉降)提供連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)[5-7]，在小尺度滑坡地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測領(lǐng)域，CORS主要提供網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)定位服務(wù)[8-10]，而CORS基準(zhǔn)站資源直接應(yīng)用于滑坡變形監(jiān)測領(lǐng)域的研究較少. 2020年在自然資源部印發(fā)的《地質(zhì)災(zāi)害專群結(jié)合監(jiān)測預(yù)警技術(shù)指南(試行)》中明確指出“集中連片宜采用地基增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)或自建基準(zhǔn)站”[11]. 因此，為充分發(fā)揮利用CORS基準(zhǔn)站資源，降低滑坡變形監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)維成本，本文以重慶CORS系統(tǒng)[12]為例，基于GAMIT軟件[13]分析了以CORS基準(zhǔn)站為監(jiān)測基準(zhǔn)時(shí)，觀測值類型、解算時(shí)長、基線長度對監(jiān)測精度的影響，評估了CORS基準(zhǔn)站直接應(yīng)用于滑坡監(jiān)測的可行性，為推動(dòng)CORS在變形監(jiān)測的深度應(yīng)用提供了重要的數(shù)據(jù)支撐.

1 數(shù)據(jù)來源

考慮到CORS基準(zhǔn)站一般建在穩(wěn)固的基巖上，其相對關(guān)系極為穩(wěn)定，短時(shí)間變化量極小. 為科學(xué)評定基線長度、解算時(shí)長、基線解類型對監(jiān)測精度的影響，選取重慶CORS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源，同時(shí)，考慮到重慶滑坡地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測點(diǎn)部分位于樹林茂密、衛(wèi)星信號觀測條件不佳的地帶，為與真實(shí)的監(jiān)測環(huán)境保持一致. 如表1所示，在重慶CORS基準(zhǔn)站中選取了5組不同長度的基線1 km、2 km、6 km、8 km、12 km作為研究對象，其中部分監(jiān)測站位于樹林茂密的地帶.

表1 數(shù)據(jù)來源概況

2 解算策略分析

2.1 基線解類型分析

GAMIT軟件在進(jìn)行基線解算時(shí)，提供了以下幾種基線解類型[14-15]：

1) L1_ONLY解：單頻短基線解，即在解算時(shí)只利用GPS雙頻接收機(jī)中的L1載波觀測值進(jìn)行基線求解，類似于單頻GPS接收機(jī)，主要用于短基線.

2) L1L2_INDENT解：即在解算時(shí)將雙頻接收機(jī)中的L1和 L2載波觀測值作為兩種相互獨(dú)立的觀測值參與解算，主要用于短基線.

3) LC_AUTCLN解：利用GNSS雙頻接收機(jī)的消電離層組合觀測值進(jìn)行基線解算，并基于碼求解寬巷模糊度，適合處理長基線.

4) LC_HELP解：基于電離層約束求解寬巷模糊度，適合處理長基線.

考慮到不同基線解類型間的差異，從相關(guān)學(xué)者前期研究結(jié)論[14-15]及GAMIT軟件說明中可知，L1L2_INDENT解(以下簡稱“L1L2解”)和LC_AUTCLN解(以下簡稱“LC解”)分別是針對短基線和長基線提供的高效基線解算類型，因此，本文主要分析以上兩種解算類型對基線解算的影響.

2.2 解算時(shí)長分析

GNSS高精度定位中，為了達(dá)到一定的精度要求，需要保證較好的觀測條件和解算時(shí)長. 觀測條件的優(yōu)劣直接影響到觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，解算時(shí)段長短則決定了數(shù)據(jù)處理過程中的多余觀測，二者是影響GNSS定位精度的重要因素. 在觀測條件一定的情況下，為了兼顧精度和效率，必須確定合理的解算時(shí)段長度. 研究表明：為了確?；卤O(jiān)測的時(shí)效性，解算時(shí)長與監(jiān)測等級有關(guān)，一般為1 h、2 h、4 h、6 h，對于10 km以上的基線，本文在以上時(shí)段基礎(chǔ)上增加了12 h和24 h解算時(shí)長.

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理策略

為分析位移監(jiān)測中解算時(shí)長、基線長度、監(jiān)測精度三者之間的關(guān)系，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)基于GAMIT軟件進(jìn)行解算分析. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理策略為：

1)采用GPS觀測值；

2)衛(wèi)星軌道采用超快速星歷(預(yù)報(bào)部分)；

3)衛(wèi)星截止高度角設(shè)置10°；

4) 1 km的基線(DIJI-JCDJ)不附加天頂對流層參數(shù)估計(jì)，由于2 km的基線(ROCH-JCRC)兩站高差較大(約80 m)，因此2 km以上的基線附加天頂對流層參數(shù)估計(jì)；

5)采用基線網(wǎng)解，將基準(zhǔn)站的ITRF坐標(biāo)固定為精確已知坐標(biāo)；

6)對于基線結(jié)果不進(jìn)行平差，利用間接平差得到的各時(shí)段坐標(biāo)結(jié)果直接形成各監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)間序列；

7)基線解類型分別選擇LIL2解和LC解. 如表2所示，解算時(shí)長分別取1 h、2 h、4 h和6 h，即每條基線存在8種解算方案，此外，對于LIJI-BEBE長基線，考慮到基線過長，對觀測時(shí)長要求較高，額外增加了12 h和24 h解算方案.

表2 基線解算方案

3.2 監(jiān)測精度評價(jià)方法

對于GNSS監(jiān)測系統(tǒng)來說，其監(jiān)測站在不同時(shí)間段或多或少存在變形，其不具備同一性的特征，不能用于評定監(jiān)測精度；而其基準(zhǔn)點(diǎn)一般都建在穩(wěn)固的巖石上，相對關(guān)系極為穩(wěn)定，不同時(shí)間段變化量極小，可以忽略，因此可用于評定監(jiān)測系統(tǒng)的精度.

各時(shí)段基線向量的重復(fù)性反映了GNSS數(shù)據(jù)處理中基線解的內(nèi)部精度，是衡量基線解算質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo). 這一指標(biāo)對于變形監(jiān)測來說特別重要，因?yàn)樽冃伪O(jiān)測實(shí)質(zhì)上是獲取兩期或者多期之間的相對差值，其定義為[16]

式中：ci是各時(shí)段解中基線的各分量值；σi2是相應(yīng)分量的協(xié)方差；cˉ 為相應(yīng)基線分量的加權(quán)平均值；R為相應(yīng)的重復(fù)性.

3.3 時(shí)間序列中粗差剔除方法

采用三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對解算結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量控制[4]：

1)標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差(NRMS). NRMS值是用來表示單時(shí)段解算出的基線值偏離其加權(quán)平均值的程度，是從歷元的模糊度解算中得出的殘差，作為衡量GAMIT基線解算結(jié)果的一個(gè)重要指標(biāo). 利用基線解的NRMS值評估同步質(zhì)量好壞，要求其值小于0.5.

2)短基線，寬、窄巷模糊度全部固定.

3)對于觀測數(shù)據(jù)序列 {x1,x2,···,xN} ，描述該序列數(shù)據(jù)的變化特征為[4]

這樣，由N個(gè)觀測值數(shù)據(jù)可以得到N-2 個(gè)dj，同時(shí)，由dj值可以計(jì)算序列數(shù)據(jù)變化的統(tǒng)計(jì)均值和均方差

根據(jù)dj偏差的絕對值與均方差的比值，可獲得

當(dāng)qj＞3 時(shí)，認(rèn)為xj是奇異值，予以舍棄.

3.4 時(shí)間序列獲取與分析

本文針對8種不同解算方案得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除，得到“干凈”的去均值的時(shí)間序列(因篇幅受限，只給出2 km的時(shí)間序列，具體如圖1所示)，南北(N)方向、東西(E)方向、天頂(U)方向、基線長度(L)上的解算精度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，如表3所示. 本文結(jié)合數(shù)據(jù)有效率，即粗差剔除后剩余有效解個(gè)數(shù)占全部解個(gè)數(shù)的比例及監(jiān)測精度指標(biāo)，對解算結(jié)果進(jìn)行了分析，具體如下：

表3 監(jiān)測精度統(tǒng)計(jì)表

圖1 ROCH-JCRC 8種解算方案計(jì)算得到的時(shí)間序列

1)對于長度為1～2 km的基線，解算時(shí)長設(shè)置為1～6 h時(shí)，采用L1L2解得到的數(shù)據(jù)有效率及監(jiān)測精度均優(yōu)于LC解，這是由于短基線兩端觀測環(huán)境相關(guān)性極強(qiáng)，短基線宜采用差分模式消除觀測誤差的L1L2解，而不宜采用模型改正的LC解(引入較大的觀測噪聲).

2)對于長度接近6 km的基線，在數(shù)據(jù)有效率方面，L1L2解的數(shù)據(jù)有效率整體高于LC解，當(dāng)解算時(shí)長大于等于4 h時(shí)，數(shù)據(jù)有效率能夠提升至95%以上. 在監(jiān)測精度方面，L1L2解監(jiān)測精度均優(yōu)于LC解，隨著解算時(shí)長的增加，兩種解的監(jiān)測精度逐漸接近. 因此，對于6 km級別的基線，建議采用LC基線解類型，并將解算時(shí)長設(shè)置為4～6 h.

3)對于長度接近8 km的基線，在數(shù)據(jù)有效率方面，采用4 h解算時(shí)長，數(shù)據(jù)有效率可以得到90%；采用6 h解算時(shí)長，數(shù)據(jù)有效率可以達(dá)到95%；當(dāng)解算時(shí)長大于4 h時(shí)，LC的解算有效率普遍高于L1L2解算有效率. 監(jiān)測精度與解算時(shí)長呈現(xiàn)明顯正相關(guān)，即隨著解算時(shí)長的提高，監(jiān)測精度明顯提升. L1L2解和LC解相差較大，主要原因是LC解各種模型均采用模型改正，在處理中長基線時(shí)優(yōu)勢明顯. 可以看出，在保障數(shù)據(jù)有效性達(dá)到90%的基礎(chǔ)上(解算時(shí)長大于4 h)，采用LC觀測值的監(jiān)測精度在N、E、U、L四個(gè)分量上均明顯優(yōu)于L1L2觀測值. 因此，對于8 km級別的基線，建議采用LC基線解類型，并將解算時(shí)長設(shè)置為4～6 h.

4)對于長度接近13 km的基線，在數(shù)據(jù)有效率方面，當(dāng)解算時(shí)長達(dá)到6 h時(shí)，LC解的數(shù)據(jù)有效率接近60%，高于L1L2解的數(shù)據(jù)有效率；當(dāng)解算時(shí)長提高至12 h時(shí)，LC解的數(shù)據(jù)有效率有明顯提升，而L1L2解的數(shù)據(jù)有效率表現(xiàn)不明顯. 在監(jiān)測精度方面，L1L2解和LC解相差較大，主要原因是LC解各種模型均采用模型改正，在處理中長基線優(yōu)勢明顯. 可以看出，在保障數(shù)據(jù)有效性達(dá)到90%以上的基礎(chǔ)上(解算時(shí)長大于12 h)，采用LC觀測值的監(jiān)測精度在N、E、U、L四個(gè)分量上均明顯優(yōu)于L1L2觀測值. 因此，對于12 km級別的基線，建議采用LC觀測值進(jìn)行處理，解算時(shí)長設(shè)置為12 h時(shí)，監(jiān)測精度可以達(dá)到平面方向優(yōu)于6 mm，高程方向優(yōu)于15 mm的水平.

5)根據(jù)《重慶市地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測技術(shù)要求(試行)》[17]文件對于滑坡監(jiān)測的技術(shù)要求，結(jié)合以上分析，給出了CORS基準(zhǔn)站作為滑坡監(jiān)測基準(zhǔn)時(shí)的適用性建議，如表4所示.

表4 CORS基準(zhǔn)站在滑坡監(jiān)測領(lǐng)域適用性建議

4 結(jié)束語

CORS基準(zhǔn)站不僅是區(qū)域高精度時(shí)空基準(zhǔn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，而且是導(dǎo)航定位服務(wù)、衛(wèi)星精密定軌、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等工程和科學(xué)研究的重要支撐. 本文瞄準(zhǔn)滑坡變形監(jiān)測對CORS基準(zhǔn)站的需求，以重慶CORS為例，選取了5種不同長度的基線，分析了基線長度、觀測值類型、解算時(shí)長對監(jiān)測精度的影響，確定了基于CORS基準(zhǔn)站的變形監(jiān)測解算策略及精度指標(biāo)，給出了適用性建議，為推動(dòng)CORS基準(zhǔn)站資源在變形監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用提供了依據(jù).