GNSS監(jiān)測系統(tǒng)在開頂滑坡體快速滑移期的應用

開頂滑坡體在快速滑移期極易引發(fā)災害，對工程建設和人民生命財產(chǎn)安全構成嚴重威脅。然而，開頂滑坡體快速滑移期的監(jiān)測預警面臨位移速率高、破壞性強等困難。本文提出利用GNSS監(jiān)測技術建立開頂滑坡體快速滑移期的監(jiān)測系統(tǒng)。通過合理設計監(jiān)測點位布設方案和數(shù)據(jù)采集傳輸方案，并開展滑坡體位移時序特征和加速度變化規(guī)律分析，實現(xiàn)開頂滑坡體快速滑移期的實時、高精度、全方位監(jiān)測，為滑坡災害預警和防治提供關鍵的數(shù)據(jù)支撐，最大限度減輕滑坡災害損失。

一、GNSS監(jiān)測技術在滑坡體位移監(jiān)測中的優(yōu)勢

GNSS（全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)）監(jiān)測技術是利用GPS、GLONASS、Galileo等衛(wèi)星導航系統(tǒng)對地表目標進行高精度位置監(jiān)測的技術。與傳統(tǒng)的測量方法相比，GNSS監(jiān)測技術具有顯著優(yōu)勢。首先，GNSS監(jiān)測技術可以實現(xiàn)毫米級的位移監(jiān)測精度，滿足滑坡體位移監(jiān)測的高精度要求。其次，GNSS接收機可以全天候、全天時連續(xù)工作，實現(xiàn)滑坡體位移的實時動態(tài)監(jiān)測。此外，GNSS接收機體積小、重量輕、易于安裝，可以方便地布設在滑坡體的關鍵位置。GNSS監(jiān)測技術還具有數(shù)據(jù)傳輸方便、數(shù)據(jù)處理自動化程度高等優(yōu)點?；谝陨蟽?yōu)勢，GNSS監(jiān)測技術在滑坡體位移監(jiān)測中得到了廣泛應用，為滑坡災害預警和防治提供了重要技術支撐。

二、開頂滑坡體快速滑移期的GNSS監(jiān)測系統(tǒng)設計

（一）監(jiān)測點位選擇與布設

開頂滑坡體快速滑移期的GNSS監(jiān)測系統(tǒng)設計需要綜合考慮多方面因素，其中監(jiān)測點位的選擇和布設直接關系到監(jiān)測數(shù)據(jù)的質量和可靠性。首先，監(jiān)測點位的選擇需要充分考慮滑坡體的地質結構特征、滑移方向、滑移速率等關鍵因素。通過前期的地質調查和勘探，深入分析滑坡體的空間結構和運動學特征，在此基礎上選擇能夠代表滑坡體整體變形特征的關鍵部位布設監(jiān)測點，如滑坡體的頭部、中部、腳部等。同時，還應在滑坡體穩(wěn)定區(qū)域布設若干基準點，作為GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)的參考。在選擇GNSS接收機時，需要綜合考慮監(jiān)測精度、采樣頻率、數(shù)據(jù)格式等技術指標。為滿足開頂滑坡體快速滑移監(jiān)測的高精度要求，GNSS接收機應采用多頻（如GPSL1/L2/L5，GLONASSL1/L2，BDSB1/B2/B3等）、多模（如GPS、GLONASS、BDS、Galileo等）、多通道（如220通道以上）的型號，支持多個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的聯(lián)合定位，以提高定位精度和可靠性。接收機的數(shù)據(jù)采樣頻率應不低于20Hz，以滿足滑坡體快速位移變化監(jiān)測的需求。數(shù)據(jù)格式應支持RINEX2.x/3.x、BINEX等通用格式，并具備原始觀測數(shù)據(jù)、導航電文等多種數(shù)據(jù)輸出形式，便于數(shù)據(jù)的傳輸、存儲和后處理分析。接收機還應支持NMEA0183、PPS等標準通信協(xié)議，實現(xiàn)與其他監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)對時和同步。其次，在具體布設監(jiān)測點時，需要重點關注GNSS接收機的視場條件和安裝穩(wěn)定性。監(jiān)測點的布設應綜合考慮滑坡體的幾何形態(tài)、運動特征和潛在滑裂面位置等因素。一般應在滑坡體縱向和橫向布設多個剖面，每個剖面布設3—5個監(jiān)測點，監(jiān)測點間距應根據(jù)滑坡體尺度和變形特征合理設置，一般為10—50m。同時，監(jiān)測點應盡量布設在視場開闊、地形條件相對穩(wěn)定的區(qū)域，避免周圍存在高大樹木、陡峭崖壁等遮擋物，以提高GNSS信號接收質量和定位精度。

（二）數(shù)據(jù)采集與傳輸方案

為評估GNSS監(jiān)測系統(tǒng)的性能，需重點關注數(shù)據(jù)采集的精度、可靠性和實時性等指標。通過開展系統(tǒng)性能測試和誤差分析，可以全面評估系統(tǒng)的動態(tài)響應特性、數(shù)據(jù)傳輸時延、定位精度等關鍵指標，進一步論證系統(tǒng)設計的合理性和可靠性。例如，通過在滑坡體不同位置進行多期動態(tài)位移控制測試，分析GNSS監(jiān)測系統(tǒng)的動態(tài)響應特性和定位精度；通過在不同數(shù)據(jù)傳輸方案下進行數(shù)據(jù)傳輸測試，評估數(shù)據(jù)傳輸時延和丟包率；通過長期連續(xù)運行測試，評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，數(shù)據(jù)采集的可靠性影響到監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性，可通過配置UPS電源和大容量存儲設備來保證。數(shù)據(jù)采集的實時性取決于數(shù)據(jù)傳輸鏈路的時延和帶寬，可通過優(yōu)選傳輸網(wǎng)絡和合理設置數(shù)據(jù)打包發(fā)送間隔來實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中，可能存在多種誤差來源，如多路徑效應等，需采取多系統(tǒng)聯(lián)合定位、數(shù)據(jù)質量控制等措施加以控制。同時，考慮到滑坡體快速滑移可能引發(fā)通信中斷，GNSS接收機需具備數(shù)據(jù)存儲能力，以在通信中斷期間持續(xù)記錄數(shù)據(jù)，待通信恢復后再補傳，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。在數(shù)據(jù)傳輸方面，GPRS、4G等無線傳輸技術可以滿足GNSS監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需求，但在復雜地形條件下可能出現(xiàn)盲區(qū)，影響傳輸穩(wěn)定性，需要配置不間斷電源保證傳輸設備持續(xù)運行，并建立衛(wèi)星通信等備份數(shù)據(jù)傳輸通道，提高可靠性。

三、基于GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)的開頂滑坡體快速滑移特征分析

（一）滑坡體三維位移時序特征

GNSS監(jiān)測技術可持續(xù)獲取滑坡體表面各監(jiān)測點的三維位移時間序列，為開展滑坡體位移時序特征分析提供重要數(shù)據(jù)支撐。通過對GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理和分析，可精細刻畫滑坡體在快速滑移期的三維位移演化過程。首先，對各監(jiān)測點的三維坐標時間序列進行分解，提取滑坡體位移在水平和垂直方向的分量，分析位移分量的時間演化規(guī)律，揭示滑坡體在不同方向上的非線性位移響應特征，判斷主導位移方向和運動學模式。為更全面、立體地刻畫滑坡體的變形特征，可進一步融合InSAR、地面三維激光掃描、無人機攝影測量等多源監(jiān)測數(shù)據(jù)。InSAR技術可提供滑坡體表面的大范圍、高密度位移場信息，揭示滑坡體變形的空間分布規(guī)律；地面三維激光掃描可獲取滑坡體高精度的三維點云模型，精細刻畫滑坡體的地表形態(tài)變化；無人機攝影測量可獲取滑坡體的高分辨率正射影像和三維模型，直觀表達滑坡體的地表景觀特征。通過綜合分析GNSS、InSAR、激光掃描、攝影測量等多源監(jiān)測數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)對滑坡體變形特征的立體化、多尺度刻畫，全面認識滑坡體變形的時空演化規(guī)律。此外，采用小波分析、Hilbert-Huang變換等先進信號處理方法，可深入挖掘滑坡體位移時序的多尺度變化特征。小波分析可提取滑坡體位移在不同時間尺度上的變化特征，識別位移序列的突變點和關鍵轉折點。Hilbert-Huang變換可提取位移序列的瞬時頻率和振幅特征，揭示滑坡體位移的非平穩(wěn)和非線性演化規(guī)律。利用實測GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用這些先進信號分析方法，可更全面深入認識滑坡體位移的時間演化特征。進一步通過對比分析不同監(jiān)測點的位移時序特征，可揭示滑坡體不同部位的差異性位移響應，分析滑坡體的變形傳遞規(guī)律，估算滑坡影響范圍，判斷滑坡體的變形模式，為穩(wěn)定性分析提供依據(jù)?；麦w位移時序特征定量表征是預測滑坡發(fā)展趨勢的關鍵。通過構建滑坡位移時間序列統(tǒng)計模型，可定量描述滑坡體位移隨時間的演化規(guī)律，外推預測未來一段時間內的位移變化趨勢，為滑坡災害預警提供時間窗口。同時，結合降雨、地下水位等監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析外部因素變化與滑坡體位移響應的動態(tài)關聯(lián)特征，建立基于多因素的滑坡預警模型，提高預警精度和可靠性。

（二）滑坡體加速度變化規(guī)律

GNSS監(jiān)測技術可以實時捕獲滑坡體表面位移的動態(tài)變化，為分析滑坡體加速度變化規(guī)律提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。通過對GNSS監(jiān)測獲取的滑坡體位移時間序列進行差分處理，可以得到滑坡體位移的速度時間序列，進一步對速度序列進行差分，即可計算出滑坡體位移的加速度時間序列。通過分析加速度時間序列的統(tǒng)計特征，如均值、方差、趨勢等，可以定量描述滑坡體加速度的變化規(guī)律。當滑坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)時，加速度時間序列呈現(xiàn)出隨機波動特征，均值接近于零，方差較小。而當滑坡體進入加速狀態(tài)時，加速度時間序列表現(xiàn)出明顯的趨勢性，均值顯著偏離零值，方差逐漸增大。通過設定加速度閾值，可以及時判斷滑坡體的穩(wěn)定性狀態(tài)，識別其由穩(wěn)定向失穩(wěn)轉化的關鍵時刻。為驗證基于GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)的滑坡體加速度變化規(guī)律分析方法的有效性，可結合實際工程案例開展滑坡穩(wěn)定性評價和滑移趨勢預測研究。以某一典型開頂滑坡體為例，利用GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算滑坡體的加速度時間序列，分析其統(tǒng)計特征隨時間的演化規(guī)律。根據(jù)加速度閾值判據(jù)，對滑坡體的穩(wěn)定性狀態(tài)進行評價，并與其他監(jiān)測量（如地下水位、降雨量等）的變化趨勢進行對比分析，揭示滑坡體失穩(wěn)過程的動力學機制。在此基礎上，利用Voightmodel等非線性加速度模型，對滑坡體的臨界失穩(wěn)時間進行預測，并評估預測結果的可靠性。通過實際工程案例的分析，可直觀展示GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)在滑坡體穩(wěn)定性評價和滑移趨勢預測中的應用效果，證明所提出方法的實用性和可行性。進一步地，通過構建滑坡體加速度時間序列的非線性動力學模型，可以定量預測滑坡體的臨界失穩(wěn)時間?；跉v史加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用Voightmodel、Fukuzonomodel等非線性加速度模型，可以外推滑坡體加速度的發(fā)展趨勢，預估滑坡體由加速到失穩(wěn)的時間。通過分析滑坡體在不同加速度階段的動力學特征，可以揭示滑坡失穩(wěn)過程的階段性特征，識別滑坡體失穩(wěn)的臨界閾值。當監(jiān)測到滑坡體加速度持續(xù)增大、接近臨界閾值時，可以及時啟動預警響應機制，采取撤離人員、搶險抗災等措施，最大限度地減輕滑坡災害的損失。

四、結語

本文通過合理設計GNSS監(jiān)測系統(tǒng)，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深入分析，揭示出開頂滑坡體快速滑移期的位移時序特征和加速度變化規(guī)律，為滑坡災害的預警和防治提供關鍵的數(shù)據(jù)支撐。然而，滑坡體的變形機理復雜，僅依靠GNSS監(jiān)測技術還難以實現(xiàn)滑坡災害的精準預警。未來還需要綜合運用InSAR、地球物理探測等多種監(jiān)測手段，并結合數(shù)值模擬、物理模型試驗等研究方法，深入揭示開頂滑坡體快速滑移的機理，建立更加完善的滑坡監(jiān)測預警體系，為滑坡災害的防治提供全面的技術支撐。

（作者單位：國核電力規(guī)劃設計研究院有限公司勘測分公司）