基于CORS基准站的地质灾害监测技术研究

温旭,刘立,罗猛威,张乙志,王路

(浙江省第一测绘院,浙江 杭州 310012)

0 引 言

近年来,浙江省地质灾害呈高发频发趋势,已成为当前威胁山区农村公共安全的首要问题．2017年,浙江省委、省政府在全省部署开展地质灾害隐患综合治理“除险安居”三年行动,把地质灾害防治工作作为重点督查事项．《浙江省国民经济和社会发展第十三个五年(2016—2020 年)规划纲要》强调,“加强地质灾害防控和隐患排查,提高对自然灾害和重大公共事件的预警能力”．

地质灾害定量监测是至今难以取得有效突破的重大难题之一.当前的地质灾害预防主要以地质调查、经验判断、统计评估和群测群防为基础[1]．为有效监测地质灾害和提高时效性,采用连续运行参考站(CORS)基准站的不间断、实时的观测数据分析基准站周边地质运动变化,可作为地质灾害预防手段的一种补充．

气候和地球表层水文环境的改变,可由大气、地表水(土壤水、江河湖库水)、地下水与海平面变化表示,可导致地质危体所在地区的地面稳定性下降[2],同时引发地面垂直形变,此时若遇到极端天气、地震、潮汐大潮等环境异常情况,容易诱发地质灾害．这些地质灾害诱发因素是地面垂直形变与重力变化的主要原因,因而能被CORS、InSAR、地面重力和水准测量、重力卫星等测绘技术监测到．正因为如此,测绘技术一直是国内外地质灾害、地震灾害监测预警不可或缺的重要手段,国内外有很多基于GPS技术成功应用于地质灾害监测的案例[3-6]．

覆盖浙江省的卫星导航定位基准站网已持续运行近10年,一直在全天候连续监测地面垂直形变与重力场变化．由于地质灾害的诱发因素与引起CORS站网垂直形变的影响因素高度相关,CORS基准站可以及时、高精度、连续地监测到周边气候和地表水文环境变化对地质灾害的影响,因此,基于浙江CORS基准站网的观测数据的精密数据处理与分析,同时结合大气、地表水及海平面变化等观测资料,可以定量跟踪地质灾害的孕育、发生、发展、衰退和恢复等灾变过程．

1 总体思路

以地面形变监测为重点,采用高精度的数据处理软件GAMIT/GLOBK(10.6)处理2015年至2017年浙江省丽水、温州及周边地区39座基准站数据，如图1所示,完成CORS基准站时间序列分析与站点地面形变信息提取工作;收集、整理大气、江河湖库水、土壤水与海平面变化观测资料,确定由此引起的地面形变、 地面重力及地倾斜变化;基于CORS站网时间序列分析成果,联合大气、地表水与海平面变化观测资料,开展覆盖CORS站网作用范围的地面垂直形变、地面重力及地倾斜变化连续监测工作;由CORS站网地面形变、地面重力及地倾斜变化监测成果,定量检测地面稳定性降低的时间与地点、持续作用时间与空间范围,分析其时空演变动态与规律;进而定量跟踪地面稳定性变化,分析CORS基准站网对地质灾害的监测能力．

图1 丽水温州及周边基准站分布图

2 数据处理策略

用GAMIT/GLOBK软件对39座CORS和12座IGS基准站数据作处理[7]．通过对每个基准站每日的CORS观测量数据解算包括观测站位置、接收机钟差与卫星钟差等在内的多种参数．采用Relax解算类型、LC-HELP观测量类型;气象条件为标准大气压,温度为20°;天顶延迟改正模型VMF1、延迟参数和水平梯度的估计间隔为2 h;天线模型采用随高度角和方位角变化的绝对改正模型、光压模型BERNE;数据编辑采用自动处理AUTCLN;海潮模型FES2004、地球定向参数IERS10、固体潮模型IERS10;IGS基准站点坐标将ITRF2008框架下的周解坐标作为输入的先验坐标;丽江、温州及周边地区CORS基准站坐标,采用2015年第1天计算成果作为输入;基线解算过程中对IGS站三个方向的约束均为5 cm．对于参与解算的CORS站,为精确解算实际形变,则不进行约束,获得测站和卫星轨道的单天区域松弛解(h-file)．这个单天解给出了区域测站、极移和卫星等参数的松弛解和方差-协方差矩阵．

利用GLOBK软件进行整网平差,得到丽水温州及周边CORS基准站在ITRF2014框架下的基准站点坐标变化时间序列及运动速度值．平差过程对IGS站点N、E、U三个方向的约束量分别为5 mm、5 mm、10 mm;对CORS基准站点的约束分别为10 m、10 m、10 m;采用IGS站作为确定框架的基准点．在CORS基准站网形变监测过程中,进一步利用CORS基准站时序的空间强相关性,提高CORS基准站稳定性分析的能力．基准站点的稳定性分析,应确保坐标变化表示的是CORS基准站所在地面的变化,而不仅仅是CORS卫星天线的位置变化．

3 计算结果与分析

通过对基于CORS基准站的单天解的水平坐标时序分析、周期分析与线性项估计,大地高时序分析、周期分析与非线性项分离,移去三维坐标时序的线性趋势项,当前后坐标变化量大于月平均离散度(天解与月平均坐标之差的标准差)的3倍时,认为是跳变,排查跳变原因,估计跳变量,并修复形变信号．利用跳变修复后的天解、周解坐标时间序列,评价基准站点的稳定性．获得丽水温州及周边地区39座CORS站的三维速度场如图2所示．

图2 CORS基准站三维速度场

采用固定拟合半径(3倍CORS站平均间距),由CORS基准站水平坐标时序分离的各种线性项,自适应估计半差函数(等效于协方差函数),按具有自适应抗差功能的克里格拟合法,生成丽水温州地区2′×2′水平速度场向量格网．从CORS基准站网监测的2015-2017年丽水温州地区水平速度场如图3所示(统一减去平均水平运动速度)可以看出,蒲城-松阳(南)-文成-福鼎沿线两边,水平速度场特征变化较大,蒲城-松阳(南)地面拉伸,文成至福鼎地区的地面明显受到挤压,地面稳定性变低．蒲城-龙泉-景宁-泰顺沿线,以及青田和周边,地面受到一定程度的挤压,这些地区的地面稳定性发生明显变化．

图3 2015-2017年丽水温州地区水平速度场图

同样采用固定拟合半径,由CORS基准站点大地高时序分离的线性项,自适应估计半差函数参数,按具有自适应抗差功能的克里格拟合法,生成丽水温州地区2′×2′地面沉降速率格网．从CORS基准站网监测的2015-2017年大地高年变化率，如图4所示，可以看出,丽水温州地区地面沉降呈现明显的空间不均匀分布特点．从总体上看,丽水市域主要表现为地面隆升,温州市域主要表现为地面沉降．丽水温州交界的整个带状区域,是地质灾害易发地区．

图4 2015-2017年丽水温州地区大地高年变化

为测试验证CORS基准站网地质灾害前兆捕获、追踪和可能性预警能力,从网上和公开报道中,收集整理了2015-2017年期间,丽水温州地区发生的40起地质灾害(险情)事件．以每处地质灾害(险情)事件为单元,逐一分析地质灾害前兆捕获、追踪和动力环境作用,发现CORS基准站网能提前捕获到37个地质灾害的前兆,并提前预警,地质灾害前兆漏检率为7.5%(如图5所示)．可见,CORS基准站网具备地质灾害前兆检测和灾害可能性预警能力．

图5 CORS基准站网地质灾害(险情)前兆检测与统计图表

4 结束语

降雨过程中大气压剧降,地面向上回弹;固体潮大潮高潮前后,地面重力减小;海平面下降时,沿海地区地面向上回弹,地面重力减小．因此,强降雨、大气压剧降、大潮、海平面下降等环境异常,都会导致地面稳定性变低,易诱导或加剧地质灾害,容易被附近及周边CORS基准站及时、高精度、连续地监测到气候和地表水文环境变化对地质灾害的影响．

利用CORS站网天解、周解产品,结合大气、地表水及海平面变化等观测资料,生成CORS站网作用范围内地面水平、垂直形变、地面重力变化等时间序列产品,进而定量跟踪整个区域地面稳定性及其时空演变动态．实现地面垂直形变、地面重力变化的高精度连续监测,通过挖掘CORS站网监测地质灾害灾变过程的潜力,补充完善浙江省已有地质灾害监测预警手段,提升地质灾害监测预警能力,推进地质灾害预警向定量化、实用化方向发展,为浙江省重大工程建设(高铁和高速的建设、大型水利设施建设)和形变安全运营、资源环境承载力评估等提供支持．