北斗卫星微位移监测系统在油气管道地质灾害监测预警中的应用

徐江桥，张洪奎，刘道乾，孙伟，刘新，刘青，贾宗凯

（1.中国石化销售华中分公司，湖南 长沙 430023；2.紫光软件系统有限公司，北京 100084）

0 引言

成品油输油管道是油气资源运输的重要环节，线路较长，途经区域自然环境和地质环境复杂，难以避免受到滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害的影响（帅健等，2008）。地质灾害发生时，很容易引起管道变形、破坏、断裂，造成成品油泄露，甚至引发爆炸、火灾等事故，造成重大经济损失，甚至造成人员伤亡（白路遥等，2019）。地质灾害的发生与形变有着极为密切的关系，位移形变的监测，在管道保护领域受到越来越多的关注（林超等，2015）。管道周边形变的准确监测及形变预警，对实现管道安全管控，确保管道平稳输送对于成品油来说具有重要意义（郭存杰等，2016）。

传统针对工程或局部区域的位移形变监测技术研究，主要是利用常规监测设备如全站仪、水准仪等进行位移形变监测，但此类方法费时费力，内外业工作量大、效益低、观测可持续性差（岳建平等，2007）。20 世纪90 年代以来，随着空间技术和物联网技术的发展，卫星导航应用技术（唐咸远等，2017）、干涉合成孔径雷达技术（丁晓利等，2000）等逐渐应用到地表形变监测中来。其中占据主导地位的GPS 以其精度高、传输快、全天候等优势成为最为先进的位移监测手段。2020 年6 月23 日，北斗导航系统（BDS）正式完成全球组网，可以面向全球开展授时、定位、导航服务。从北斗卫星系统提供服务以来，已在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用。

基于北斗卫星的精密轨道参数及卫星钟差改正信息，李敏利用武汉大学自主研发PANDA 软件及北斗试验追踪站网络，对北斗静态和动态精密单点定位进行计算，其研究结果精度可达到cm 级（Li，2014）。GPS（Global Positioning System）与北斗卫星导航系统（BDS，BeiDou Navigation Satellite System）均为全球性的导航定位，GPS 应用于地质灾害监测行业较早且方法较为成熟，因此许多学者将BDS 与GPS 进行比较或者联合定位，比如高星伟等学者解决了两者之间时间系统和坐标系统不一致的问题，实现了两者的数据融合和高精度联合定位，并证明了BDS 已初步具备三维高精度导航定位能力（高星伟等，2012）；胡志刚则通过分析北斗系统实测数据，比较相同环境下BDS 和GPS 短基线相对定位和精密单点定位结果，发现BDS 短基线相对定位精度可达到mm 级，精密单点PPP 可达到cm 级精度，定位性能基本与GPS 接近（胡志刚，2013），以上研究表明北斗定位系统的精度足以满足地质灾害监测的需求。在北斗定位系统用于滑坡监测研究方面，韩静研究了BDS 短基线相对定位算法以及BDS/GPS组合定位关键技术，并将BDS 单系统及BDS/GPS组合系统相对定位技术应用于泾阳滑坡监测（韩静，2017），取得了较好成效；张洪奎首先采用遥感影像对油气管道沿线地质灾害进行识别，在此基础上采用北斗定位技术对存在风险的坡体进行实时监测，并及时向相关人员推送监测结果，起到了有效的防灾减灾效果（张洪奎，2020）。

本文以管道桩号为JG7410 的滑坡地质灾害点为研究区（以下简称JG7410 点），利用北斗微位移监测设备，对成品油管道滑坡风险点进行微形变监测，做到对灾害点高精度、实时、全天候监测，及时掌握灾害点微变形情况，并依据形变量程度进行不同等级报警，保障成品油管道安全，可为管道沿线其他区域地质灾害监测提供示范参考。

1 研究区概况

九赣成品油管道分为九江—樟树段和上饶—赣州段两部分。九江—樟树段为成品油一期管道，管道全长226 km。九赣成品油管道二期工程全长742 km，分为樟树—上饶段和樟树—赣州段，樟树—赣州段起于樟树，向南经吉安分输泵站，终于赣州末站。JG7410 点位于江西省吉安市万安县弹前乡新桥村（图1），归中国石化销售有限公司华中分公司中抚州处赣州站管辖，隶属九赣成品油管道二期的樟树—赣州段。

JG7410 点为石质边坡，坡长30 m，坡高30 m，坡度30°，坡向280°。地表覆盖层为黄色砂土，较松散，厚度约40 cm。下部基岩为粉砂岩，岩层产状为70°∠5°。坡体表面植被为松树及少量矮小草本植物（图2a）。管道切坡穿过，方向与坡体走向一致，铺设时施工形成人工切坡，在管道穿过处形成宽3 m 的平台，管道埋深1.37 m，地表植被被破坏，存在滑坡风险。2019 年底坡体进行治理，现采取格构、排水沟、打锚杆和坡面补种植被的防护措施（图2b）。

图1 JG7410 点位置遥感影像图

图2 JG7410 点治理前（a）及治理后情况（b）

2 北斗卫星微位移监测模块

北斗微位移监测模块用于采集、存储及向数据平台回传卫星观测数据，监测模块采用高精度北斗微位移监测设备，由北斗天线、北斗接收机、通信设备、避雷针、市电避雷器组成（图3），其中接收机、市电避雷器、通信设备布设于防雨机柜中，通过与周边北斗地面基准站的数据进行差分计算，可实现高精度监测。

图3 北斗卫星微位移监测模块

常用的北斗地面基准站有两种形式：一是国家建设的地基增强网，由若干台遍布全国范围的地面基准站组成；二是自建用户基准站。为保证监测精度，要求监测点距离北斗地面基准站在10 km 以内，如果监测点距离国家设立的基准站较远，则需自建地面基准站。

JG7410 点的所在地距离国家建设的地基增强网基准站较远，因此在JG7410 点周边自建基准站，即现场监测端由监测站和基准站组成。我们将监测站安装于管道正上方的切坡顶部中间位置（图4a），自建基站安装于新桥村村民家的车库顶部，距离监测站1km（图4b）。

3 位置解算方法

北斗微位移监测模块每小时一次采集自身位置与北斗卫星的距离和对应时间，根据所在区域北斗卫星网在天空的分布情况不同，每次接收来自3 颗或更多颗北斗卫星的信号。该信号通过解算获得地灾监测点在三维空间的位置，用坐标［x1，y1，z1］表示（图5），此时位置信息包含的误差包含时钟差、电离层误差、大气折射误差、卫星轨道误差等，监测精度为米级。

地面基准站在布设时精确位置已知，用于接收多颗卫星信号，将其获取的观测值与已知的标准值对比，即可获取到基准站位置的时钟差、电离层误差、大气折射误差、卫星轨道误差，得到校正值。监测站与基准站位置相近，各类误差也大致相等，监测站在接收卫星信号时，也同步接收基准站发送的校正。

北斗监测站和基准站的数据、校正数据可通过通信网络实时传输至监测解算模块，利用差分算法，消除电离层延时、对流层延时、接收机和卫星的钟差等，以获取监测点高精度的三维坐标信息［x1，y1，z1］，此时精度为毫米级。

解算模块将获得的坐标信息［x1，y1，z1］，通过4G 信号发送至成品油管道指挥调度中心数据平台，频率为每小时1 次（图5）。平台将最新坐标信息与历史坐标信息对比，研判滑坡监测点在三维空间的微小位移情况并以每小时1 次的频率，向PC 端、手机App 端推送位置信号和实时监测数据。北斗微位移3 个坐标所代表的位移情况如表1 所示。

表1 北斗卫星微位移监测数据及其含义

根据灾害体发育情况和工程岩性，在3 个维度设定蓝、黄、橙、红4 个预警阈值（表2），当滑坡体在某一个或某几个维度的位移量超过设定阈值，则平台立即向各终端发送报警信号，提醒工作人员采取应急措施。

表2 滑坡位移量各级预警阈值

4 监测结果及应用

JG7410 点北斗微位移监测站安装日期为2019年11 月14 日，我们将监测点原始位移设置为“0，0，0”，到2020 年6 月2 日，X、Y、Z 3 个方向的监测数值分别为-12、-20.6、-66.9，即3 个方向上的累计形变量分别为-12 mm、-20.6 mm、-66.9 mm，表明滑坡体垂向下降66.9 mm，向西滑动20.6 mm，向北滑动12 mm，监测平台端发出黄色报警，并将监测结果和报警信息推送至管理人员，提醒关注监测点状态。监测数据与现场核查的滑坡体坡向280°一致，表明滑坡体朝北西向轻微滑动，垂向位移量较大，坡体发生沉降（表3）。

图4 北斗卫星监测站（a）与基准站（b）现场安装情况

图5 北斗卫星监测数据传输及解算方法示意图

从监测开始日期至2020 年1 月23 日，监测数据变化曲线平缓，此时累计位移量北向运移2.9 mm，西向运移6.5 mm，垂向沉降量最大，约12.3 mm，表明滑坡体整体稳固，仅有缓慢沉降（图6）。1月23 日—2 月24 日，沉降加剧，累计位移量北向运移8.2 mm，西向运移12.5 mm，垂向沉降35.1 mm，垂向沉降量达到蓝色预警，通过采集距离该监测站点最近的降雨站数据，对比可知，沉降的加剧与2 月15 日的万安县特大暴雨有关，该日日降雨量可达69.9mm，暴雨对地面产生冲刷侵蚀作用，降低了岩土体的抗滑能力，加剧了滑坡的位移形变（Crosta等，2008；Wu，2015；谢剑明等，2003）。1 月至2月，赣州北部与吉安南部区域平均降雨量可达231mm，比同期多年均值多32%，相关研究表明滑坡的稳定性与降雨量之间的关系密切（肖峰等，2019），在一定程度上可直接诱发滑坡等地质灾害（徐辉和刘海知，2019；李长江等，2008），2 月下旬逐渐增加的降雨量，导致管道所在处滑坡沉降量加剧，但整体较为平稳。3 月起，赣州区域普降大雨，受此影响，滑坡体在3 月起沉降加速。持续的降雨使滑坡体持续沉降，沉降量达到黄色预警级别。滑坡沉降速率与降雨之间的密切关系表明，降雨是影响监测点滑坡微位移的主要原因。在6 月以后，监测点进入梅雨季节，滑坡沉降可能加速，应多予以关注，必要情况下采取整治措施。北斗微位移监测数据很好地展现了滑坡位移过程，也对灾害体运移趋势进行了预测预警，提醒管理人员及早关注，很大程度上避免重大滑坡事故的发生，保证了管道完整性和安全性，可为管道沿线其他区域提供示范监测。

表3 累计位移量具体数值

图6 北斗卫星监测结果

5 结论

（1）在JG7410 点处布设北斗微位移监测模块，获取该滑坡体实时的三位累计形变量数据，监测精度为毫米级。通过其变形曲线变化情况推断该滑坡体目前所处的状态，及时发出不同等级的预警信息，保障了油气管道运输的安全性，也可为其他区域提供示范参考。

（2）通过将形变数据与同时期的降雨量数据进行对比，发现当出现暴雨等降雨增多的情况下，滑坡体的位移也相应地发生加剧变化。因此，可以开展降雨监测，研究降雨数据与位移数据之间的相关关系，确定诱发滑坡的降雨阈值，提高预警工作的准确性。

（3）北斗卫星微位移监测数据很好地展现了滑坡位移过程，并对灾害体运移趋势进行了预测预警，建议在接下来的汛期，应当对管道所在处滑坡体微位移状态进行更多的分析研究，及时更新预警信息，提前采取防治措施。