基于CORS基准站的GNSS滑坡地质灾害监测数据处理策略分析

刘邢巍，蔡华，蒲德祥，王斌

( 1. 重庆市地理信息和遥感应用中心, 重庆 401127；2. 自然资源部国土空间规划监测评估预警重点实验室, 重庆 401127 )

0 引 言

全球卫星导航系统(GNSS)具有测站间无需通视、精度高、全天侯、自动化程度高等优点，其基线解算相对精度可达10-9量级[1]，已成为滑坡地质灾害监测和预警的重要技术手段. 目前，GNSS技术在滑坡监测领域的应用主要以“1/2+N”的监测模式为主，即1个(或2个)基准站和若干个监测站[2-4]，这种监测模式需要在监测区域附近单独建设GNSS基准站，各区域监测系统独立运行，存在基准站选址难度大、资源不能共享、建设成本高等问题.

当前，我国各省(直辖市、自治区)测绘地理信息主管部门纷纷建立了卫星导航定位连续运行参考站(CORS)，不仅是维持区域空间基准、提供时空信息服务的核心设施，而且是导航位置服务、精密卫星定轨、地质灾害监测等工程和科学研究的重要支撑[5]，且大部分基准站建在地质结构稳定的基岩上. 在大尺度地质灾害监测领域，CORS基准站能够为区域地壳运动(地面沉降)提供连续监测数据[5-7]，在小尺度滑坡地质灾害变形监测领域，CORS主要提供网络实时动态(RTK)定位服务[8-10]，而CORS基准站资源直接应用于滑坡变形监测领域的研究较少. 2020年在自然资源部印发的《地质灾害专群结合监测预警技术指南(试行)》中明确指出“集中连片宜采用地基增强系统服务或自建基准站”[11]. 因此，为充分发挥利用CORS基准站资源，降低滑坡变形监测系统建设和运维成本，本文以重庆CORS系统[12]为例，基于GAMIT软件[13]分析了以CORS基准站为监测基准时，观测值类型、解算时长、基线长度对监测精度的影响，评估了CORS基准站直接应用于滑坡监测的可行性，为推动CORS在变形监测的深度应用提供了重要的数据支撑.

1 数据来源

考虑到CORS基准站一般建在稳固的基岩上，其相对关系极为稳定，短时间变化量极小. 为科学评定基线长度、解算时长、基线解类型对监测精度的影响，选取重庆CORS基准站数据作为数据来源，同时，考虑到重庆滑坡地质灾害变形监测点部分位于树林茂密、卫星信号观测条件不佳的地带，为与真实的监测环境保持一致. 如表1所示，在重庆CORS基准站中选取了5组不同长度的基线1 km、2 km、6 km、8 km、12 km作为研究对象，其中部分监测站位于树林茂密的地带.

表1 数据来源概况

2 解算策略分析

2.1 基线解类型分析

GAMIT软件在进行基线解算时，提供了以下几种基线解类型[14-15]：

1) L1_ONLY解：单频短基线解，即在解算时只利用GPS双频接收机中的L1载波观测值进行基线求解，类似于单频GPS接收机，主要用于短基线.

2) L1L2_INDENT解：即在解算时将双频接收机中的L1和 L2载波观测值作为两种相互独立的观测值参与解算，主要用于短基线.

3) LC_AUTCLN解：利用GNSS双频接收机的消电离层组合观测值进行基线解算，并基于码求解宽巷模糊度，适合处理长基线.

4) LC_HELP解：基于电离层约束求解宽巷模糊度，适合处理长基线.

考虑到不同基线解类型间的差异，从相关学者前期研究结论[14-15]及GAMIT软件说明中可知，L1L2_INDENT解(以下简称“L1L2解”)和LC_AUTCLN解(以下简称“LC解”)分别是针对短基线和长基线提供的高效基线解算类型，因此，本文主要分析以上两种解算类型对基线解算的影响.

2.2 解算时长分析

GNSS高精度定位中，为了达到一定的精度要求，需要保证较好的观测条件和解算时长. 观测条件的优劣直接影响到观测数据质量的好坏，解算时段长短则决定了数据处理过程中的多余观测，二者是影响GNSS定位精度的重要因素. 在观测条件一定的情况下，为了兼顾精度和效率，必须确定合理的解算时段长度. 研究表明：为了确保滑坡监测的时效性，解算时长与监测等级有关，一般为1 h、2 h、4 h、6 h，对于10 km以上的基线，本文在以上时段基础上增加了12 h和24 h解算时长.

3 数据处理与结果分析

3.1 数据处理策略

为分析位移监测中解算时长、基线长度、监测精度三者之间的关系，本项目设计实验基于GAMIT软件进行解算分析. 实验数据处理策略为：

1)采用GPS观测值；

2)卫星轨道采用超快速星历(预报部分)；

3)卫星截止高度角设置10°；

4) 1 km的基线(DIJI-JCDJ)不附加天顶对流层参数估计，由于2 km的基线(ROCH-JCRC)两站高差较大(约80 m)，因此2 km以上的基线附加天顶对流层参数估计；

5)采用基线网解，将基准站的ITRF坐标固定为精确已知坐标；

6)对于基线结果不进行平差，利用间接平差得到的各时段坐标结果直接形成各监测点坐标时间序列；

7)基线解类型分别选择LIL2解和LC解. 如表2所示，解算时长分别取1 h、2 h、4 h和6 h，即每条基线存在8种解算方案，此外，对于LIJI-BEBE长基线，考虑到基线过长，对观测时长要求较高，额外增加了12 h和24 h解算方案.

表2 基线解算方案

3.2 监测精度评价方法

对于GNSS监测系统来说，其监测站在不同时间段或多或少存在变形，其不具备同一性的特征，不能用于评定监测精度；而其基准点一般都建在稳固的岩石上，相对关系极为稳定，不同时间段变化量极小，可以忽略，因此可用于评定监测系统的精度.

各时段基线向量的重复性反映了GNSS数据处理中基线解的内部精度，是衡量基线解算质量的一个重要指标. 这一指标对于变形监测来说特别重要，因为变形监测实质上是获取两期或者多期之间的相对差值，其定义为[16]

式中：ci是各时段解中基线的各分量值；σi2是相应分量的协方差；c¯ 为相应基线分量的加权平均值；R为相应的重复性.

3.3 时间序列中粗差剔除方法

采用三个标准对解算结果进行质量控制[4]：

1)标准化均方根误差(NRMS). NRMS值是用来表示单时段解算出的基线值偏离其加权平均值的程度，是从历元的模糊度解算中得出的残差，作为衡量GAMIT基线解算结果的一个重要指标. 利用基线解的NRMS值评估同步质量好坏，要求其值小于0.5.

2)短基线，宽、窄巷模糊度全部固定.

3)对于观测数据序列 {x1,x2,···,xN} ，描述该序列数据的变化特征为[4]

这样，由N个观测值数据可以得到N-2 个dj，同时，由dj值可以计算序列数据变化的统计均值和均方差

根据dj偏差的绝对值与均方差的比值，可获得

当qj＞3 时，认为xj是奇异值，予以舍弃.

3.4 时间序列获取与分析

本文针对8种不同解算方案得到的数据进行粗差剔除，得到“干净”的去均值的时间序列(因篇幅受限，只给出2 km的时间序列，具体如图1所示)，南北(N)方向、东西(E)方向、天顶(U)方向、基线长度(L)上的解算精度统计分析结果，如表3所示. 本文结合数据有效率，即粗差剔除后剩余有效解个数占全部解个数的比例及监测精度指标，对解算结果进行了分析，具体如下：

表3 监测精度统计表

图1 ROCH-JCRC 8种解算方案计算得到的时间序列

1)对于长度为1～2 km的基线，解算时长设置为1～6 h时，采用L1L2解得到的数据有效率及监测精度均优于LC解，这是由于短基线两端观测环境相关性极强，短基线宜采用差分模式消除观测误差的L1L2解，而不宜采用模型改正的LC解(引入较大的观测噪声).

2)对于长度接近6 km的基线，在数据有效率方面，L1L2解的数据有效率整体高于LC解，当解算时长大于等于4 h时，数据有效率能够提升至95%以上. 在监测精度方面，L1L2解监测精度均优于LC解，随着解算时长的增加，两种解的监测精度逐渐接近. 因此，对于6 km级别的基线，建议采用LC基线解类型，并将解算时长设置为4～6 h.

3)对于长度接近8 km的基线，在数据有效率方面，采用4 h解算时长，数据有效率可以得到90%；采用6 h解算时长，数据有效率可以达到95%；当解算时长大于4 h时，LC的解算有效率普遍高于L1L2解算有效率. 监测精度与解算时长呈现明显正相关，即随着解算时长的提高，监测精度明显提升. L1L2解和LC解相差较大，主要原因是LC解各种模型均采用模型改正，在处理中长基线时优势明显. 可以看出，在保障数据有效性达到90%的基础上(解算时长大于4 h)，采用LC观测值的监测精度在N、E、U、L四个分量上均明显优于L1L2观测值. 因此，对于8 km级别的基线，建议采用LC基线解类型，并将解算时长设置为4～6 h.

4)对于长度接近13 km的基线，在数据有效率方面，当解算时长达到6 h时，LC解的数据有效率接近60%，高于L1L2解的数据有效率；当解算时长提高至12 h时，LC解的数据有效率有明显提升，而L1L2解的数据有效率表现不明显. 在监测精度方面，L1L2解和LC解相差较大，主要原因是LC解各种模型均采用模型改正，在处理中长基线优势明显. 可以看出，在保障数据有效性达到90%以上的基础上(解算时长大于12 h)，采用LC观测值的监测精度在N、E、U、L四个分量上均明显优于L1L2观测值. 因此，对于12 km级别的基线，建议采用LC观测值进行处理，解算时长设置为12 h时，监测精度可以达到平面方向优于6 mm，高程方向优于15 mm的水平.

5)根据《重庆市地质灾害专业监测技术要求(试行)》[17]文件对于滑坡监测的技术要求，结合以上分析，给出了CORS基准站作为滑坡监测基准时的适用性建议，如表4所示.

表4 CORS基准站在滑坡监测领域适用性建议

4 结束语

CORS基准站不仅是区域高精度时空基准的重要基础设施，而且是导航定位服务、卫星精密定轨、地质灾害监测等工程和科学研究的重要支撑. 本文瞄准滑坡变形监测对CORS基准站的需求，以重庆CORS为例，选取了5种不同长度的基线，分析了基线长度、观测值类型、解算时长对监测精度的影响，确定了基于CORS基准站的变形监测解算策略及精度指标，给出了适用性建议，为推动CORS基准站资源在变形监测领域的应用提供了依据.