王 利, 許 豪, 舒 寶, 李新瑞, 田云青

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安 710054；2.地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054； 3.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054)

0 引言

我國國土面積遼闊，不同地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造也不盡相同，是一個(gè)地質(zhì)種類非常豐富的國家。豐富的地質(zhì)種類在帶來許多壯麗景觀的同時(shí)也造就了許多不同種類的地質(zhì)災(zāi)害問題，例如滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂縫及地面沉降等一系列地質(zhì)災(zāi)害。2011年，國務(wù)院印發(fā)相關(guān)決定，在思想、原則和目標(biāo)3個(gè)要求指導(dǎo)下，開展全面清查隱患情況，積極開展災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警，有效處理、規(guī)避災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)[1]。雖然經(jīng)過多年的工作與努力，我國地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、防治及應(yīng)急體系取得了較好的成果，但每年發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的總數(shù)依舊較大。據(jù)國家自然資源部統(tǒng)計(jì)，2021年全國共發(fā)生4772起地質(zhì)災(zāi)害，造成80人死亡、11人失蹤，與前5年同期平均值相比，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量、造成的死亡失蹤人數(shù)分別減少30.3%和63.2%。在各類地質(zhì)災(zāi)害中，滑坡災(zāi)害發(fā)生最為頻繁，造成的生命財(cái)產(chǎn)損失也最為嚴(yán)重。長期以來，對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，是有效降低滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、主動(dòng)防范滑坡災(zāi)害的一項(xiàng)重要工作。

理論上講，滑坡災(zāi)害的發(fā)生就是巖土體在地質(zhì)和重力作用下不斷變形直至失穩(wěn)的過程，不管哪種類型的滑坡災(zāi)害，都會(huì)表現(xiàn)出一定程度的變形特征。因此，地表形變監(jiān)測一直是滑坡災(zāi)害監(jiān)測中的重要內(nèi)容[2]。長期以來，地表外部位移監(jiān)測主要依靠經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀及測距儀等傳統(tǒng)儀器，這些以大地測量為主的方法具有直觀、簡單、投入快及監(jiān)測較為準(zhǔn)確等特點(diǎn)，在滑坡災(zāi)害監(jiān)測中發(fā)揮了重要的作用。但這些監(jiān)測手段也存在人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度高，受人為因素、地形通視和氣候環(huán)境條件影響大、作業(yè)周期長等缺點(diǎn)，難以準(zhǔn)確及時(shí)發(fā)現(xiàn)災(zāi)害體的整體變形。隨著現(xiàn)代空間技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，以全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)、遙感(Remote Sensing，RS)、合成孔徑雷達(dá)干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)、全自動(dòng)測量機(jī)器人和遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)為代表的現(xiàn)代高科技技術(shù)手段，逐漸成為地質(zhì)災(zāi)害形變監(jiān)測的重要技術(shù)方法，為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測帶來了一場全新的技術(shù)革命[3-4]。其中，GNSS技術(shù)因具有全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于滑坡災(zāi)害的地表三維形變監(jiān)測中。

近些年，國內(nèi)外學(xué)者在GNSS技術(shù)應(yīng)用于滑坡災(zāi)害監(jiān)測的理論和技術(shù)方法等方面開展了大量的探索和研究，主要包括GNSS監(jiān)測終端、GNSS高精度監(jiān)測技術(shù)及GNSS監(jiān)測結(jié)果時(shí)間序列處理等研究領(lǐng)域，取得了諸多的研究成果。但是，由于我國的滑坡災(zāi)害種類多、分布廣、頻次高、強(qiáng)度大、災(zāi)情嚴(yán)重，GNSS技術(shù)應(yīng)用于滑坡災(zāi)害監(jiān)測仍然存在著復(fù)雜觀測環(huán)境條件下高精度定位難度大、設(shè)備硬件成本高、專業(yè)性強(qiáng)、虛警或誤警率高及普適化程度低等問題。為此，本文在總結(jié)滑坡災(zāi)害GNSS監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展及現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提煉了現(xiàn)階段研究中存在的關(guān)鍵問題并提出了一些研究思路，對(duì)滑坡災(zāi)害GNSS監(jiān)測技術(shù)未來的應(yīng)用發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 滑坡災(zāi)害GNSS監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展

全站儀、水準(zhǔn)儀測量及近景攝影測量等傳統(tǒng)大地測量技術(shù)，長期以來在滑坡災(zāi)害監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。隨著人們對(duì)滑坡災(zāi)害危害的認(rèn)識(shí)加深及查明的災(zāi)害隱患點(diǎn)的增多，人們對(duì)滑坡災(zāi)害變形狀態(tài)監(jiān)測的時(shí)效性需求也更高。自20世紀(jì)90年代以來，GNSS等空間對(duì)地觀測技術(shù)就憑借其技術(shù)優(yōu)勢在滑坡變形監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用，取得了較好的效果。GNSS應(yīng)用于滑坡形變監(jiān)測，首先需要在滑坡變形區(qū)域內(nèi)布設(shè)GNSS監(jiān)測設(shè)備，然后對(duì)GNSS監(jiān)測設(shè)備采集到的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，最后基于長時(shí)間解算的三維坐標(biāo)得到變形時(shí)間序列。隨著GNSS集成制造工藝技術(shù)的進(jìn)步、數(shù)據(jù)解算技術(shù)的不斷迭代更新及時(shí)間序列分析理論的發(fā)展，GNSS技術(shù)在滑坡形變監(jiān)測中經(jīng)歷了從專業(yè)型監(jiān)測終端到低成本采集模塊、從靜態(tài)mm級(jí)精度到動(dòng)態(tài)mm級(jí)精度和從線性平穩(wěn)時(shí)序到非線性非平穩(wěn)時(shí)序精細(xì)化建模的轉(zhuǎn)變。

1.1 GNSS滑坡災(zāi)害監(jiān)測設(shè)備研究進(jìn)展

滑坡災(zāi)害GNSS變形監(jiān)測是利用專業(yè)GNSS監(jiān)測設(shè)備，對(duì)滑坡體在時(shí)空域下的變形現(xiàn)象進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測的工作?；麦w變形往往具有空間差異性，單個(gè)監(jiān)測點(diǎn)難以掌握滑坡體的整體變形趨勢，因此往往需要布設(shè)多個(gè)監(jiān)測設(shè)備。GNSS監(jiān)測設(shè)備最核心且占據(jù)最大成本部分主要由衛(wèi)星天線、定位模塊和通信模塊構(gòu)成，常規(guī)測量型GNSS監(jiān)測設(shè)備成本大約數(shù)萬元每臺(tái)，在單個(gè)或多個(gè)滑坡體上布設(shè)監(jiān)測設(shè)備不僅硬件成本高，外業(yè)安裝及硬件調(diào)試也會(huì)增加一些成本，這是制約滑坡災(zāi)害GNSS監(jiān)測技術(shù)大范圍普適化推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。已有學(xué)者針對(duì)GNSS監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行了一系列研究，對(duì)于監(jiān)測系統(tǒng)中使用多個(gè)接收機(jī)導(dǎo)致成本高昂的問題，有學(xué)者提出一機(jī)多天線系統(tǒng)，即使用多天線控制器切換信號(hào)，利用一臺(tái)接收機(jī)連接多個(gè)衛(wèi)星天線，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)監(jiān)測。已有研究表明，該方法各監(jiān)測點(diǎn)在東、北、天3個(gè)方向定位精度可以達(dá)到mm級(jí)、天線信號(hào)切換時(shí)間低于10ms，但該技術(shù)存在信號(hào)轉(zhuǎn)換器不穩(wěn)定、線路布設(shè)難及作業(yè)不靈活等問題[5]。此外，GNSS接收機(jī)分為單頻和多頻接收機(jī)，雖然單頻接收機(jī)只能接收GNSS衛(wèi)星單一頻率的載波信號(hào)，但定位精度可達(dá)cm級(jí)，仍可用于變形速率在cm級(jí)以上的滑坡災(zāi)害監(jiān)測[6]。單頻接收機(jī)的主要優(yōu)勢是成本低，但隨著多模多頻GNSS接收機(jī)成本不斷降低，單頻接收機(jī)的成本優(yōu)勢也相對(duì)減弱，且多模多頻GNSS接收機(jī)獲取的觀測數(shù)據(jù)經(jīng)解算后定位精度可達(dá)mm級(jí)，可以更加敏銳地捕獲滑坡體的形變情況。

GNSS芯片作為GNSS接收機(jī)的核心，售價(jià)在幾百元到幾千元不等，是降低GNSS監(jiān)測接收機(jī)成本的關(guān)鍵之一。目前，隨著多模多頻GNSS芯片成本的不斷降低，市場上也開始出現(xiàn)了低成本的多模多頻GNSS接收機(jī)，單頻接收機(jī)的成本優(yōu)勢相對(duì)地逐漸減弱。目前，國內(nèi)典型低成本定位模塊有和芯星通科技(北京)有限公司的UM980和武漢夢芯科技有限公司的MXT906B等，國外有UBLOX的F9P等，使用上述定位模塊研發(fā)的監(jiān)測型接收機(jī)整機(jī)售價(jià)均低于5000元。此外，這些典型的定位芯片大小約2cm×2cm，厚度小于3mm，工作電壓2.7～3.6V，部分芯片可達(dá)到-148dBm的捕獲靈敏度和-167dBm的跟蹤靈敏度。目前低成本芯片在體積、功耗及信號(hào)捕獲跟蹤等方面都有著不錯(cuò)的表現(xiàn)，且實(shí)驗(yàn)表明一些采用低成本定位芯片制造的GNSS雙頻接收機(jī)具有亞毫米級(jí)噪聲，并且可以實(shí)現(xiàn)與短基線常規(guī)測量型接收機(jī)相當(dāng)?shù)臏y量精度[7-8]。GNSS納米芯片工藝與射頻基帶處理一體化技術(shù)，在降低GNSS監(jiān)測設(shè)備成本的同時(shí)可以有效地縮小設(shè)備體積，是推動(dòng)GNSS監(jiān)測設(shè)備在滑坡災(zāi)害監(jiān)測中普適化推廣應(yīng)用的重要一步[9]。同時(shí)，文獻(xiàn)[10]提出了“云存儲(chǔ)-云檢核-云增強(qiáng)-云計(jì)算”的行業(yè)云平臺(tái)數(shù)據(jù)處理模式，通過剝離測量型GNSS接收機(jī)中的非必要功能模塊，僅保留數(shù)據(jù)采集和通信模塊，大幅度降低GNSS接收機(jī)的成本。低成本終端觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量通常較差，需要將監(jiān)測點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)流和廣播電文數(shù)據(jù)流在云平臺(tái)上進(jìn)行云存儲(chǔ)，結(jié)合云平臺(tái)生成的超快速星歷產(chǎn)品等對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，再進(jìn)行精細(xì)模型改正，定位精度才能滿足滑坡監(jiān)測要求。

GNSS技術(shù)在惡劣觀測環(huán)境時(shí)，其造成觀測數(shù)據(jù)的異?？赡軙?huì)導(dǎo)致災(zāi)害預(yù)警的嚴(yán)重誤判。文獻(xiàn)[11]融合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite Sy-stem，BDS)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)、GLONASS與強(qiáng)震記錄儀進(jìn)行實(shí)時(shí)變形監(jiān)測，模擬變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,結(jié)合各傳感器的優(yōu)勢，可獲取高精度、高頻的變形位移、速率及加速度信息。另外，滑坡災(zāi)害往往位于高山峽谷區(qū)，山勢陡峭、地形地貌復(fù)雜，現(xiàn)有的GNSS監(jiān)測設(shè)備都是通過人工現(xiàn)場安裝，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且在遇到突發(fā)災(zāi)害需要進(jìn)行監(jiān)測時(shí)具有很高的危險(xiǎn)性。為了使GNSS設(shè)備具有更好的普適性，長安大學(xué)率先研制了拋投式GNSS監(jiān)測裝備[12]，采用無人機(jī)拋投的方式進(jìn)行部署，該設(shè)備對(duì)GNSS信號(hào)質(zhì)量、接收機(jī)質(zhì)量及硬件成本等方面均提出了新的需求。

1.2 GNSS高精度監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展

從1963年第一顆導(dǎo)航衛(wèi)星成功發(fā)射，到2020年我國BDS全面建成，目前GNSS在軌衛(wèi)星數(shù)已超過120顆，GNSS在全球范圍內(nèi)的高精度導(dǎo)航定位能力得到進(jìn)一步提升[13]。與此同時(shí)，滑坡災(zāi)害GNSS監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究也是如火如荼，在監(jiān)測時(shí)效性及定位精度方面都得到了很好的提高，可以較好地滿足滑坡形變監(jiān)測的實(shí)際需要?；仡橤NSS滑坡災(zāi)害監(jiān)測應(yīng)用的發(fā)展歷程，滑坡監(jiān)測工作中所涉及的主要包括靜態(tài)相對(duì)定位、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位(Real-Time Kinema-tic，RTK)、網(wǎng)絡(luò)RTK和精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning，PPP)四類高精度定位技術(shù)。

1)靜態(tài)相對(duì)定位。靜態(tài)相對(duì)定位是從已知或假定已知位置的基準(zhǔn)站，用GNSS接收機(jī)在基準(zhǔn)站和監(jiān)測站同時(shí)對(duì)相同衛(wèi)星進(jìn)行觀測，經(jīng)載波相位測量處理獲得站間基線矢量，進(jìn)而確定監(jiān)測站相對(duì)于基準(zhǔn)站的位置坐標(biāo)的技術(shù)[14]。經(jīng)數(shù)小時(shí)的持續(xù)觀測，靜態(tài)相對(duì)定位可達(dá)mm級(jí)定位精度。早在20世紀(jì)90年代，就有學(xué)者討論該技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測中的可行性。西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)和巴塞羅那地理信息研究所于1995年開始使用GPS靜態(tài)測量對(duì)Vallcebre滑坡進(jìn)行平均2個(gè)月一次的監(jiān)測工作，該方法與傳統(tǒng)高精度大地測量相比，水平方向精度在12～16mm之間，高程方向精度在18～24mm之間[15]。奧地利格拉茨技術(shù)大學(xué)和奧地利地質(zhì)調(diào)查局于1999年對(duì)阿爾卑斯山的Brunnalm滑坡進(jìn)行監(jiān)測并開發(fā)了相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)，24h觀測精度可以達(dá)到mm級(jí)[16]。1997年，印度尼西亞的萬隆科技大學(xué)開始用GPS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)對(duì)雅加達(dá)地區(qū)的地面沉降進(jìn)行監(jiān)測，持續(xù)8年的監(jiān)測結(jié)果表明，GPS技術(shù)對(duì)于地面沉降監(jiān)測和輔助公共政策決策方面意義重大[17]。2000年—2002年，法國里昂地球科學(xué)實(shí)驗(yàn)室用單頻GPS接收機(jī)對(duì)阿爾卑斯山地區(qū)的La Valette滑坡進(jìn)行變形監(jiān)測，其東西方向、南北方向和垂直方向的最差監(jiān)測精度分別為2.4cm、11cm和7.4cm[18]。

我國自20世紀(jì)90年代起也開始在長江三峽等大型水利水電工程中建立GPS監(jiān)測網(wǎng)，用于各種崩塌、滑(邊)坡的變形監(jiān)測；在許多正在施工和運(yùn)營的道路及工程建筑中也使用GPS監(jiān)測治理或未治理的滑坡。1990年，湖北省巖崩滑坡研究所和中國科學(xué)院測量與地球物理研究所利用GPS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)與常規(guī)地形變化監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，建立了跨長江三峽庫區(qū)九灣溪斷裂和鏈子崖-新灘滑坡體的GPS觀測網(wǎng)，這是我國首次利用GPS空間測量技術(shù)研究區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與巖崩滑坡的相關(guān)性。1990—1993年間四期的監(jiān)測結(jié)果表明，只要監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)合理、選點(diǎn)恰當(dāng)、觀測嚴(yán)格、數(shù)據(jù)處理方法正確，該方法是可行、可靠的[19-20]。進(jìn)入21世紀(jì)之后，GNSS/GPS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)在滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用也更加廣泛。文獻(xiàn)[21]通過融合BDS和GPS觀測數(shù)據(jù)，對(duì)西安地區(qū)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測，明顯提高了監(jiān)測結(jié)果的內(nèi)、外符合精度。目前在良好環(huán)境下靜態(tài)相對(duì)定位一般可以達(dá)到10min mm至cm級(jí)定位精度，但其事后數(shù)據(jù)處理模式使得人力和物力耗費(fèi)大，自動(dòng)化程度不高。此外，當(dāng)滑坡變形速率較大時(shí)，靜態(tài)相對(duì)定位則難以捕捉到關(guān)鍵形變信息。文獻(xiàn)[22]通過GPS對(duì)甘肅黑方臺(tái)滑坡進(jìn)行30min一次的變形監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示，滑坡發(fā)生0.5h前維持變形速率不足1mm/d的緩慢勻速變形狀態(tài)，未能獲取到滑坡破壞過程的變形數(shù)據(jù)。因此，靜態(tài)相對(duì)定位主要應(yīng)用于處于相對(duì)穩(wěn)定或緩慢勻速變形狀態(tài)的滑坡長期變形監(jiān)測中。

2)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位也是一種相對(duì)定位方法?；鶞?zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將觀測值和坐標(biāo)一起發(fā)送給監(jiān)測站，監(jiān)測站在接收來自基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)的同時(shí)也需要采集GNSS觀測數(shù)據(jù)，組成差分觀測值進(jìn)行處理后實(shí)時(shí)給出定位結(jié)果[23]。由于RTK技術(shù)可消除接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差等公共誤差，并削弱對(duì)流層延遲、電離層延遲等強(qiáng)相關(guān)誤差，定位精度可快速達(dá)到cm級(jí)甚至mm級(jí)，是目前滑坡災(zāi)害變形監(jiān)測應(yīng)用最為廣泛的GNSS監(jiān)測技術(shù)。文獻(xiàn)[24-25]結(jié)合某類滑坡的物理模型實(shí)驗(yàn)，利用GPS RTK技術(shù)對(duì)滑坡變形過程進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)基準(zhǔn)站及監(jiān)測站同步觀測衛(wèi)星數(shù)在7顆以上且數(shù)據(jù)鏈正常工作時(shí)，在良好觀測環(huán)境下RTK測量精度可控制在平面精度15mm以內(nèi)，高程精度20mm以內(nèi)。目前RTK在良好觀測環(huán)境下能夠?qū)崟r(shí)獲得平面和高程分別為5mm和10mm的定位精度，但滑坡災(zāi)害區(qū)域往往存在山體遮擋、植被茂密的問題，導(dǎo)致實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果的精度和可靠性不能保證[26]。針對(duì)監(jiān)測站觀測環(huán)境差的問題，有學(xué)者通過剔除較差的觀測值或降低權(quán)重的方法來抵御多路徑效應(yīng)。文獻(xiàn)[27]結(jié)合監(jiān)測站地形特征與GNSS衛(wèi)星空間位置的幾何關(guān)系，建立基于方位向的截止高度角處理策略，相較傳統(tǒng)處理模型水平方向和高程方向的精度均有一定程度的提升。文獻(xiàn)[28]基于短距離內(nèi)基準(zhǔn)站與監(jiān)測站觀測數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，通過站間觀測數(shù)據(jù)信噪比差分的方法識(shí)別并剔除受多路徑影響嚴(yán)重的觀測數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法可以提升平均模糊度固定率及定位精度。

使用RTK對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)的變形監(jiān)測依賴穩(wěn)定的通信數(shù)據(jù)鏈。GNSS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生時(shí)延[29]。文獻(xiàn)[30]評(píng)估了基于網(wǎng)絡(luò)傳輸同步RTK的時(shí)延，結(jié)果顯示1Hz的數(shù)據(jù)在傳輸過程中最高時(shí)延可達(dá)3s。當(dāng)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)發(fā)生時(shí)延時(shí)，RTK無法實(shí)時(shí)提供變形信息，這對(duì)關(guān)鍵變形階段的滑坡災(zāi)害變形監(jiān)測而言是難以接受的。文獻(xiàn)[31]提出了一種異步RTK精密差分定位算法，分析了異步數(shù)據(jù)中星歷、電離層及對(duì)流層等誤差對(duì)定位的影響，結(jié)果表明在十幾秒內(nèi)上述誤差可以忽略。文獻(xiàn)[32]通過高精度精密星歷和鐘差改正，發(fā)現(xiàn)異步RTK與同步RTK間的累積誤差在短時(shí)間內(nèi)線性增長，經(jīng)過一次多項(xiàng)式修正模型修正該趨勢后，基準(zhǔn)站發(fā)生時(shí)延1min內(nèi)仍可提供cm級(jí)監(jiān)測精度。短基線RTK之所以可實(shí)時(shí)得到監(jiān)測站的高精度三維空間坐標(biāo)，是因?yàn)?個(gè)距離較近的GNSS觀測站的大氣誤差近似相等，可以通過雙差觀測值消除大部分的公共誤差。然而，當(dāng)基準(zhǔn)站與監(jiān)測站距離增加時(shí)，二者大氣誤差相似性降低，會(huì)導(dǎo)致定位精度顯著降低甚至定位結(jié)果不可用，因此一般要求基線距離不超過15km[33]。在RTK滑坡監(jiān)測工作實(shí)施過程中，每個(gè)滑坡災(zāi)害區(qū)域通常需要單獨(dú)建設(shè)獨(dú)立的基準(zhǔn)站，這種“一點(diǎn)一基站”的監(jiān)測模式不僅增加了監(jiān)測成本，還可能存在監(jiān)測基準(zhǔn)不穩(wěn)定的問題[34]。

3)網(wǎng)絡(luò)RTK。網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)利用區(qū)域內(nèi)多個(gè)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，對(duì)基準(zhǔn)站模糊度固定后的大氣延遲誤差進(jìn)行建模，并將改正信息播發(fā)給區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)站，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大范圍的高精度實(shí)時(shí)定位[35]。與常規(guī)RTK技術(shù)相比，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)具有監(jiān)測范圍廣、無需布設(shè)基準(zhǔn)站等明顯優(yōu)勢[36]。此外，網(wǎng)絡(luò)RTK建設(shè)投資少，可為區(qū)域內(nèi)的多個(gè)滑坡災(zāi)害點(diǎn)提供監(jiān)測服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)RTK的關(guān)鍵技術(shù)是充分利用基準(zhǔn)站網(wǎng)提供的信息來改善監(jiān)測站的定位精度和可靠性等，目前主要包括區(qū)域改正數(shù)(Flachen Korrektur Parameter，F(xiàn)KP)、虛擬基準(zhǔn)站(Virtual Reference Station，VRS)、主輔站(Master Auxiliary Concept，MAC)等方法。文獻(xiàn)[37]通過模擬位移實(shí)驗(yàn)，對(duì)上述三種網(wǎng)絡(luò)RTK方法的定位精度進(jìn)行了評(píng)估，與干涉儀(0.1mm位移精度)對(duì)比的結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)RTK的均方誤差在水平方向和高程方向分別為4.7mm和7.9mm，足以監(jiān)測1cm內(nèi)的位移。

近年來，有學(xué)者開始嘗試將網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，文獻(xiàn)[38]基于模擬形變平臺(tái)和某省5個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站(Continuously Operating Refe-rence Stations，CORS)，探討分析了使用VRS代替物理基準(zhǔn)站進(jìn)行滑坡位移監(jiān)測的可行性，結(jié)果顯示由于區(qū)域基準(zhǔn)站網(wǎng)存在大氣殘留誤差，VRS的定位精度會(huì)略低于物理基準(zhǔn)站，經(jīng)實(shí)時(shí)滑動(dòng)窗口平滑后的精度與物理基準(zhǔn)站相當(dāng)。文獻(xiàn)[39]利用CORS觀測數(shù)據(jù)生成VRS，對(duì)30處滑坡監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果顯示CORS站間距小于40km時(shí)，雙差對(duì)流層和電離層延遲模型內(nèi)插精度優(yōu)于10mm，利用時(shí)長大于8h的數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)平面精度優(yōu)于5mm，高程精度優(yōu)于10mm的形變監(jiān)測。網(wǎng)絡(luò)RTK可有效改善常規(guī)RTK誤差隨基線距離增加而增大的問題，同時(shí)可以降低目前滑坡監(jiān)測“一點(diǎn)一基站(一個(gè)災(zāi)害點(diǎn)和一個(gè)基準(zhǔn)站)”常規(guī)模式帶來的經(jīng)濟(jì)成本。但目前還存在CORS的建設(shè)密度與質(zhì)量在不同區(qū)域有所不同、大氣誤差改正模型與地形地貌相關(guān)等問題[34]。

4)PPP。不同于上述3種監(jiān)測方法，PPP是一種單站絕對(duì)定位方法，其利用精密軌道、精密鐘差產(chǎn)品，精確考慮并改正觀測值中的各項(xiàng)誤差，以獲取高精度的絕對(duì)三維坐標(biāo)。PPP技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測已有不少案例，文獻(xiàn)[40]基于滑坡物理模型實(shí)驗(yàn)，證明了PPP技術(shù)應(yīng)用于滑坡監(jiān)測的可行性。文獻(xiàn)[41]利用PPP技術(shù)處理青?，敹?.4級(jí)地震震區(qū)附近9個(gè)GNSS高頻觀測數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)場12站的GNSS低頻觀測數(shù)據(jù)，獲取了高精度同震形變場，并指出現(xiàn)有CORS網(wǎng)具備快速確定區(qū)域大震(7級(jí)以上)震源機(jī)制和震級(jí)的能力。文獻(xiàn)[42]利用福建省某滑坡監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行PPP計(jì)算實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了多系統(tǒng)組合PPP在滑坡監(jiān)測中的定位性能和可靠性，結(jié)果表明多系統(tǒng)組合PPP達(dá)到cm級(jí)精度大約需要30min，定位結(jié)果收斂后外符合精度優(yōu)于5cm。文獻(xiàn)[43]選用四川西山村8個(gè)監(jiān)測站的GNSS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及分析，探討了PPP技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下滑坡變形監(jiān)測的應(yīng)用能力，結(jié)果顯示平均5.93h的觀測時(shí)長基本可以使PPP達(dá)到1～2cm的監(jiān)測精度，可以用于變形較為緩慢的滑坡體變形監(jiān)測。

觀測環(huán)境對(duì)PPP技術(shù)影響較大，且在定位時(shí)存在一個(gè)初始化過程，實(shí)現(xiàn)cm級(jí)PPP高精度定位的收斂時(shí)間長，數(shù)據(jù)中斷后還需要再次實(shí)施初始化，目前還無法滿足某些滑坡災(zāi)害高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測的需求。目前滑坡變形監(jiān)測廣泛使用的相對(duì)定位技術(shù)，其高精度、可靠的監(jiān)測結(jié)果依賴于穩(wěn)定的基準(zhǔn)站，但在實(shí)際應(yīng)用中可能很難找到符合監(jiān)測規(guī)范的基準(zhǔn)站布設(shè)位置，或受外界影響(地震、人類工程活動(dòng)等)而出現(xiàn)基準(zhǔn)站位置發(fā)生變化的情況。因此，可以使用PPP技術(shù)對(duì)基準(zhǔn)站的穩(wěn)定性進(jìn)行定期檢測，以確保相對(duì)定位監(jiān)測結(jié)果的可靠性[44]。此外，PPP技術(shù)也可以作為不宜架設(shè)基準(zhǔn)站的滑坡監(jiān)測場景下的一種備用方案。

圖1描述了目前各類GNSS技術(shù)在滑坡災(zāi)害監(jiān)測中的表現(xiàn)能力。從圖1可以看出，靜態(tài)相對(duì)定位監(jiān)測精度最高，但實(shí)時(shí)監(jiān)測性能最差，一般用于對(duì)緩慢變形滑坡災(zāi)害體的定期監(jiān)測分析；RTK技術(shù)監(jiān)測精度次于靜態(tài)相對(duì)定位，但其是滑坡災(zāi)害GNSS監(jiān)測技術(shù)中適用范圍最廣的技術(shù)，對(duì)緩慢和快速變形的災(zāi)害體均可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)監(jiān)測精度略次于短距離RTK，但其實(shí)時(shí)監(jiān)測和適用性與RTK為同一水平，且憑借覆蓋范圍廣的優(yōu)勢，能夠?qū)Χ鄠€(gè)滑坡災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測；PPP技術(shù)受制于觀測環(huán)境和收斂時(shí)間的影響，目前在滑坡災(zāi)害監(jiān)測中精度、實(shí)時(shí)性能及適用范圍均不及RTK和網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，更多是用于基準(zhǔn)站的穩(wěn)定性檢測。

圖1 幾種高精度GNSS監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

1.3 GNSS監(jiān)測結(jié)果時(shí)序處理研究進(jìn)展

GNSS技術(shù)用于滑坡災(zāi)害形變監(jiān)測時(shí)，會(huì)受到各種誤差源的污染，影響監(jiān)測結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，如短基線相對(duì)定位模式下，監(jiān)測時(shí)序主要受到多路徑效應(yīng)、粗差及測量噪聲的影響[45]；中長基線模式下又會(huì)引入大氣誤差等[46]。且在實(shí)時(shí)變形監(jiān)測模式中，由于監(jiān)測環(huán)境、成本限制等原因，監(jiān)測時(shí)序中的各類噪聲會(huì)更加顯著。

1)多路徑效應(yīng)。多路徑作為GNSS變形監(jiān)測的主要誤差源，無法利用差分的方法消除或削弱，但當(dāng)測站與周圍環(huán)境不變時(shí)，其與測站環(huán)境具有相關(guān)性。目前，消除或削弱多路徑的方法主要有3種：第一種也是最優(yōu)的選擇，即選擇一個(gè)良好的觀測環(huán)境，但在地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域，測站常常不得不布設(shè)在多路徑較強(qiáng)的環(huán)境；第二種方法是基于硬件設(shè)備削弱多路徑[47]，但成本較高，難以大范圍推廣應(yīng)用；第三種也是目前廣泛研究和采用的數(shù)據(jù)后處理算法，可分為多路徑檢測法和多路徑緩解法兩大類。在多路徑檢測法中，信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)或載噪比(Carrier-to-Noise Ratio，CNR)[28，48-49]常被作為閾值指標(biāo)，識(shí)別受多徑影響較大的觀測值并進(jìn)行剔除；另外一種閾值方法是將多路徑直接視為低頻誤差，在頻域內(nèi)進(jìn)行高通濾波以削弱多徑的影響[50-51]，但此方法需提前確定監(jiān)測體的多徑誤差頻率范圍，否則可能會(huì)導(dǎo)致真實(shí)形變信號(hào)被錯(cuò)誤去除。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)算法也在近幾年開始用于多路徑的檢測[52]，但如何削弱檢測到的多徑誤差還需進(jìn)一步研究[53]。多路徑緩解法包括基于觀測值域[54-55]或坐標(biāo)域[45,56]的恒星日濾波(Sidereal Filtering，SF)和基于空間域的多徑半天球圖(Mult-ipath Hemispherical Map，MHM)[57-58]等，都是利用衛(wèi)星軌道的時(shí)空重復(fù)性和測站環(huán)境相關(guān)性這2個(gè)特點(diǎn)，對(duì)多路徑誤差進(jìn)行建模緩解。SF的關(guān)鍵是確定衛(wèi)星軌道的最佳重復(fù)周期和上一個(gè)重復(fù)周期的多路徑改正模型，而基于空間域的MHM則無需考慮衛(wèi)星軌道的重復(fù)周期，只與衛(wèi)星的位置有關(guān)。文獻(xiàn)[59]比較了GPS PPP模式下的觀測值域和坐標(biāo)域的SF，結(jié)果表明觀測值域的SF結(jié)果更加穩(wěn)定。文獻(xiàn)[58]將SF方法與改進(jìn)的MHM方法進(jìn)行了對(duì)比，表明MHM方法的改正效果略優(yōu)于SF。由于中長基線模式下同時(shí)存在多徑和大氣誤差的影響，且大氣誤差無法通過濾波等方法消除，使得前后兩重復(fù)周期的多徑相關(guān)性不再顯著，傳統(tǒng)SF方法難以應(yīng)用到中長基線RTK/網(wǎng)絡(luò)RTK中。文獻(xiàn)[55]通過對(duì)天頂對(duì)流層延遲建模，再從非差殘差中減去對(duì)流層延遲影響，進(jìn)而得到具有相關(guān)性的多徑模型，該方法在遠(yuǎn)程基線高精度變形監(jiān)測中具有良好的應(yīng)用前景。表1比較了不同多路徑削弱方法在滑坡災(zāi)害監(jiān)測中的適用性。

表1 不同多路徑削弱方法在滑坡災(zāi)害監(jiān)測中的適用性

2)粗差探測與時(shí)序?yàn)V波。復(fù)雜災(zāi)害監(jiān)測環(huán)境下，GNSS容易受到對(duì)流層不穩(wěn)定、信號(hào)中斷以及強(qiáng)電磁場等因素干擾[60]，監(jiān)測時(shí)序不可避免地會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)范圍較大的粗差。這些粗差會(huì)導(dǎo)致無法準(zhǔn)確反映監(jiān)測體的真實(shí)形變信號(hào)，影響其穩(wěn)定性分析和預(yù)測預(yù)警工作[2]。目前，GNSS監(jiān)測時(shí)序的粗差探測常用的方法主要有3σ和四分位距(Interquartile Range，IQR)兩種，這兩種方法都是基于觀測數(shù)據(jù)的誤差分布特征，采用假設(shè)檢驗(yàn)對(duì)粗差進(jìn)行探測[61]。但由于監(jiān)測時(shí)序存在位置移動(dòng)，使得3σ和IQR的準(zhǔn)確性都依賴于觀測數(shù)據(jù)的殘差序列準(zhǔn)確性，一旦殘差序列出現(xiàn)誤差，將會(huì)導(dǎo)致粗差探測效果不佳[60]。文獻(xiàn)[62]分析了不同類型的粗差特征在小波變換后不同尺度上的表現(xiàn)規(guī)律，為選擇合適的小波函數(shù)提供了一定的參考。文獻(xiàn)[63]提出了一種結(jié)合小波分析和3σ的粗差探測方法，有效改善了3σ法因殘差受污染帶來的影響。文獻(xiàn)[64]提出了聯(lián)合奇異譜分析(Singular Spectrum Analysis，SSA)和未確知濾波(Unascertained Filtering，UF)的粗差探測方法，首先利用SSA提取形變信號(hào)，再利用UF確定粗差點(diǎn)的位置，其探測結(jié)果可靠性較高。文獻(xiàn)[65]提出了一種基于狀態(tài)域一致性理論的監(jiān)測時(shí)序緩慢增長的粗差檢測方法，可有效識(shí)別時(shí)序中緩慢增長的粗差。

GNSS監(jiān)測時(shí)序中除多路徑誤差和粗差外，還存在大量的隨機(jī)噪聲。這些噪聲會(huì)掩蓋監(jiān)測體的真實(shí)微小形變，時(shí)序?yàn)V波模型可有效削弱其影響，提升GNSS監(jiān)測精度。文獻(xiàn)[66]系統(tǒng)總結(jié)了幾種經(jīng)典的時(shí)序平滑及濾波技術(shù)。文獻(xiàn)[67]提出了一種基于樣本崩潰點(diǎn)的自適應(yīng)滑動(dòng)窗口方法，可自適應(yīng)地處理GNSS變形監(jiān)測時(shí)序，提供可靠的形變信息。文獻(xiàn)[68]提出了一種基于動(dòng)態(tài)權(quán)重的移動(dòng)平均方法，使得當(dāng)數(shù)據(jù)存在異常波動(dòng)時(shí)也可獲取接近于真實(shí)的平均值。文獻(xiàn)[69]評(píng)估了三種濾波方法(簡單移動(dòng)平均、高斯加權(quán)移動(dòng)平均和Savitzky-Golay)在GNSS高頻變形監(jiān)測時(shí)序?yàn)V波中的性能，結(jié)果表明簡單移動(dòng)平均結(jié)果與真實(shí)形變存在差異性，高斯加權(quán)移動(dòng)平均和Savitzky-Golay則都能保留真實(shí)趨勢特征。

2 滑坡災(zāi)害GNSS監(jiān)測技術(shù)面臨的關(guān)鍵問題

2.1 弱信號(hào)低成本監(jiān)測型GNSS接收機(jī)研制

由于災(zāi)害體變形的空間差異性，往往需要在災(zāi)害體表面布設(shè)多臺(tái)GNSS監(jiān)測設(shè)備，通過一定密度的點(diǎn)狀變形監(jiān)測數(shù)據(jù)反映災(zāi)害體形變的整體趨勢。而且在復(fù)雜環(huán)境下，GNSS監(jiān)測存在信號(hào)跟蹤能力差和抗干擾能力弱等問題，因此，如何在控制成本的情況下同時(shí)獲得較高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)成為了亟需解決的問題。研究表明，采用相干積分和非相干積分結(jié)合的方式可以消除數(shù)據(jù)碼長度對(duì)相干積分增益的影響[70]，利用差分相干積分減小非相干積分中的平方衰耗，可以提高信號(hào)捕獲的靈敏度。為了提高信號(hào)捕獲速度和精度，利用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)進(jìn)行偽碼與載波頻率捕獲，采用延遲鎖定環(huán)(Delay Locked Loop，DLL)與鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，PLL)實(shí)現(xiàn)GPS微弱信號(hào)的跟蹤[71]。傳統(tǒng)的延遲鎖定環(huán)跟蹤方法的跟蹤精度不高，并且在環(huán)境惡劣信號(hào)微弱的情況下容易導(dǎo)致鎖定信號(hào)跟蹤的失鎖，最終導(dǎo)致無法定位。采用卡爾曼濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)跟蹤環(huán)路中的環(huán)路濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)弱信號(hào)的跟蹤，使接收機(jī)能夠成功地處理低信噪比的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)碼相位和載波相位的鎖定[72]。在成本控制方面，有學(xué)者采用物聯(lián)網(wǎng)“傳感器+云”的思維模式[26，73]，僅保留GNSS接收機(jī)中的數(shù)據(jù)采集和通信模塊，雖然可以顯著降低監(jiān)測成本，但相較于專業(yè)型監(jiān)測設(shè)備，GNSS低成本接收終端觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯較差[33，74]，如何將弱信號(hào)處理技術(shù)與低成本GNSS接收機(jī)結(jié)合，為解決GNSS災(zāi)害監(jiān)測精度、穩(wěn)定性以及可靠性問題帶來了挑戰(zhàn)。

2.2 遮擋環(huán)境下GNSS載波模糊度可靠固定

我國地理環(huán)境復(fù)雜，多山區(qū)，在進(jìn)行滑坡災(zāi)害GNSS監(jiān)測時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)較差，接收機(jī)容易受到樹木等的遮擋，整周模糊度解算面臨很多挑戰(zhàn)。首先，信號(hào)精度過差的衛(wèi)星測量值會(huì)降低模糊度固定的準(zhǔn)確率，并增加模糊度收斂時(shí)間，在模糊度解算過程中，可能會(huì)導(dǎo)致模糊度無法收斂[75]，沒有收斂的模糊度會(huì)影響其他模糊度的固定，從而影響結(jié)果精度。其次，GNSS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位監(jiān)測需要基準(zhǔn)站和流動(dòng)站有足夠的共視衛(wèi)星才能解算出可靠的模糊度，從而獲得高精度的位置信息。但是在遮擋環(huán)境下的可視衛(wèi)星分布不均勻，共視衛(wèi)星少，空間結(jié)構(gòu)差，導(dǎo)致定位解算時(shí)觀測方程的強(qiáng)相關(guān)性，即存在病態(tài)性[76]，難以獲得可靠的模糊度固定，從而嚴(yán)重影響GNSS監(jiān)測結(jié)果。然后，在易出現(xiàn)信號(hào)失鎖的情況下，需要重新進(jìn)行模糊度固定，從而延長了GNSS監(jiān)測時(shí)間序列收斂時(shí)間。最后，在山谷、密林等多遮擋環(huán)境下， GNSS載波相位觀測值經(jīng)常存在周跳，從而影響后面的GNSS載波相位觀測值。在進(jìn)行模糊度固定前，必須進(jìn)行周跳探測和修復(fù)，周跳的探測與修復(fù)對(duì)于后續(xù)模糊度的解算及最終定位結(jié)果的精確度至關(guān)重要[77]，否則極易影響模糊度固定率和模糊度固定速度，從而影響GNSS監(jiān)測結(jié)果。因此，在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行滑坡災(zāi)害GNSS監(jiān)測，模糊度的可靠固定是取得高精度結(jié)果的關(guān)鍵。

2.3 長基線大高差環(huán)境下GNSS大氣誤差處理與消除

在GNSS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位中，主要誤差源來自大氣延遲。大氣延遲包括電離層延遲和對(duì)流層延遲，對(duì)流層又分為干延遲和濕延遲。在短基線RTK中，通過雙差組合可以消除電離層延遲和對(duì)流層延遲。而長基線大高差下的RTK，電離層延遲差和對(duì)流層延遲差會(huì)變大，從而影響最終的定位精度。其中電離層可以通過無電離層組合消除一階項(xiàng)，電離層延遲受高差變化影響較小，即使兩測站高差10km，差異僅為2.5cm[78]。對(duì)流層的干延遲可以通過模型進(jìn)行消除，而濕延遲由水汽引起，易受地形地貌和天氣的影響。大氣密度空間分布的不均勻性和時(shí)間差異性很強(qiáng)，特別是對(duì)于水汽，其分布不均勻，在水平面和垂直面上有所不同[79]，很難對(duì)其分布進(jìn)行建模。對(duì)流層延遲大小與海拔高度密不可分，因而其主要影響垂直分量的精度，且易受高差影響。當(dāng)兩測站的高差較大時(shí)，即使基線長度較短，模型改正和雙差也不能完全消除對(duì)流層延遲的影響。簡單地通過基線的長度判斷是否進(jìn)行對(duì)流層延遲估計(jì)是不夠嚴(yán)密的[80]。而且當(dāng)2個(gè)測站的高度差僅為100m時(shí)，2個(gè)測站的對(duì)流層傾斜延遲差能達(dá)到10cm以上。當(dāng)高程相差 1km 時(shí)，兩點(diǎn)的對(duì)流層延遲之差也將達(dá)到分米級(jí)，嚴(yán)重影響定位結(jié)果。因此，在我國地形地貌復(fù)雜、多山地區(qū)，對(duì)于長基線大高差環(huán)境下的RTK監(jiān)測取得良好的結(jié)果，對(duì)流層誤差消除是關(guān)鍵。

3 滑坡災(zāi)害GNSS監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用展望

3.1 高?；颅h(huán)境下無人機(jī)拋投式GNSS監(jiān)測裝備系統(tǒng)

對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行GNSS形變監(jiān)測，首先就需要在滑坡變形體上布設(shè)GNSS監(jiān)測裝置。目前，監(jiān)測設(shè)備的安裝主要是通過安裝人員攜帶GNSS監(jiān)測設(shè)備及通信、供電等模塊，到達(dá)滑坡災(zāi)害區(qū)域后進(jìn)行安裝。當(dāng)安裝位置位于高山峽谷或坡體邊緣等危險(xiǎn)區(qū)時(shí)，亦或是滑坡已經(jīng)發(fā)生，需要布設(shè)監(jiān)測設(shè)備避免發(fā)生二次滑坡造成人員傷亡等情況時(shí)，設(shè)備安裝人員難以到達(dá)設(shè)備安裝位置進(jìn)行安裝作業(yè)，也就無法實(shí)施GNSS監(jiān)測工作。而通過無人機(jī)拋投的方式進(jìn)行GNSS監(jiān)測設(shè)備的遠(yuǎn)程部署[12]，為高?；颅h(huán)境下GNSS監(jiān)測工作開展給出了一個(gè)新的解題思路。無人機(jī)拋投式監(jiān)測是通過無人機(jī)將GNSS監(jiān)測設(shè)備運(yùn)輸?shù)交麦w上空，然后拋投釋放監(jiān)測設(shè)備，固定在事先確定好的監(jiān)測點(diǎn)位上，以實(shí)現(xiàn)滑坡體后續(xù)變形的監(jiān)測。相較于常規(guī)人工安裝部署的方式，無人機(jī)拋投式部署具有作業(yè)范圍更廣、風(fēng)險(xiǎn)更低等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)無人機(jī)自身的搭載能力也要求GNSS監(jiān)測設(shè)備的體積和質(zhì)量應(yīng)盡可能小，可在保留監(jiān)測設(shè)備必要模塊的基礎(chǔ)上考慮野外設(shè)備三防要求，對(duì)設(shè)備材料進(jìn)行綜合選型以減小體積和質(zhì)量。此外，GNSS監(jiān)測設(shè)備在拋投釋放后應(yīng)牢牢固定在滑坡體上，可充分考慮GNSS監(jiān)測設(shè)備的質(zhì)量、外形等特征，研制可滿足土質(zhì)、巖質(zhì)等不同類型滑坡場景下拋投固定需求的固定裝置。盡管目前無人機(jī)拋投式GNSS監(jiān)測技術(shù)還處于起步階段，但隨著拋投無人機(jī)、GNSS監(jiān)測設(shè)備、不同滑坡場景下拋投固定裝置及復(fù)雜遮擋環(huán)境下無人機(jī)可靠導(dǎo)航定位算法等研究的不斷深入、迭代和優(yōu)化，研發(fā)一套系統(tǒng)完整、成熟、穩(wěn)定的無人機(jī)拋投式GNSS監(jiān)測裝備系統(tǒng)，有望革新滑坡災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域傳統(tǒng)人工部署的作業(yè)模式，提升GNSS監(jiān)測設(shè)備部署效率，推動(dòng)GNSS在復(fù)雜滑坡災(zāi)害應(yīng)急規(guī)?；O(jiān)測應(yīng)用，為我國防災(zāi)減災(zāi)提供重要技術(shù)支撐。

3.2 基于GNSS地基參考站網(wǎng)的大范圍滑坡災(zāi)害監(jiān)測

北斗地基參考站網(wǎng)在中國的建設(shè)已經(jīng)如火如荼，國家及各省市建設(shè)基準(zhǔn)站數(shù)量已超過6000座[81]。該站網(wǎng)建設(shè)規(guī)格高，數(shù)據(jù)質(zhì)量好，目前主要用于坐標(biāo)框架維持、基礎(chǔ)測繪及大型工程建設(shè)，亟需推廣地基參考站網(wǎng)在滑坡災(zāi)害監(jiān)測等其他領(lǐng)域的應(yīng)用。傳統(tǒng)的短距離RTK形變監(jiān)測，因?yàn)槠渥陨硖匦?，存在監(jiān)測范圍受限的問題，而且當(dāng)基準(zhǔn)站發(fā)生形變或無可靠位置布設(shè)穩(wěn)定基準(zhǔn)站時(shí)，無法獲得穩(wěn)定可靠的變形監(jiān)測序列。因此，有學(xué)者探討了以衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站作為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的基準(zhǔn)[82],采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測[83]。網(wǎng)絡(luò)RTK覆蓋范圍廣，但該技術(shù)易受大氣建模誤差的影響，常用的VRS技術(shù)將大氣建模值直接用于觀測值生成，在大氣較為活躍或參考站間距較大時(shí)監(jiān)測精度相對(duì)較低。與網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)不同，PPP-RTK技術(shù)采用軌道、鐘差、硬件延遲及區(qū)域參考站網(wǎng)提供的大氣延遲產(chǎn)品，可滿足監(jiān)測終端的快速高精度定位需求，監(jiān)測終端將大氣建模產(chǎn)品作為外部約束使用，可有效避免VRS模式下對(duì)大氣建模誤差的敏感特性。但目前，PPP-RTK技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用中相對(duì)較少，其主要原因是該技術(shù)需額外依賴高精度高可靠的實(shí)時(shí)軌道、鐘差及大氣等增強(qiáng)產(chǎn)品，一旦增強(qiáng)產(chǎn)品發(fā)生延遲、中斷或精度下降，其終端定位的性能會(huì)隨之迅速降低[84]，監(jiān)測結(jié)果用于滑坡災(zāi)害預(yù)警時(shí)存在虛警風(fēng)險(xiǎn)。但是，隨著區(qū)域的或全球的地(星)基增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量和性能的不斷提高，PPP-RTK技術(shù)在滑坡災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

3.3 GNSS多傳感器位移融合預(yù)測

地表變形是災(zāi)害體發(fā)生破壞最直觀的現(xiàn)象，對(duì)災(zāi)害體失穩(wěn)初期的預(yù)警判據(jù)也主要是基于變形信息，因此，對(duì)滑坡地表位移進(jìn)行預(yù)測一直是研究的熱點(diǎn)之一[85]。對(duì)于單個(gè)GNSS監(jiān)測點(diǎn)而言，依據(jù)歷史監(jiān)測曲線對(duì)未來長期、短期一段時(shí)間的地表位移進(jìn)行預(yù)測，可提供該監(jiān)測點(diǎn)未來變形趨勢的參考。但是，由于硬件、軟件、預(yù)測方法和監(jiān)測點(diǎn)周邊環(huán)境等各種因素的影響，仍然存在著虛警、漏警與誤警率高等問題。近年來，數(shù)據(jù)擬合、機(jī)器學(xué)習(xí)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等在GNSS位移預(yù)測中已有不少應(yīng)用，預(yù)測精度也在逐漸提高[86-88]。隨著對(duì)滑坡形變機(jī)制研究的逐步深入，單純利用歷史位移監(jiān)測信息進(jìn)行預(yù)測缺少地質(zhì)解釋，研究熱度有所減弱，而將GNSS位移與滑坡體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、變形機(jī)制及誘發(fā)因素等信息結(jié)合起來進(jìn)行變形預(yù)測，有望進(jìn)一步提高變形預(yù)測的精度和可靠性[89]。另外，降雨是滑坡形變的重要影響因素，基于深度學(xué)習(xí)融合位移序列與降雨數(shù)據(jù)建立預(yù)測模型[90-91]，其預(yù)測結(jié)果可靠性、可解釋性更強(qiáng)。不同滑坡的地質(zhì)條件也不盡相同，如何確定出其形變的關(guān)鍵影響因子，并結(jié)合GNSS監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行位移預(yù)測，是滑坡災(zāi)害GNSS智能預(yù)測的下一步研究方向。此外，對(duì)于單體滑坡而言，地表多個(gè)GNSS監(jiān)測的累計(jì)位移、形變速率等結(jié)果趨勢可能不同，除預(yù)測各監(jiān)測點(diǎn)的變化趨勢外，融合各監(jiān)測點(diǎn)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)去預(yù)測該滑坡體的總體變化趨勢也是滑坡災(zāi)害GNSS智能預(yù)測的重要內(nèi)容[92-93]。目前，雨量計(jì)、土壤濕度計(jì)、傾角儀和裂縫計(jì)等傳感器在滑坡災(zāi)害監(jiān)測中已有不少應(yīng)用，不僅大大豐富了滑坡GNSS位移預(yù)測中的數(shù)據(jù)源，且融合多種類、多點(diǎn)位傳感器數(shù)據(jù)建立位移預(yù)測模型，可更可靠、合理地對(duì)滑坡體未來一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢作出預(yù)測，從而為滑坡災(zāi)害預(yù)警工作提供重要參考數(shù)據(jù)。

3.4 普適化GNSS滑坡監(jiān)測云平臺(tái)構(gòu)建

30多年來，GNSS技術(shù)在滑坡形變監(jiān)測中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但是由于GNSS定位的理論和技術(shù)方法的專業(yè)性較強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中，主要依靠專業(yè)技術(shù)人員才能較好地完成滑坡變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和分析預(yù)測等工作，非專業(yè)人員仍然難以直接應(yīng)用GNSS技術(shù)進(jìn)行滑坡變形監(jiān)測。隨著GNSS接收機(jī)軟硬件制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前GNSS監(jiān)測技術(shù)的自動(dòng)化、智能化水平已經(jīng)得到大幅度提升，非專業(yè)人員已經(jīng)能夠獨(dú)立安裝GNSS監(jiān)測設(shè)備，但對(duì)于GNSS接收機(jī)采集的觀測數(shù)據(jù)還需要經(jīng)過專業(yè)人員的處理和分析后才能投入實(shí)際應(yīng)用。隨著云計(jì)算和大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，使得GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)上傳至云端進(jìn)行計(jì)算，大量基于云平臺(tái)的監(jiān)測系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生[10,94-95]?！霸拼鎯?chǔ)-云檢驗(yàn)-云增強(qiáng)-云處理”的智能化數(shù)據(jù)處理模式，可為GNSS監(jiān)測技術(shù)的推廣應(yīng)用提供有力支撐[10]，也為GNSS監(jiān)測技術(shù)的普適化提供了契機(jī)。基于這些新技術(shù)，可以開發(fā)出界面友好、穩(wěn)定、安全及拓展性強(qiáng)的云端GNSS監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)，人們既能實(shí)時(shí)了解GNSS監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀況，也可依據(jù)各滑坡體、各監(jiān)測點(diǎn)的變形狀態(tài)智能推送預(yù)警信息及現(xiàn)場智能聲光報(bào)警；同時(shí)，基于共享云端監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，可開發(fā)出移動(dòng)端的滑坡監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)滑坡監(jiān)測和預(yù)警信息流、數(shù)據(jù)流的高效發(fā)布，使得非專業(yè)人員也能夠輕松自如地應(yīng)用GNSS監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行滑坡災(zāi)害的防范和預(yù)警，這必將有力地推動(dòng)滑坡災(zāi)害群測群防和精準(zhǔn)防控等工作的深入開展。

4 結(jié)語

經(jīng)過30余年的發(fā)展，滑坡災(zāi)害GNSS監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，目前已成為滑坡災(zāi)害地表三維形變信息獲取的主要手段之一。但由于我國疆域遼闊、地形復(fù)雜以及氣候多樣，每年滑坡災(zāi)害仍頻發(fā)，嚴(yán)重阻礙著國家重大戰(zhàn)略工程的順利實(shí)施，威脅著人民生命財(cái)產(chǎn)安全[96-97]，因此，人們對(duì)GNSS監(jiān)測技術(shù)也提出了更高的要求。本文梳理了GNSS監(jiān)測設(shè)備、高精度監(jiān)測技術(shù)及監(jiān)測結(jié)果時(shí)序處理在滑坡變形監(jiān)測中的發(fā)展歷程，分析了現(xiàn)階段滑坡災(zāi)害GNSS監(jiān)測存在監(jiān)測設(shè)備的弱信號(hào)處理能力不足、遮擋環(huán)境下模糊度可靠固定難及長基線大高差GNSS大氣誤差處理不佳等關(guān)鍵問題。最后，隨著GNSS監(jiān)測硬件的不斷發(fā)展及GNSS監(jiān)測技術(shù)研究的日益深入，對(duì)GNSS監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于滑坡災(zāi)害監(jiān)測的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，希望通過研發(fā)無人機(jī)拋投式GNSS監(jiān)測裝備，突破高危滑坡環(huán)境監(jiān)測設(shè)備部署難的問題；通過借助現(xiàn)有GNSS地基參考站網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大范圍的滑坡災(zāi)害監(jiān)測；通過對(duì)GNSS多傳感器監(jiān)測結(jié)果融合預(yù)測方法的研究，解決滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中存在的虛警及誤警率高的問題；通過加強(qiáng)對(duì)GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能化處理，降低GNSS滑坡監(jiān)測的專業(yè)性，推動(dòng)GNSS監(jiān)測技術(shù)的普適化應(yīng)用。