地质灾害高精度GPS监测关键技术研究

王 利

长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054

我国是世界上地质灾害最为严重的国家之一，开展对滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降和地裂缝等地质灾害的高精度监测，了解和掌握不同地质现象和地质灾害的变形规律和特征，从而实现对地质灾害的评价、预测和预警是一项必要而且迫切的科学任务。目前，GPS定位技术已在地质灾害监测领域得到广泛应用，但在如何实现高精度快速定位方面仍然存在着尚未完全解决的关键技术问题，如特殊环境条件下GPS观测误差的消除与改正，GPS原始观测数据质量的检验与判断，不同灾害监测需求下精度指标的确定，高精度GPS数据处理方案的确定，GPS精密单点定位技术的精度和可用性，GPS动态定位技术的适用性，以及GPS实时变形监测系统的构建与实现等。针对上述问题，本文对GPS高精度和快速定位所面临的关键技术方法展开了深入的研究和探讨，主要内容如下：

（1）针对影响高精度GPS定位的误差问题，重点探讨了卫星星历和对流层延迟误差对高精度GPS监测结果的影响规律，提出了在基线较长或站间高差过大时宜采用精密星历和对流层延迟改正模型进行基线向量解算的处理措施。

（2）针对高精度GPS监测中如何判断测站观测环境和接收机质量的问题，提出了一种利用MP1与MP2之差Δ值的时间序列对GPS接收机性能进行检验的新方法，可以快速检验并判断GPS接收机的测量性能状态。

（3）探讨了GPS精密单点定位（PPP）技术在地面沉降等大范围、缓变型地质灾害监测中的适用性问题，通过对某地区大范围地面沉降监测数据的处理和分析，发现PPP技术监测结果的内符合精度可以达到5mm以内，外符合精度可以达到20mm左右，表明静态PPP技术在采取精细误差修正模型改正等措施后，完全可用于厘米级精度的大范围地质灾害的变形监测。

（4）为了提高静态PPP技术的收敛速度、定位精度和可靠性，提出了一种基于基准站改正信息和历元差分的无模糊度PPP定位算法，该算法可大大缩短PPP的收敛时间，能够在较大范围内快速、独立地获取各个监测点上的形变信息，且精度和可靠性均有保障。

（5）为了降低GPS精密单点定位的硬件成本，研究了利用单频GPS接收机进行高精度定位的关键技术，提出了一种基于GPS原始观测值的单频PPP算法。该算法通过增加电离层延迟先验信息、空间和时间约束的虚拟观测方程，将电离层延迟当作未知参数与其他定位参数一并估计来高效修正电离层延迟误差。结果表明：该算法的收敛速度和稳定性较传统方法有所改善，其静态单频单天PPP解的精度可达2～3cm、模拟动态单频单天PPP解的精度可达2～3dm，完全可用于厘米或分米级精度的大范围地质灾害变形监测。

（6）通过对滑坡监测的精度、复测周期和速度三者关系的分析，探讨了3种GPS快速定位技术在滑坡灾害动态变形监测中的精度、适用范围和限制条件等关键问题，实例和计算结果表明，RTK技术、GPS单历元定位技术和实时PPP技术均可用于中速（4级）以上滑坡的实时动态变形监测。

（7）基于本文研究的若干地质灾害高精度GPS监测关键技术和方法，提出了对甑子岩危岩体采用GPS静态和动态定位技术相结合的监测技术路线，并成功构建了甑子岩危岩体GPS实时动态监测系统。该系统能够实现对危岩体变形情况的全天候、自动化和三维动态监测，进而实现对灾害体变形状况的及时准确预警，监测结果的平面精度约为5mm，高程精度约为10mm。