利用CORS网的地面稳定性变化监测与数值预报方法
王 伟1，章传银1，史 珂2，党亚民1，张 鹏3，杨 强1
1.中国测绘科学研究院；
2.云南省基础测绘技术中心；
3.国家基础地理信息中心
摘 要：针对地质灾害危险区的空间分布、联动关系与时间演变态势的监测，该文提出利用地面稳定性变化监测和数值预报方法开展相关研究。以连续运行参考站(CORS)网为控制，融合水文气象等多源数据，反演获得区域几何、物理形变场模型，进一步构建地面稳定性降低的规律准则，实现地面稳定性变化监测和数值预报。通过解译地面稳定性降低现象的出现地点与时间、空间分布与时间演变，揭示地质灾害危险区的空间分布、联动关系和时间演变规律，并在滇西地区开展了应用试点。研究发现，利用CORS网的地面稳定性变化监测和数值预报方法，能够有效把握危险区分布动态、联动关系与时间演变规律，可为地质灾害风险评价、隐患点和风险区双控、孕灾过程和成灾规律认知提供科学依据。
0 引言
地面稳定性是地面变形对工程建设安全稳定的影响程度，对工程建设规划、地质灾害防治等具有重要意义。大部分地质灾害与区域地面稳定性变化强相关[1-2]。地面稳定性变化，是掌握地质灾害空间分布与时间演变、揭示致灾规律的重要基础[3]。目前，已有的地质调查大多是静态调查，区域地壳稳定性评价同样是静态的，很难反映出区域地面稳定性变化情况[4-5]。
气候和地球表层水文环境的改变，会引起地面形变和重力等变化，可导致区域地面稳定性变化。区域地面形变和重力变化等是各种动力环境因素的综合响应，监测分析地面的形变和重力变化等情况，并建立与地面稳定性变化的量化关系，就可定量分析地面稳定性变化[6]。卫星导航定位连续运行参考站（continuously operating reference stations,CORS）可以实现对站点的地面形变进行连续观测[7]。基于负荷形变理论[8]，通过CORS 网全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）观测反演等效水高，然后利用格林函数积分法可计算出重力和地倾斜等大地测量地面要素变化[9]。CORS网为地面形变、重力变化等监测提供了高精度和时效性的数据，为地面稳定性变化监测提供了数据基础。对于地面稳定性变化情况，文献[6,10-11]在三峡地区和浙江地区等开展了稳定性变化监测的探索，但是针对地质灾害危险区的研究还略有不足。
本文以CORS网为控制，融合水文气象等多源观测，无缝连续监测地面形变、重力与地倾斜变化，实现地面稳定性变化定量监测与数值预报，揭示地质灾害危险区空间分布、联动关系与时间演变规律，并在滇西地区开展了应用试点和测试验证。
1 监测和数值预报方法
1.1 CORS网几何物理形变场高频监测
CORS网GNSS能够连续监测地面点的变化，精度为毫米级。除构造形变，CORS站点的大地高随时间变化，受大陆水、大气压及海平面变化等地表负荷变化影响。根据固体地球负荷形变理论，负荷引起的大地高变化满足负荷格林函数积分。
以CORS站网大地高变化为观测量，可反演求解地面负荷等效水高变化。有了地面等效水高变化，就可按负荷形变理论公式，变换相应的格林函数，计算区域地面重力和地倾斜等多种大地测量参数的负荷影响变化。
为了提高区域形变场监测反演的稳定性和精度，可采用移去恢复法，对大气、土壤水、江河湖库水等已知负荷进行移去恢复，利用残余大地高作为观测量进行反演计算。最终，获得区域垂直形变、重力和地倾斜变化等几何物理形变场高频监测成果。
1.2 地面稳定性变化监测
大地测量的直接监测，是地质环境在水文气象要素动力作用下的综合响应，具有自适应当地环境的突出优势。通过地面几何物理形变场高频监测成果，界定地面稳定性降低现象的出现地点和时间，从而可实现地面稳定性变化时空演变特征的跟踪监测。
由地面形变、重力与地倾斜变化时序，构建稳定性降低的判别准则。地面稳定性降低准则，包括地面抬升、地面重力减小、垂直形变、重力变化梯度大、地倾斜变化与地形坡度同向。准则以客观自然规律，融合了地面垂直形变、地面水平形变、地面重力变化、地倾斜变化和数字地形模型等多个要素。
本文研究的“地面”指的是承载灾害体的岩土层，不含土壤自身局部变化，不直接针对具体灾害或隐患点。通过与地质灾害信息进行时空分析，以地面稳定性降低与已有地质灾害事件的一致性为优化目标，确定用于地面稳定性变化分析的要素和权重，进而定量分析地面稳定性变化。
1.3 地面稳定性变化与地质灾害危险性
不同地质环境，在不同时间，对地面稳定性降低的响应都存在明显差别。使区域稳定性变化自动适应当地当前的地质环境。参考近期地灾及险情事件，通过优化参数，进一步整合区域几何物理形变场与环境地质要素，不断适应当地当前地质环境，实现地面稳定性变化监测。
地面稳定性变化数值预报，是根据地面稳定性变化数值预报模型的动力学推估。地面稳定性变化数值模型通过优化整合地面稳定性变化、稳定性变化速率和变化速率水平梯度构建。可进一步通过水文气象预报辅助，实现更精细的预报。
用近几年直至当天的地质灾害（险情）事件，标定地面稳定性变化时序，给定漏报率，计算稳定性变化最小值，将地面稳定性变化预报模型中大于最小值的稳定性变化作为预报值，可预报今后1周、2周或1月的地质灾害危险性。
2 采用的数据
本次测试区域在云南西部保山、大理两个滇西地区，面积约5.91×104 km2。采用的数据主要包括试点区及周边72座CORS站，44个地下水监测站，41个河流水文站，以及土壤水、气象监测数据等。
3 监测结果与分析
3.1 CORS网几何物理形变场高频监测
利用GAMIT/GLOBK对CORS网进行基线解算，对CORS网基线解进行处理，获得各CORS站点变化时间序列[12]。经粗差探测和剔除，数据重构，分离大气[13]、土壤水、非潮汐海洋负荷[14]和江河湖库水负荷影响，利用残差大地高反演获得区域残差形变场；然后恢复各种负荷影响，获得最终的几何物理形变场[15]。试点区域形变场的空间分辨率为1 km，时间分辨率为1周。图1为利用周变化获取的地面垂直形变、重力和地倾斜周变化。
如图1所示，当地倾斜变化方向聚集或发散，此时此地，地倾斜变化速率水平梯度较大，附近地面出现挤压或拉伸现象，地面稳定性降低。
图1 地面垂直形变、重力和地倾斜形变场周变率
3.2地面稳定性变化定量监测
利用高分辨地面几何物理形变场，结合地灾及险情点分布情况，调整地面稳定性变化判定准则要素权重，确定滇西地区地面稳定性变化定量监测成果，如图2所示。
图2 区域地面稳定性变化
稳定性变化是时变量，用实数连续表示。如图3所示，图中标尺为无量纲值。稳定性变化值大于0，表示此时此地，稳定性正在下降。稳定性变化越大，表示此时此地，稳定性下降速度越快。
通过整合地面沉降线性速率水平梯度和地面水平形变线性速率水平梯度，生成地面稳定性稳态数值背景场，在此基础上，进一步整合稳定性变化、稳定性变化速率和变化速率梯度格网时序，可建成总体地面稳定数值模型，最终建立与地质灾害易发区的关系。
3.3 地面稳定性变化数值预报
将地面稳定性变化、地面稳定性变化速率和变化速率水平梯度按照时空分布规律进行整合，参考地质灾害及险情点，获得地面稳定性变化数值预报模型时序。地面稳定性变化数值预报模型如图3所示。
图3 地面稳定性变化数值预报
4 测试验证分析
4.1 地面稳定性变化监测性能测试验证
通过分析CORS网地质灾害前兆捕获情况，测试验证地面稳定性变化监测性能。依据地质灾害发生前，灾害体基底及附近的稳定性必提前下降的客观规律，通过定量跟踪稳定性变化的时空演变过程，捕获地质灾害前兆。
试点将地质灾害（险情）处的稳定性加速下降时刻，当作地质灾害前兆出现时刻。此刻的稳定性变化处于极小值状态，稳定性变化值大于0，变化速率等于0。
按照以下方法测试验证：将稳定性变化格网时序与变化速率时序相结合，计算地质灾害（险情）发生前一段时间内，稳定性加速下降时刻t及其与灾害（险情）发生时刻的时间差Δt，Δt即为地质灾害前兆提前捕获天数。进而对比分析当地当前动力环境变化，验证稳定性变化监测性能。图4是降水量、大气压等动力环境变化与地质灾害事件的时间对应情况。图中左侧竖轴是无量纲值，为方便对比分析，分别将大气压日平均、土壤水和地下水等效水高除以3.2 hPa、5.4 cm、13.9 cm，转换为无量纲值。
图4 动力环境变化与地质灾害的时间对应情况
本研究试点通过跟踪2018—2020年全部197起实际地质灾害（险情）处的地面稳定性变化，验证了稳定性变化监测性能。结果显示，提前2 d及以上出现灾害前兆的吻合率为94.5%。
4.2 地面稳定性变化数值预报测试验证
为了测试地面稳定性变化数值预报效果，并揭示地质灾害危险区分布、联动与时间演变，用实际灾害（险情）标定稳定性变化的阈值，建立地面地面稳定性变化数值预报与地质灾害危险区的联系。
图5是设定漏报率为10%的情况下，获取的地质灾害危险区变化情况。地质灾害危险性可直接用稳定性变化值表示。数值越大，表示灾害体基底的稳定性下降速度越快，此时此地，发生地质灾害的危险性越大。
图5 地质灾害危险区空间分布动态与时间演变规律
用2020年90处已知地质灾害或险情事件，验证危险性预报性能。结果显示：1周、2周和1个月的预报率分别为92.2%、83.3%和75.6%。
由于地球物理问题存在固有的不确定性，用地质灾害（险情）标定地面稳定性变化时序，也必然存在一定的不确定性。因此，即使设定零漏报率，进行地面稳定性变化预报，同样存在不确定性，也没有必要。通过地面稳定性变化数值预报，支持地质灾害预报，而不是直接预报地质灾害。
5 结束语
本文利用CORS网控制，融合多源数据获得区域垂直形变、重力等几何、物理形变场模型，建立地面稳定性降低的规律准则，实现地面稳定性变化监测和数值预报。通过解译地面稳定性降低现象的出现时间与地点，揭示了地质灾害危险区的空间分布、联动关系和时间演变规律，并在滇西地区得到了测试验证。基于CORS网的地面稳定性变化监测和数值预报，能够有效把握危险区分布动态、联动关系与时间演变规律，可为地质灾害风险评价、“隐患点+风险区双控”、孕灾过程和成灾规律认知提供科学依据。在实际地质灾害危险性预报中，可将地面稳定性变化数值预报与已有其他多种地质灾害调查监测结合，进一步提高地质灾害可能性预报水平。
致谢：本文的研究试点得到了中国地质环境监测院和国家基础地理信息中心的数据支持和帮助，在此表示感谢。
（原文有删减）
引用本文：王伟,章传银,史珂,党亚民,张鹏,杨强.利用CORS网的地面稳定性变化监测与数值预报方法[J].测绘科学,2022,47(08):45-51，93.DOI:10.16251/j.cnki.1009-2307.2022.08.006.
作者简介：王伟（1981—），男，山东临沂人，副研究员，博士，主要研究方向为时变重力场和形变监测应用分析。
E-mail：wangwei@casm.ac.cn
基金项目：中国测绘科学研究院基本科研业务费项目（AR2114，AR2210）；国家自然科学基金项目（408741221，42174013）；自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室开放基金重点课题项目（MESTA-2020-A001）
通信作者：章传银 研究员 E-mail: zhangchy@casm.ac.cn
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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