GNSS位移监测数据渐进式分析表征方法_魏世玉.pdf

第 卷 第 期 年 月 北京测绘 引文格式：魏世玉，董涛，邓鑫洁 位移监测数据渐进式分析表征方法北京测绘，（）：，（）：收稿日期 基金项目 重庆市教委科学技术研究项目（）作者简介 魏世玉（），男，云南保山人，硕士，高级工程师，从事地质灾害监测预警工作。：位移监测数据渐进式分析表征方法魏世玉 董 涛 邓鑫洁 李 川（重庆益尔公共安全应急产业发展有限公司，重庆；四川交通建设集团股份有限公司，四川 成都；重庆建筑工程职业学院，重庆）摘 要 为进一步挖掘全球导航卫星系统（）位移监测数据中包含的变形信息，提升数据使用质效，更好地服务于预警工作。本文以 实测数据为研究对象，采用点线面逐级分析，累计量速率加速度渐进刻画的方法。结合某滑坡监测实例，重点探究了粗差剔除、三维分量分析、位移矢量分析方法；指出来不利方向投影分析、顶底改正的重要性；论述了监测剖面分析及区域分析的重点内容。结果表明，该方法可较好地挖掘和甄别形变特征，其实用性较强，可为 位移监测预警参数选择及其判据设定提供依据，亦可为同类位移监测数据分析提供有益参考。关键词 位移监测；渐进分析；位移矢量；不利方向；顶底归算中图分类号.文献标识码 文章编号（）引言全球导航卫星系统（，）差分观测法是地表位移监测的主要技术方法。该方法可提供三维形变信息，精度高，测站间无须通视，易于实现监测自动化，可实现全天候、全时域监测，近年来在滑坡、边坡、水工等形变监测中得到较为广泛的应用，其数据分析处理技术一直为研究热点，但主要集中于观测量滤波、粗差探测以及时间序列分析方面，对数据挖掘深度、物理解释等方面略显不足。随着地质灾害专群结合监测预警技术规范的颁布实施，地质灾害专群结合监测预警实验工作的逐渐深入，国内涌现了大量多传感集成、多参数输出的普适型监测仪器设备，其中又以附加倾角、加速度输出的普适型 设备最具代表性，应用最为广泛。基于上述背景和技术方法应用情况，以地质灾害 位移监测实例为对象，依次逐级开展监测数据分析表征方法研究，以期更为客观、准确地做出评价，更好地服务于预警预报工作。渐进式分析表征技术路线所谓 位移监测数据渐进式分析表征方法分为纵向和横向两个维度，其中纵向以监测数据预处理为基础，遵循“点线面”分析主线，逐步渐进开展散点三分量平面位移矢量监测剖面监测区域分析评价；横向上逐步深入对累计位移量位移速率（一阶导数）位移加速度（二阶导数）进行分析评价；上述各阶段分析数据采用时序变形过程线或位移矢量图进行表征，技术路线如图 所示。文章以某在建公路工程沿线典型滑坡隐患北京测绘第 卷 第 期为例，结合其发育地形地貌、地质环境条件以及工程活动等因素布设监测点位（图），基于实测数据重点探究渐进式分析表征方法，考察其实用性和可靠性。预处理点线面粗差探测、剔除、插补三分量分析位移矢量分析纵、横剖面自由剖面强/弱变形区滑坡前/后缘自由区域顶底改正分析评价维度累计位移量表征方法变形过程线环形矢量图平面矢量图时间间隔(h)T待分析评价数据(X,Y,H,T)累计变化量(mm)X,Y,H速率(mm/h)X,Y,H加速度(mm/h2)gX,gY,gHXY平面位移矢量P,平面位移速率P平面位移加速度gP平面位移加速度gM位移速率M不利方向投影矢量M,剖面多点累计量叠加分析剖面多点速率叠加分析剖面多点加速度叠加分析区域多点加速度叠加分析区域多点速率叠加分析区域多点累计量叠加分析位移速率一阶导数位移加速度二阶导数GNSS解算坐标(X0,Y0,H0,T)图 位移监测数据渐进式分析表征技术路线北GB06GB05GB04GB01GB02GB03GB07GB08GB09主 滑 方 向 336213123GJ01图例GJ01GB02监测基准点位移监测点图 监测网点平面布置 预处理和数据准备 地表位移监测实践中，多路径效应，震动源、电磁干扰等误差因素客观存在，粗差的出现不可避免。粗差致使平差值偏离真值，若不进行粗差探测和剔除工作，监测数据序列就难以准确表征监测点形变过程，严重时淹没变形特征或致使误报。（）粗差探测与剔除。粗差即粗大误差，是指比在正常观测条件下所可能出现的最大误差还要大的误差，粗差在时间序列中呈现出离群特性，为确保监测数据真实反映监测点在时间域内的形变过程，基于监测数据的误差分布特征，构造与之相适应的粗差甄别统计量，采用假设检验对粗差进行粗差探测，一般常采用极大似然估计、最小二乘估计、极大验后估计、选权迭代等法进行粗差探测。（）时间序列插补。为确保监测数据序列在时间域内的连续性，有必要在剔除粗差后对时间序列进行插补。常见的插补方法有线性内插、拉格朗日内插、牛顿插值、多项式拟合。以图 所述滑坡主剖面前缘 监测点为例，选取 共 期 轴解算数据（为便于成图分析，取米位以后数据）为例，采用 选权迭代法探测、拉格朗日内插法插补（图），由图 可知，该法有效探测出监测序列中 处粗差并进行插补，时间序列可靠性显著增强。（）时间间隔归化。在实测过程中由于监测仪器设备故障、网络延迟等原因，监测数据在时间域内往往为非等间隔序列，若不顾及时间间隔，而直接差分计算变形速率和加速度，其物理意义不明确，此时 一、二 阶 导 数 将 失 去 其 意义。以图 所述滑坡 监测点为例，归一化时间尺度确立为 ，选取非等间隔现象突出第 卷 第 期魏世玉，董涛，邓鑫洁 位移监测数据渐进式分析表征方法的部分数据片段对比分析，可知顾及时间间隔前后，速率、加速度量值存在较显著差异，反之顾及时间尺度影响给出的速率、加速度值更为客观，更具预警实用性。1.7301.7551.7801.8051.8301357911131517192123观测期数GB03 X轴粗差探测剔除与插补X粗差剔除插补后X原始观测量X轴/m图 粗差探测剔除与插补实例 散点分量及矢量分析评价 散点分量分析 位移监测实质上为局域差分定位技术的工程应用，对载波相位观测值进行基线解算、无约束平差、约束平差，得到监测点三维绝对坐标。当前期观测值与首期观测值作差，得到累计位移量，当前期观测值与前一期观测值作差，得位移速率；当前期变化速率与前一期变化速率作差，得位移加速度，值得注意的是速率及加速度计算应对时间间隔归一化处理。以 监测点实测数据片段为例，对三分量累计位移、速率和加速度进行分析（图）。（）由图（）可知，自 月 日：至 日：，点 平 面 轴 累 计 位 移.，高程维累计沉降.。（）由图（）可知，月 日：至：，轴位移速率有正向趋势性，表明该点 轴方向正处于连续形变过程。（）由图（）可知，月 日：至：，轴位移加速度均为正且渐增大，表明该时段 轴方向有加速形变趋势。（）由图 可知，该监测点主形变方向为 方向，该形变方向与滑坡主滑方向强相关，数据表征与物理解释一致；加速持续形变阶段 月 日：至：，后期三轴形变趋势近收敛，表明该点位无进一步变形恶化趋势。-20-510252021-06-0909:36:002021-06-0914:24:002021-06-0919:12:002021-06-0900:00:002021-06-1004:48:002021-06-1009:36:002021-06-1014:24:002021-06-1019:12:00观测时间X(mm)Y(mm)H(mm)累计位移量/mm（）三轴累计位移量-8.00-4.000.004.008.0021:36:00 22:48:0000:00:00 01:12:00 02:24:00 03:36:00 04:48:00观测时间位移速率/mm/hX/mm/hY/mm/hH/mm/h（）三轴位移速率-8.00-4.000.004.008.0021:36:00 22:48:00 00:00:0001:12:00 02:24:0003:36:0004:48:00观测时间XYH位移加速度/mm/h2（）三轴位移加速度图 三分量变形过程分析 散点位移矢量分析由上述分析可知，三维分量独立分析有助于识别优势变形方向，对观测量进行一阶、二阶导数分析有利于识别变形过程的剧烈程度。为建立监测数据与监测对象的直观空间关联性，增强数据易读性有必要进一步开展位移矢量分析工作。平面位移矢量即在测量坐标系 Y 平面内，北京测绘第 卷 第 期对、Y 轴分量进行矢量合成，同时表征监测点位移大小和方向的分析方法。目前，常见的平面位移矢量分析方法有如下几种：（）位移标量叠加方位角表征法。该法以观测时间为横轴，主辅双纵轴分别为位移标位移方位角，该法便于人工观测数据处理和表征，但其可读性稍有欠缺。（）基于平面底图的位移量表征法。该法基于监测平面图为底图，在底图坐标系下逐一标注各监测点位移矢量，其结果为矢量图件，全局性最佳，便于表征某期观测成果，但不利于监测时间域内多期成果的表征。（）环视图表征法。该法以监测点初始位置为圆心，位移标量为半径，建立同心圆环，其坐标系与测量坐标系一致，各期监测数据落入圆环内部，同时表征位移标量、方位角及变形轨迹，便于软件实现（图）。2.55.010.0位移量(mm)N(X)E(Y)变形轨迹单位:mm比例尺:200:1方向 主滑 图 平面位移矢量环视图表征示例上述三种方法各有优劣，阶段性监测成果报告编制建议首选方法（），方法（）次之；软件实现建议采用方法（）。在工程应用中，诸如滑坡、边坡等斜坡灾害，由于微地貌变化，切坡、堆载等工程扰动，监测点Y 平面位移矢量与主滑方向可能大角度相交，此时仅以 Y 平面位移矢量表征表现特征会产生过于严重的研判结论。为抓住主要矛盾，更客观反映最不利方向（主滑方向或坡向）的变形过程及其特征，以某滑坡主滑方向为不利方向，将 监测点累计位移分量，投影至不利方向并合成得到不利方向位移量（图），由图 可知：蠕变阶段二者跟随性较好，无显著差异；月底至 月初，加速变形阶段，二者差异较大，该阶段 Y 平面位移矢量约 ，据预设判据可触发红色预警，投影至不利方向位移量约，可发出蓝色预警。经现场核查确认该监测点受其前缘便道施工切坡影响，造成局部垮塌，滑坡整体稳定性未显著降低，也即经不利方向投影分析给出的预警等级更为贴切。501001502002502022-03-152022-03-172022-03-192022-03-212022-03-232022-03-252022-03-272022-03-292022-04-012022-04-032022-04-052022-04-072022-04-092022-04-112022-04-132022-04-172022-04-192022-04-222022-04-24观测时间累计位移量/mmXOY平面累计位移量/mm不利方向累计位移量/mm图 不利方向投影分析实例 顶底改正目前，地表位移监测工作中，考虑到供电系统采光、设备防盗等因素，多采用立柱式安装，一般立柱高度为 ，甚至 。监测期间随监测对象发生形变，安装立柱随即产生倾斜现象，特别是非主形变方向倾斜最为不利，此时立柱顶部相较底部其位移量有放大效应，严重时会引起预警误判。为更客观地反映地面位移，当采用高立柱安装时须谨慎对待顶底位移差异的问题，有必要进行顶底改正。监测剖面、区域分析评价前述各项分析分量及矢量分析均针对监测散点，工程实践中监测散点多构成监测纵、横剖面。监测剖面多点联合分析主要考察各点形变特征的一致性和相关性，结合主变形方向，可基于多点一致性设定预警判据。对于变形破坏模式明确、强弱变形区明晰的监测对象，常将监测区内相应散点纳入区域联合分析，考察散点间形变特征分组性，甄别区内变形敏感子区，据此设定预警判据。监测线及区域多点分析结果常以多点叠加变形过程线表征，由此直观识别各点形变的关联性。鉴于剖面及区域分析已得到较为广泛的应用，本文不做赘述。结束语本文基于地质灾害监测预警工作中多参数、第 卷 第 期魏世玉，董涛，邓鑫洁 位移监测数据渐进式分析表征方法普适型 设备广泛应用之背景，结合监测预警工作实践，探究了纵、横向渐进式、实用型监测数据分析表征方法，基于实测工程实测数据开展了相应分析验证工作。该方法可较好地发掘和甄别形变特征，实用性较强，可