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基于多模GNSS的滑坡实时动态监测算法研究

李哲  
【摘要】:我国是世界上滑坡灾害最为严重的国家之一,科学有效的灾害预警技术是保障人民生命财产的重要举措。通过监测滑坡体的地表位移变化可以反映出滑坡的稳定状态,是目前滑坡监测的常用方法之一。GNSS-RTK技术可以直接获取地表滑坡监测点三维坐标,具有精度高、自动化、全天候等优点,现已成为滑坡监测的主要技术手段。在滑坡监测中,多系统组合定位带来的解算压力、滑坡体周围的环境干扰、观测噪声等对定位精度的影响都制约着滑坡监测结果的可用性和可靠性,因此在实际工程应用中对滑坡监测的算法提出了更高的要求。本文在BDS和GPS组合相对定位的理论基础上,重点进行了多系统选星、噪声削弱、多路径建模等关键算法研究,本文的主要研究成果和创新点如下:(1)本文针对传统选星方法在实际应用中的不足,提出了一种顾及高度角阈值的改进六星选星法。在BDS/GPS联合实时动态定位解算中,以均方根误差和运算时间作为衡量精度和效率标准,通过数值实验确定了改进六星选星法的高度角建议阈值,并对比了改进六星法和其他选星法在不同长度基线下定位结果。算例结果显示:与传统不选星策略相比,改进六星选星法平面定位精度相当,高程方向定位精度平均提升40%,解算时间平均提升70%。改进六星选星法能有效减弱低高度角卫星对BDS/GPS组合定位影响,在保证不损失定位精度条件下,显著提升了解算效率,兼顾了实时定位的精度和时效性。另外,本文提出的改进六星选星法同样适用于其他模式GNSS实时组合定位。(2)针对在滑坡监测中存在的、难以通过建模或差分的方法消除的复杂噪声,提出了一种采用EEMD方法综合两种数据域的去噪方法。通过实测的滑坡观测数据,验证了EEMD方法相较于EMD在减少模态混叠现象发生方面的优势,提高了去噪效率和可靠性。结果表明:相较于EMD方法,EEMD方法可有效地减少模态混叠现象的发生,提高数据处理的自动化程度,更适用于复杂的监测环境;采用EEMD方法同时在双差观测值域和坐标域进行去噪,均方根误差得到微弱提高,标准差相较于未去噪的结果在E、N、U三个方向分别提高12.3%、46.9%、10.1%,相较于单一数据域去噪分别提高了8.8%、9.5%、8.7%。因此采用EEMD方法综合不同数据域的去噪方式可以有效削弱随机噪声和瞬时强噪声的影响,更能准确刻画滑坡体位移变化情况,为后续建立多路径误差模型提供可靠的坐标变化信息。(3)经过短基线差分后,大部分误差得到消除或削弱,但多路径误差仍然存在,它是限制短基线精度的主要因素。通常滑坡监测环境具有稳定性,因此多路径误差具有一定的周期性规律。本文在采用EEMD方法对原始数据进行去噪的基础上,采用恒星日滤波的方法提取前一时间段的多路径误差建立误差模型,并根据周期特性将其补偿到相对应的后一时间段结果中。实验结果表明,在扣除多路径误差后E、N、U三个方向的RMS分别为0.22cm、0.18cm、0.68cm,提升幅度分别为89%、92%、87%,精度提高十分明显。(4)为了研究地震对滑坡的影响,本文采用GNSS-RTK技术对比分析了九寨沟地震前后黄土滑坡和土石滑坡上监测点位移变化时间序列,根据地震前后监测点相对位置的变化分析了地震对滑坡的作用情况。结果显示:在无地震触发的自然状态下,泾阳南塬黄土滑坡日坐标变化为1~2mm,紫阳土石滑坡日坐标变化为1.5cm左右;受地震影响泾阳滑坡在年积日221天异常抬升达到5mm,振幅是正常变化量的2.5倍,然后以2mm/d速度持续下沉5天;紫阳滑坡在该天异常抬升达到2.5cm,振幅是正常变化量的1.5倍,然后以2cm/d速度持续震荡5天。震后滑坡震荡强度明显增大,坡体异常波动,与地震引起的坡体累进破坏效应理论相吻合。基于GNSS-RTK技术可以实时有效地监测由于震动引起的滑坡加速甚至溃屈变化,为震后的滑坡预警、滑坡应急处置提供决策依据。


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