《定位》雜志專訪丨武漢大學(xué)李陶：GNSS監(jiān)測礦山邊坡在對不在“精”

今年2月22日，內(nèi)蒙古阿拉善一處露天煤礦發(fā)生邊坡坍塌事故，造成了數(shù)十人傷亡。事故發(fā)生后，礦山領(lǐng)域的很多人都把目光聚焦在如何利用智能化、自動化的邊坡監(jiān)測技術(shù)避免事故發(fā)生上，而武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心教授李陶則在反思礦山企業(yè)為什么沒有定期開展相應(yīng)的邊坡監(jiān)測，為什么沒有使用現(xiàn)有的邊坡監(jiān)測技術(shù)。

“這個事故告訴我們，礦山邊坡監(jiān)測的核心是邊坡監(jiān)測技術(shù)要能夠讓每個礦山都用得起、用得好，這意味著邊坡監(jiān)測技術(shù)的經(jīng)濟性要符合礦山企業(yè)的成本預(yù)算，這樣礦山企業(yè)才愿意使用邊坡監(jiān)測技術(shù)?！彼缡钦f。

李陶口中的經(jīng)濟性是指邊坡監(jiān)測技術(shù)要在滿足礦山企業(yè)在礦山監(jiān)測的基本規(guī)范要求下，以及傳統(tǒng)測繪技術(shù)投入的基礎(chǔ)上，如何利用同樣的經(jīng)濟成本實現(xiàn)邊坡變形的智能化、自動化監(jiān)測。在當(dāng)前的礦山邊坡監(jiān)測技術(shù)中，可以全天候自動化監(jiān)測的GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）技術(shù)是礦山邊坡監(jiān)測的重要手段之一。根據(jù)市場需求，GNSS監(jiān)測設(shè)備的精度分為米級、分米級、厘米級、毫米級。在李陶看來，“一個月才動幾厘米”的礦山邊坡根據(jù)國內(nèi)露天礦山高陡邊坡監(jiān)測的相關(guān)規(guī)范要求（GNSS監(jiān)測設(shè)備的水平誤差不大于6毫米、高程誤差不大于3毫米），厘米級GNSS監(jiān)測設(shè)備就能滿足邊坡監(jiān)測需求?！昂撩准壍腉NSS監(jiān)測設(shè)備盡管精度更高，但會增加礦山企業(yè)的投入成本，因而礦山企業(yè)在選擇GNSS監(jiān)測設(shè)備時，考慮更多的是經(jīng)濟實用，而不是精度指標(biāo)?！?/p>

GNSS替代人工，全天候監(jiān)測邊坡

GNSS技術(shù)應(yīng)用于礦山邊坡監(jiān)測，這是科技發(fā)展的必然結(jié)果。在GNSS技術(shù)應(yīng)用前，礦山邊坡監(jiān)測的方法是用常規(guī)大地測量方法，即采用經(jīng)緯儀、全站儀以及水準(zhǔn)儀等測量儀器測定點的位移值。該方法需要人員到現(xiàn)場觀測，工作量大，且人身安全難以得到保障。同時，受天氣、人工、現(xiàn)場條件等因素的影響，該方法存在一定的系統(tǒng)和人為誤差，無法獲取高精度的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

當(dāng)GNSS技術(shù)出現(xiàn)以后，因具有定位精度高、同時測定點的三維位移、測站點間無需保持通視、全天候觀測等特性被引入到礦山邊坡監(jiān)測中，逐漸替代常規(guī)大地測量方法，成為礦山邊坡安全的“守衛(wèi)者”?；贕NSS技術(shù)，礦山通過在邊坡重點部位布設(shè)GNSS監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)了邊坡24小時全天候自動化監(jiān)測和預(yù)警，大大提高了礦山邊坡監(jiān)測預(yù)警能力，有力保障了礦山安全生產(chǎn)。

隨著北斗的日益完善，GNSS技術(shù)為礦山邊坡監(jiān)測提供的服務(wù)迎來了大飛躍。首先，北斗基于短報文功能，助力GNSS監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)了無信號、弱信號、無公網(wǎng)等地區(qū)的礦山邊坡監(jiān)測信息采集和回傳，解決了該地區(qū)的礦山邊坡自動化監(jiān)測預(yù)警的難題；其次，北斗通過采用三種軌道（地球靜止軌道、傾斜地球同步軌道、中圓地球軌道），在中國區(qū)域的可見衛(wèi)星數(shù)大大增加，提高了GNSS監(jiān)測設(shè)備的定位可靠性和抗干擾性能力；最后，北斗解決了GNSS監(jiān)測設(shè)備對國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴，實現(xiàn)了礦山邊坡監(jiān)測設(shè)備的全國產(chǎn)化和自主可控?！耙坏﹪釭NSS停止服務(wù)，采用國外GNSS的基準(zhǔn)站差分定位技術(shù)的GNSS監(jiān)測設(shè)備將無法工作，礦山邊坡安全將無從談起?！崩钐照f。

同時，李陶還提到，國產(chǎn)GNSS芯片的自主研發(fā)，不僅讓GNSS監(jiān)測設(shè)備的核心部件擺脫了國外制約，而且?guī)恿薌NSS監(jiān)測設(shè)備的成本降低，讓更多的礦山企業(yè)能用上GNSS監(jiān)測設(shè)備。在北斗的驅(qū)動下，性能得到全面提升的國產(chǎn)GNSS監(jiān)測設(shè)備成為當(dāng)前礦山企業(yè)監(jiān)測邊坡的首選裝備，用實時監(jiān)測和精準(zhǔn)預(yù)警，為礦山生產(chǎn)安全加碼。

抓源頭、嚴(yán)末端，讓GNSS守護邊坡安全

隨著國家不斷重視礦山安全生產(chǎn)，對智能化、小型化、低功耗的GNSS監(jiān)測設(shè)備需求不斷增加，這讓越來越多的中小企業(yè)，甚至高校，涌向GNSS監(jiān)測領(lǐng)域，力爭在礦山邊坡監(jiān)測市場中搶得一杯羹。然而，在李陶看來，繁榮景象背后存在著一大隱患，即GNSS監(jiān)測設(shè)備品牌類型多、產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，使得國產(chǎn)GNSS監(jiān)測設(shè)備在無力與國外品牌抗衡的同時，監(jiān)測效果也會大打折扣。如何破除隱患，提高產(chǎn)品質(zhì)量？李陶給出了自己的建議。

各行業(yè)各司其職，做好各自的本職工作

他指出，企業(yè)的責(zé)任是嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，提高GNSS監(jiān)測設(shè)備穩(wěn)定性，確保每臺設(shè)備能滿足礦山邊坡監(jiān)測需求；高校的責(zé)任是攻關(guān)GNSS變形監(jiān)測技術(shù)前沿課題，突破“卡脖子”技術(shù)瓶頸?！暗V山企業(yè)的責(zé)任是要擦亮雙眼，選擇可靠的GNSS設(shè)備。同時監(jiān)察部門也要做好招投標(biāo)市場整治工作，遏制圍標(biāo)串標(biāo)、惡意中標(biāo)等行為，為業(yè)內(nèi)營造一個公開公正的營商環(huán)境?！崩钐照f。

頭部企業(yè)應(yīng)強強合作，制定嚴(yán)格的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，用高標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展

“這樣不僅保障了GNSS技術(shù)在礦山邊坡監(jiān)測中的快速普及，還能提高國產(chǎn)GNSS監(jiān)測設(shè)備在國際市場上的競爭力。”李陶說。

從源頭上把控產(chǎn)品質(zhì)量，這在李陶看來，此舉是GNSS技術(shù)做好礦山邊坡監(jiān)測關(guān)鍵兩步的第一步。“第二步是末端把控設(shè)備施工質(zhì)量，這是走好‘最后一公里’的關(guān)鍵。因為施工質(zhì)量差，設(shè)備再好也沒用。”他指出，目前個別的礦山在安裝GNSS監(jiān)測設(shè)備時，不愿意建基礎(chǔ)埋深為一米的觀測墩。即便建了，觀測墩也埋得很淺，“風(fēng)一吹就會晃動，觀測結(jié)果肯定不準(zhǔn)確。”同時，GNSS監(jiān)測設(shè)備安裝在有遮擋區(qū)域，監(jiān)測效果同樣也會受影響。因此，李陶認(rèn)為，設(shè)備施工方要加強工程質(zhì)量管理，確保GNSS監(jiān)測設(shè)備有良好的通視條件和較為穩(wěn)定埋設(shè)條件，保證觀測墩與周邊的地質(zhì)環(huán)境成為一個整體。“礦山企業(yè)還要加強監(jiān)督，第三方監(jiān)理單位也要引入，這樣設(shè)備安裝的質(zhì)量才更有保障。”無論是“抓源頭”還是“嚴(yán)末端”，各方的努力必不可少。“只有大家一起努力，GNSS技術(shù)才能做好礦山邊坡監(jiān)測服務(wù)?！崩钐照f。

GNSS融合InSAR，礦山邊坡監(jiān)測更有保障

未來，GNSS技術(shù)如何完善才能更好地為礦山邊坡安全保駕護航？李陶談了自己的看法。

第一，GNSS技術(shù)與InSAR技術(shù)的融合應(yīng)用，提升GNSS高程精度。李陶指出，受衛(wèi)星實際分布因素影響，GNSS在測量平面位置時，可以通過對時間段的觀測和選擇的衛(wèi)星來保證衛(wèi)星呈基本對稱分布，進而減弱或者消除測量距離中的偏差、衛(wèi)星信號傳播過程中引發(fā)的延遲誤差等其他誤差對平面位置的影響。但是GNSS在測量高程時，被觀測的衛(wèi)星基本全部處在地平面以上，呈不對稱的分布狀態(tài)，因此誤差難以消除，使得高程精度低于水平精度。以北斗為例，在亞太地區(qū)實時RTK的定位精度和高程精度達到了厘米級。為了進一步提升GNSS的高程精度，能夠獲取毫米級高程精度的InSAR技術(shù)成為了GNSS技術(shù)補強的理想對象。

InSAR技術(shù)是一種利用合成孔徑雷達對同一地區(qū)觀測的兩幅復(fù)數(shù)值影像（既有幅值又有相位的影像）數(shù)據(jù)進行相干處理，以獲取地表高程數(shù)據(jù)的技術(shù)?！癤波段合成孔徑雷達衛(wèi)星的波長約為3.1厘米，目前大部分SAR衛(wèi)星的相位觀測精度可達1/100波長，這意味著理論上InSAR技術(shù)能獲得毫米級的監(jiān)測精度。”李陶說。

當(dāng)前，李陶正帶領(lǐng)團隊從事GNSS技術(shù)與InSAR技術(shù)融合方面的研究，并在金沙江溪洛渡水電站的大壩形變監(jiān)測、湖北巴東地質(zhì)災(zāi)害國家野外科學(xué)觀測研究站滑坡變形監(jiān)測中驗證了相關(guān)的精度指標(biāo)?！巴ㄟ^在滑坡體上的觀測墩安裝北斗角反射器，我們成功將GNSS的高程精度修正到了1~2毫米?！崩钐照f。他提到的北斗角反射器是一種金屬材質(zhì)的雷達信號反射裝置，它無需電源、通訊，主要是把雷達衛(wèi)星發(fā)射的信號原路反射回衛(wèi)星天線，再由人通過衛(wèi)星影像分析北斗角反射器目標(biāo)的位移變化。通過InSAR技術(shù)的助力，GNSS技術(shù)可以獲取礦山邊坡上高程方向毫米級監(jiān)測數(shù)據(jù)，進一步提高了礦山邊坡監(jiān)測的精準(zhǔn)度。

第二，推進GNSS技術(shù)定制化服務(wù)，確保礦山邊坡監(jiān)測精度。李陶認(rèn)為，礦山邊坡監(jiān)測屬于工程測量范疇，承建企業(yè)需要因地制宜為礦山邊坡監(jiān)測開展定制化服務(wù)。“因為每個礦山所處的地理環(huán)境、氣候條件、電磁干擾等各不相同，這使得GNSS監(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)精度有高有低，難以做到精準(zhǔn)的礦山邊坡監(jiān)測服務(wù)。因此承建企業(yè)需要圍繞設(shè)備的類型、站點布設(shè)，以及軟件算法等開展定制化服務(wù)，以確保GNSS監(jiān)測設(shè)備獲取精確的礦山邊坡變形信息?！崩钐照f。第三，放寬北斗數(shù)據(jù)流傳輸?shù)南拗普撸孏NSS技術(shù)守護更多的礦山邊坡安全。李陶指出，當(dāng)前國家對北斗原始觀測值數(shù)據(jù)流的傳輸增加了諸多保密、政策審查等方面的限制，這無疑增加了北斗技術(shù)在國內(nèi)外礦山邊坡監(jiān)測等領(lǐng)域應(yīng)用的制度性成本?！澳壳氨倍芳夹g(shù)本身已成熟，就差北斗實時數(shù)據(jù)流保密及政策審查制度的進一步開放?！崩钐照谙蚝笔〗ㄗh對現(xiàn)有的北斗實時數(shù)據(jù)流傳輸相關(guān)的保密和審查制度進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，吸納更多的中小企業(yè)能夠參與到北斗技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用和定制化服務(wù)中，以便更好地賦能礦山邊坡監(jiān)測等領(lǐng)域。李陶認(rèn)為，隨著GNSS技術(shù)的不斷完善，以及設(shè)備的經(jīng)濟實用，實現(xiàn)自主可控的國產(chǎn)GNSS監(jiān)測設(shè)備將通過與國產(chǎn)商業(yè)化SAR衛(wèi)星星座聯(lián)合，可以守護好每一座礦山邊坡，為礦山安全生產(chǎn)筑起一道安全屏障。

審核編輯 黃宇