《定位》雜志專訪丨武漢大學(xué)李陶：GNSS監(jiān)測(cè)礦山邊坡在對(duì)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(dòng)化的邊坡監(jiān)測(cè)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(cè)，為什么沒有使用現(xiàn)有的邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)。

“這個(gè)事故告訴我們，礦山邊坡監(jiān)測(cè)的核心是邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)要能夠讓每個(gè)礦山都用得起、用得好，這意味著邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)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(cè)技術(shù)?！彼缡钦f。

李陶口中的經(jīng)濟(jì)性是指邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)要在滿足礦山企業(yè)在礦山監(jiān)測(cè)的基本規(guī)范要求下，以及傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)投入的基礎(chǔ)上，如何利用同樣的經(jīng)濟(jì)成本實(shí)現(xiàn)邊坡變形的智能化、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。在當(dāng)前的礦山邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)中，可以全天候自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）技術(shù)是礦山邊坡監(jiān)測(cè)的重要手段之一。根據(jù)市場(chǎng)需求，GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備的精度分為米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)、毫米級(jí)。在李陶看來(lái)，“一個(gè)月才動(dòng)幾厘米”的礦山邊坡根據(jù)國(guó)內(nèi)露天礦山高陡邊坡監(jiān)測(cè)的相關(guān)規(guī)范要求（GNSS監(jiān)測(cè)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(jí)GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備就能滿足邊坡監(jiān)測(cè)需求?！昂撩准?jí)的GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備盡管精度更高，但會(huì)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(cè)設(shè)備時(shí)，考慮更多的是經(jīng)濟(jì)實(shí)用，而不是精度指標(biāo)?！?/p>

GNSS替代人工，全天候監(jiān)測(cè)邊坡

GNSS技術(shù)應(yīng)用于礦山邊坡監(jiān)測(cè)，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(cè)的方法是用常規(guī)大地測(cè)量方法，即采用經(jīng)緯儀、全站儀以及水準(zhǔn)儀等測(cè)量?jī)x器測(cè)定點(diǎn)的位移值。該方法需要人員到現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，工作量大，且人身安全難以得到保障。同時(shí)，受天氣、人工、現(xiàn)場(chǎng)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(wú)法獲取高精度的監(jiān)測(cè)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(shí)測(cè)定點(diǎn)的三維位移、測(cè)站點(diǎn)間無(wú)需保持通視、全天候觀測(cè)等特性被引入到礦山邊坡監(jiān)測(cè)中，逐漸替代常規(guī)大地測(cè)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(diǎn)部位布設(shè)GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了邊坡24小時(shí)全天候自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和預(yù)警，大大提高了礦山邊坡監(jiān)測(cè)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(cè)提供的服務(wù)迎來(lái)了大飛躍。首先，北斗基于短報(bào)文功能，助力GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了無(wú)信號(hào)、弱信號(hào)、無(wú)公網(wǎng)等地區(qū)的礦山邊坡監(jiān)測(cè)信息采集和回傳，解決了該地區(qū)的礦山邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)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(guó)區(qū)域的可見衛(wèi)星數(shù)大大增加，提高了GNSS監(jiān)測(cè)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(cè)設(shè)備對(duì)國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴，實(shí)現(xiàn)了礦山邊坡監(jiān)測(cè)設(shè)備的全國(guó)產(chǎn)化和自主可控。“一旦國(guó)外GNSS停止服務(wù)，采用國(guó)外GNSS的基準(zhǔn)站差分定位技術(shù)的GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備將無(wú)法工作，礦山邊坡安全將無(wú)從談起。”李陶說。

同時(shí)，李陶還提到，國(guó)產(chǎn)GNSS芯片的自主研發(fā)，不僅讓GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備的核心部件擺脫了國(guó)外制約，而且?guī)?dòng)了GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備的成本降低，讓更多的礦山企業(yè)能用上GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備。在北斗的驅(qū)動(dòng)下，性能得到全面提升的國(guó)產(chǎn)GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備成為當(dāng)前礦山企業(yè)監(jiān)測(cè)邊坡的首選裝備，用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(hù)邊坡安全

隨著國(guó)家不斷重視礦山安全生產(chǎn)，對(duì)智能化、小型化、低功耗的GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備需求不斷增加，這讓越來(lái)越多的中小企業(yè)，甚至高校，涌向GNSS監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，力爭(zhēng)在礦山邊坡監(jiān)測(cè)市場(chǎng)中搶得一杯羹。然而，在李陶看來(lái)，繁榮景象背后存在著一大隱患，即GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備品牌類型多、產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，使得國(guó)產(chǎn)GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備在無(wú)力與國(guó)外品牌抗衡的同時(shí)，監(jiān)測(cè)效果也會(huì)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(cè)設(shè)備穩(wěn)定性，確保每臺(tái)設(shè)備能滿足礦山邊坡監(jiān)測(cè)需求；高校的責(zé)任是攻關(guān)GNSS變形監(jiān)測(cè)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(shí)監(jiān)察部門也要做好招投標(biāo)市場(chǎng)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(yíng)造一個(gè)公開公正的營(yíng)商環(huán)境?！崩钐照f。

頭部企業(yè)應(yīng)強(qiáng)強(qiáng)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(cè)中的快速普及，還能提高國(guó)產(chǎn)GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。”李陶說。

從源頭上把控產(chǎn)品質(zhì)量，這在李陶看來(lái)，此舉是GNSS技術(shù)做好礦山邊坡監(jiān)測(cè)關(guān)鍵兩步的第一步?！暗诙绞悄┒税芽卦O(shè)備施工質(zhì)量，這是走好‘最后一公里’的關(guān)鍵。因?yàn)槭┕べ|(zhì)量差，設(shè)備再好也沒用?！彼赋觯壳皞€(gè)別的礦山在安裝GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)，不愿意建基礎(chǔ)埋深為一米的觀測(cè)墩。即便建了，觀測(cè)墩也埋得很淺，“風(fēng)一吹就會(huì)晃動(dòng)，觀測(cè)結(jié)果肯定不準(zhǔn)確?！蓖瑫r(shí)，GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在有遮擋區(qū)域，監(jiān)測(cè)效果同樣也會(huì)受影響。因此，李陶認(rèn)為，設(shè)備施工方要加強(qiáng)工程質(zhì)量管理，確保GNSS監(jiān)測(cè)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(cè)墩與周邊的地質(zhì)環(huán)境成為一個(gè)整體?！暗V山企業(yè)還要加強(qiáng)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?！睙o(wú)論是“抓源頭”還是“嚴(yán)末端”，各方的努力必不可少?！爸挥写蠹乙黄鹋?，GNSS技術(shù)才能做好礦山邊坡監(jiān)測(cè)服務(wù)?！崩钐照f。

GNSS融合InSAR，礦山邊坡監(jiān)測(cè)更有保障

未來(lái)，GNSS技術(shù)如何完善才能更好地為礦山邊坡安全保駕護(hù)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(shí)際分布因素影響，GNSS在測(cè)量平面位置時(shí)，可以通過對(duì)時(shí)間段的觀測(cè)和選擇的衛(wèi)星來(lái)保證衛(wèi)星呈基本對(duì)稱分布，進(jìn)而減弱或者消除測(cè)量距離中的偏差、衛(wèi)星信號(hào)傳播過程中引發(fā)的延遲誤差等其他誤差對(duì)平面位置的影響。但是GNSS在測(cè)量高程時(shí)，被觀測(cè)的衛(wèi)星基本全部處在地平面以上，呈不對(duì)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(shí)時(shí)RTK的定位精度和高程精度達(dá)到了厘米級(jí)。為了進(jìn)一步提升GNSS的高程精度，能夠獲取毫米級(jí)高程精度的InSAR技術(shù)成為了GNSS技術(shù)補(bǔ)強(qiáng)的理想對(duì)象。

InSAR技術(shù)是一種利用合成孔徑雷達(dá)對(duì)同一地區(qū)觀測(cè)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(jìn)行相干處理，以獲取地表高程數(shù)據(jù)的技術(shù)。“X波段合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星的波長(zhǎng)約為3.1厘米，目前大部分SAR衛(wèi)星的相位觀測(cè)精度可達(dá)1/100波長(zhǎng)，這意味著理論上InSAR技術(shù)能獲得毫米級(jí)的監(jiān)測(cè)精度。”李陶說。

當(dāng)前，李陶正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(cè)、湖北巴東地質(zhì)災(zāi)害國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站滑坡變形監(jiān)測(cè)中驗(yàn)證了相關(guān)的精度指標(biāo)?！巴ㄟ^在滑坡體上的觀測(cè)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(dá)信號(hào)反射裝置，它無(wú)需電源、通訊，主要是把雷達(dá)衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)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(jí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高了礦山邊坡監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度。

第二，推進(jìn)GNSS技術(shù)定制化服務(wù)，確保礦山邊坡監(jiān)測(cè)精度。李陶認(rèn)為，礦山邊坡監(jiān)測(cè)屬于工程測(cè)量范疇，承建企業(yè)需要因地制宜為礦山邊坡監(jiān)測(cè)開展定制化服務(wù)。“因?yàn)槊總€(gè)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(cè)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(cè)服務(wù)。因此承建企業(yè)需要圍繞設(shè)備的類型、站點(diǎn)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(cè)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(hù)更多的礦山邊坡安全。李陶指出，當(dāng)前國(guó)家對(duì)北斗原始觀測(cè)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(wú)疑增加了北斗技術(shù)在國(guó)內(nèi)外礦山邊坡監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流保密及政策審查制度的進(jìn)一步開放?！崩钐照谙蚝笔〗ㄗh對(duì)現(xiàn)有的北斗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流傳輸相關(guān)的保密和審查制度進(jìn)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(cè)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(jì)實(shí)用，實(shí)現(xiàn)自主可控的國(guó)產(chǎn)GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備將通過與國(guó)產(chǎn)商業(yè)化SAR衛(wèi)星星座聯(lián)合，可以守護(hù)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