《定位》杂志专访丨武汉大学李陶：GNSS监测矿山边坡在对不在“精”

今年2月22日，内蒙古阿拉善一处露天煤矿发生边坡坍塌事故，造成了数十人伤亡。事故发生后，矿山领域的很多人都把目光聚焦在如何利用智能化、自动化的边坡监测技术避免事故发生上，而武汉大学卫星导航定位技术研究中心教授李陶则在反思矿山企业为什么没有定期开展相应的边坡监测，为什么没有使用现有的边坡监测技术。

“这个事故告诉我们，矿山边坡监测的核心是边坡监测技术要能够让每个矿山都用得起、用得好，这意味着边坡监测技术的经济性要符合矿山企业的成本预算，这样矿山企业才愿意使用边坡监测技术。”他如是说。

李陶口中的经济性是指边坡监测技术要在满足矿山企业在矿山监测的基本规范要求下，以及传统测绘技术投入的基础上，如何利用同样的经济成本实现边坡变形的智能化、自动化监测。在当前的矿山边坡监测技术中，可以全天候自动化监测的GNSS（全球导航卫星系统）技术是矿山边坡监测的重要手段之一。根据市场需求，GNSS监测设备的精度分为米级、分米级、厘米级、毫米级。在李陶看来，“一个月才动几厘米”的矿山边坡根据国内露天矿山高陡边坡监测的相关规范要求（GNSS监测设备的水平误差不大于6毫米、高程误差不大于3毫米），厘米级GNSS监测设备就能满足边坡监测需求。“毫米级的GNSS监测设备尽管精度更高，但会增加矿山企业的投入成本，因而矿山企业在选择GNSS监测设备时，考虑更多的是经济实用，而不是精度指标。”

GNSS替代人工，全天候监测边坡

GNSS技术应用于矿山边坡监测，这是科技发展的必然结果。在GNSS技术应用前，矿山边坡监测的方法是用常规大地测量方法，即采用经纬仪、全站仪以及水准仪等测量仪器测定点的位移值。该方法需要人员到现场观测，工作量大，且人身安全难以得到保障。同时，受天气、人工、现场条件等因素的影响，该方法存在一定的系统和人为误差，无法获取高精度的监测数据。

当GNSS技术出现以后，因具有定位精度高、同时测定点的三维位移、测站点间无需保持通视、全天候观测等特性被引入到矿山边坡监测中，逐渐替代常规大地测量方法，成为矿山边坡安全的“守卫者”。基于GNSS技术，矿山通过在边坡重点部位布设GNSS监测设备，实现了边坡24小时全天候自动化监测和预警，大大提高了矿山边坡监测预警能力，有力保障了矿山安全生产。

随着北斗的日益完善，GNSS技术为矿山边坡监测提供的服务迎来了大飞跃。首先，北斗基于短报文功能，助力GNSS监测设备实现了无信号、弱信号、无公网等地区的矿山边坡监测信息采集和回传，解决了该地区的矿山边坡自动化监测预警的难题；其次，北斗通过采用三种轨道（地球静止轨道、倾斜地球同步轨道、中圆地球轨道），在中国区域的可见卫星数大大增加，提高了GNSS监测设备的定位可靠性和抗干扰性能力；最后，北斗解决了GNSS监测设备对国外卫星导航系统的依赖，实现了矿山边坡监测设备的全国产化和自主可控。“一旦国外GNSS停止服务，采用国外GNSS的基准站差分定位技术的GNSS监测设备将无法工作，矿山边坡安全将无从谈起。”李陶说。

同时，李陶还提到，国产GNSS芯片的自主研发，不仅让GNSS监测设备的核心部件摆脱了国外制约，而且带动了GNSS监测设备的成本降低，让更多的矿山企业能用上GNSS监测设备。在北斗的驱动下，性能得到全面提升的国产GNSS监测设备成为当前矿山企业监测边坡的首选装备，用实时监测和精准预警，为矿山生产安全加码。

抓源头、严末端，让GNSS守护边坡安全

随着国家不断重视矿山安全生产，对智能化、小型化、低功耗的GNSS监测设备需求不断增加，这让越来越多的中小企业，甚至高校，涌向GNSS监测领域，力争在矿山边坡监测市场中抢得一杯羹。然而，在李陶看来，繁荣景象背后存在着一大隐患，即GNSS监测设备品牌类型多、产品质量参差不齐，使得国产GNSS监测设备在无力与国外品牌抗衡的同时，监测效果也会大打折扣。如何破除隐患，提高产品质量？李陶给出了自己的建议。

各行业各司其职，做好各自的本职工作

他指出，企业的责任是严把质量关，提高GNSS监测设备稳定性，确保每台设备能满足矿山边坡监测需求；高校的责任是攻关GNSS变形监测技术前沿课题，突破“卡脖子”技术瓶颈。“矿山企业的责任是要擦亮双眼，选择可靠的GNSS设备。同时监察部门也要做好招投标市场整治工作，遏制围标串标、恶意中标等行为，为业内营造一个公开公正的营商环境。”李陶说。

头部企业应强强合作，制定严格的产品质量标准，用高标准引领行业发展

“这样不仅保障了GNSS技术在矿山边坡监测中的快速普及，还能提高国产GNSS监测设备在国际市场上的竞争力。”李陶说。

从源头上把控产品质量，这在李陶看来，此举是GNSS技术做好矿山边坡监测关键两步的第一步。“第二步是末端把控设备施工质量，这是走好‘最后一公里’的关键。因为施工质量差，设备再好也没用。”他指出，目前个别的矿山在安装GNSS监测设备时，不愿意建基础埋深为一米的观测墩。即便建了，观测墩也埋得很浅，“风一吹就会晃动，观测结果肯定不准确。”同时，GNSS监测设备安装在有遮挡区域，监测效果同样也会受影响。因此，李陶认为，设备施工方要加强工程质量管理，确保GNSS监测设备有良好的通视条件和较为稳定埋设条件，保证观测墩与周边的地质环境成为一个整体。“矿山企业还要加强监督，第三方监理单位也要引入，这样设备安装的质量才更有保障。”无论是“抓源头”还是“严末端”，各方的努力必不可少。“只有大家一起努力，GNSS技术才能做好矿山边坡监测服务。”李陶说。

GNSS融合InSAR，矿山边坡监测更有保障

未来，GNSS技术如何完善才能更好地为矿山边坡安全保驾护航？李陶谈了自己的看法。

第一，GNSS技术与InSAR技术的融合应用，提升GNSS高程精度。李陶指出，受卫星实际分布因素影响，GNSS在测量平面位置时，可以通过对时间段的观测和选择的卫星来保证卫星呈基本对称分布，进而减弱或者消除测量距离中的偏差、卫星信号传播过程中引发的延迟误差等其他误差对平面位置的影响。但是GNSS在测量高程时，被观测的卫星基本全部处在地平面以上，呈不对称的分布状态，因此误差难以消除，使得高程精度低于水平精度。以北斗为例，在亚太地区实时RTK的定位精度和高程精度达到了厘米级。为了进一步提升GNSS的高程精度，能够获取毫米级高程精度的InSAR技术成为了GNSS技术补强的理想对象。

InSAR技术是一种利用合成孔径雷达对同一地区观测的两幅复数值影像（既有幅值又有相位的影像）数据进行相干处理，以获取地表高程数据的技术。“X波段合成孔径雷达卫星的波长约为3.1厘米，目前大部分SAR卫星的相位观测精度可达1/100波长，这意味着理论上InSAR技术能获得毫米级的监测精度。”李陶说。

当前，李陶正带领团队从事GNSS技术与InSAR技术融合方面的研究，并在金沙江溪洛渡水电站的大坝形变监测、湖北巴东地质灾害国家野外科学观测研究站滑坡变形监测中验证了相关的精度指标。“通过在滑坡体上的观测墩安装北斗角反射器，我们成功将GNSS的高程精度修正到了1~2毫米。”李陶说。他提到的北斗角反射器是一种金属材质的雷达信号反射装置，它无需电源、通讯，主要是把雷达卫星发射的信号原路反射回卫星天线，再由人通过卫星影像分析北斗角反射器目标的位移变化。通过InSAR技术的助力，GNSS技术可以获取矿山边坡上高程方向毫米级监测数据，进一步提高了矿山边坡监测的精准度。

第二，推进GNSS技术定制化服务，确保矿山边坡监测精度。李陶认为，矿山边坡监测属于工程测量范畴，承建企业需要因地制宜为矿山边坡监测开展定制化服务。“因为每个矿山所处的地理环境、气候条件、电磁干扰等各不相同，这使得GNSS监测设备采集的数据精度有高有低，难以做到精准的矿山边坡监测服务。因此承建企业需要围绕设备的类型、站点布设，以及软件算法等开展定制化服务，以确保GNSS监测设备获取精确的矿山边坡变形信息。”李陶说。第三，放宽北斗数据流传输的限制政策，让GNSS技术守护更多的矿山边坡安全。李陶指出，当前国家对北斗原始观测值数据流的传输增加了诸多保密、政策审查等方面的限制，这无疑增加了北斗技术在国内外矿山边坡监测等领域应用的制度性成本。“目前北斗技术本身已成熟，就差北斗实时数据流保密及政策审查制度的进一步开放。”李陶正在向湖北省建议对现有的北斗实时数据流传输相关的保密和审查制度进行适当的调整，吸纳更多的中小企业能够参与到北斗技术的创新应用和定制化服务中，以便更好地赋能矿山边坡监测等领域。李陶认为，随着GNSS技术的不断完善，以及设备的经济实用，实现自主可控的国产GNSS监测设备将通过与国产商业化SAR卫星星座联合，可以守护好每一座矿山边坡，为矿山安全生产筑起一道安全屏障。

审核编辑 黄宇