长江三峡库区连续运行卫星定位服务系统构建问题的思考

摘要：长江三峡库区地质灾害多发，构建可靠、有效的地质灾害监测预警系统势在必行。鉴于目前库区各类监控信息沟通与整体性分析不够理想的状况，提出了建立长江三峡库区CORS系统（Continuous Operational Reference System——连续运行卫星定位服务系统）的设想，总结了长江三峡库区地质灾害的概况与发展趋势，介绍了CORS系统的概况与最新进展，阐述了长江三峡库区CORS系统构建时应该注意的一些问题。

关键词：水利工程；地质灾害；监测；预警；长江三峡库区；CORS系统

中图分类号：TV124； U456.3+3文献标识码：A文章编号：1672-1683（2008）03-0038-05

Thoughts on Building CORS (Continuous Operational Reference System) at the Three Gorges Reservoir Area

JIANG Chen-guang1，WANGHui2，WANGLi-xin3，LIShao-hong4， HEYong4

（1.College of Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China; 2.House Property Service Office of Laiyang, Laiyang 265200, China; 3.Municipal Engineering Administrative Office of Laiyang, Laiyang 265200, China;4.Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China）

Abstract:Since geological calamities are frequent at the Three Gorges Reservoir area, it is imperative to build a reliable and effective monitoring and alarming system directing against geological calamities at the area. The paper, in view of the unsatisfactory communication and comprehensive analysis of the monitoring information of the area, proposes to establish CORS in the Three Gorges Reservoir Area. What"s more, the author also summarizes the general situation and development of geological calamities in the area, introduces the situation and latest development of CORS and states the problems during the building of CORS in the Three Gorges Reservoir area of the Yangtze River.

Key words:hydraulic engineering; geological calamity; monitoring; alarming; the Three Gorges Reservoir area of the Yangtze River; CORS

1 研究背景

三峡水库干、支流库岸总长5 300 km，三峡库区自然地质条件复杂、生态环境脆弱、暴雨洪水频繁、地质灾害严重，库区地质灾害对三峡工程和库区人民生命财产安全的影响日益增加，有效防治库区地质灾害已成当务之急。三峡工程不应该仅仅看成是一个单一的水利工程项目，应该看作是一个大范围、区域性的半人工生态系统，长江三峡库区地质灾害防治和生态环境建设，应该是三峡工程密不可分的组成部分。滑坡、崩塌和泥石流是三峡库区的主要外动力地质现象，也是地质灾害的主要类型，目前已查出库区两岸规模较大的崩滑体2 100余处、按稳定状态估计水库蓄水到175 m后不稳定和潜在不稳定的崩滑体1 130余处、沿岸泥石流沟90余条，蓄水后水库塌岸也将引发新的地质灾害。滑坡以云阳、万州、巫山、奉节等地的数量最多，危害程度也最大。为了确保三峡库区人民的生命财产安全和正常的生活、生产活动，确保三峡库区社会、经济、环境的和谐、协调与可持续发展，构建可靠、有效的三峡库区地质灾害监测预警系统势在必行。尽管目前相关部门已经非常重视三峡库区地质灾害监测问题，也采取了各种各样的有效监控与预警手段，但各类监控信息的沟通与整体性分析仍不够理想，原因就在于缺乏一个将各类监控信息有机整合在一起的纽带，为此，笔者及科研组提出了建立长江三峡库区CORS系统（Continuous Operational Reference System——连续运行卫星定位服务系统）的设想，下面就国内、外CORS系统的建设情况谈一下长江三峡库区CORS系统构建的必要性、现实性与可行性。

2 CORS系统的基本情况

CORS系统（连续运行卫星定位服务系统）是建立在现代GNSS（Global Navigation Satelite System——全球导航卫星系统）技术、计算机网络技术、网络化实时定位服务技术、现代移动通信技术基础之上的大型区域性定位与导航综合服务网络，它是卫星导航定位技术、测绘学、气象学、地理信息系统、计算机技术与现代通讯技术等的有机结合，是大区域“空间数据基础设施”的最为重要的组成部分，也是大区域数字化多种空间数据采集的基准参考框架，是大区域自动化获取和采集各类空间信息的位置、时间和与此相关的动态变化的一种基础设施。系统通常是由分布于整个区域内的若干卫星基准站、系统控制中心、发播系统、用户应用系统等组成，各种数据服务通过各种无线或有线公众数据网络完成（如因特网、手机通讯网及广播网等）。由于其服务方式符合国际标准，因此整个区域及邻近地区的不同用户都可使用其数据服务，完成各种精密定位、快速和实时定位、导航等工作。CORS系统的出现可满足城市规划、国土测绘、地籍管理、城乡建设、环境监测、防灾减灾、船舶、车辆导航、交通监控等多种现代信息化管理的社会需求。CORS系统的技术目前已经非常成熟^[1-10] ，国内、外运用较多，我国在较大地理区域建成并运行的CORS系统目前只有广东和江苏。

广东省连续运行卫星定位服务系统包括分布于全省的38个参考站、3 个控制中心和覆盖全省的数据通信网络。系统能够提供从厘米级到米级各种精度要求的空间定位服务，能够为包括国土测绘、形变监测、工程施工、城市规划、线路施工、地面和空中交通监控、公共安全、农业管理、气象预报、防灾减灾等领域的不同用户提供实时、准实时或事后数据服务。

江苏省连续运行卫星定位服务系统（JSCORS）是在江苏省国土、气象、地震、天文等部门积极合作下完成的，系统由江苏省测绘工程院牵头组织实施、武汉大学提供技术支持和监理服务、Leica公司负责相关软硬件技术服务，在全省范围内建设了62个GNSS连续运行参考站，为大地测量、工程测量、气象监测、地震监测、变形监测、地面沉降监测以及城市地理信息系统等领域服务，兼顾社会公共定位服务以满足日益增长的城市综合管理与城市化建设的需求。JSCORS建立了覆盖全江苏省的连续运行卫星定位参考站网络，为江苏省范围内各类用户提供多种精度、多种模式的导航和定位服务，与江苏省静态大地控制网一起满足了江苏省国民经济和社会发展的需要；JSCORS建立并维持了高精度、动态的三维地心大地测量基准，实现了省内各级控制点的快速建立和更新；JSCORS为气象部门天气预报服务提供了辅助数据，为GPS气象学的研究提供了一个重要的基础平台；JSCORS可在全江苏省范围内，通过现代通讯网络向用户提供实时定位服务，满足城市规划、国土测绘、地籍管理、城乡建设、环境监测、防灾减灾、交通监控等多种现代信息化管理的社会需求；JSCORS的授权用户可以通过GPRS、CDMA等多种通讯方式接入网络来访问数据中心，提供其概略位置，中心服务器播发差分改正数据，用户能够获得厘米级的差分定位结果。

在CORS系统建设流域最有代表性的研究群体当属Leica公司。Leica公司为CORS系统建设专门开发了GPS Spider 参考站软件。GPS Spider 是一个高度集成化的软件套装，用于中心化控制和运行单参考站或参考站网。GPS Spider 是模块化的，同时也是一个具有可扩展性的软件，拥有长基线、高精度网络 RTK（Spider NET）功能，具备中心化数据分发、数据访问管理功能，同时还支持对数据和服务进行收费和改进。GPS Spider 可为大地控制测量、普通测量、工程施工、建筑、变形监测、地震研究与预防、气象分析、GIS、测图、矿山采掘、定位、机械控制、导航、水利测量、航空测量等提供数据和服务。对于 GPS Spider 来说，徕卡1200和500 系统 GPS 接收机是理想的搭档，可与软件天衣无缝地集成于一体。当然，Spider 也支持其它类型及品牌的GPS接收机。单参考站 RTK 和DGPS 数据可直接从接收机上输出，也可使用 GPS Spider 计算出来并由控制中心输出。Spider NET可以按徕卡的 MAX 和 i-MAX 数据流格式提供网络 RTK 改正数，这些改正数信息可以通过 RTK 代理服务器被安全地分发，通过不同的通信设备（如无线电台、电话、访问服务器或互联网）将实时数据方便高效地提供给用户。GPS Spider 及其连接的接收机可以多种格式输出RTK 和 DGPS 数据，完全支持所有标准的 RTCM格式 （V2.1/V2.2/V2.3/V3.0） 和最普通的专用格式 （Leica，CMR，CMR+）。GPS Spider 支持全部NTRIP服务，NTRIP Caster可通过一个单一的 TCP/IP 端口提供RTK数据，对它的访问可由 NTRIP 权限加以限制，运行 NTRIP客户端的野外用户可轻易地选择他们喜欢的数据源，参考站数据流可发送到其它 NTRIP Caster就像已接收到的那些客户一样收到所需要的数据。通过向接受服务的付费用户提供相关的信息，GPS Spider 可确保CORS系统盈利，运行参考站及台站网的机构可获取相当可观的部分初始投资以及维持继续运行的成本。配置新用户注册工作是很容易的，为此，用户必须输入密码才能访问 FTP 服务器上的数据，GPS Spider可以被设置成野外流动站必须注册他们的电话号码，IP 地址或者密码，作为它们认证程序的一部分，一旦完成了这项工作，他们就可以被授权访问，得到一般的或特殊的 RTK/DGPS 数据服务。借助于对注册用户特别严格的有限制的访问，系统操作员对网络及其台站的使用拥有完全的控制权，对每一位用户访问实时数据服务提供了在线状态信息。各种各样的运行报告详细记录了服务的类型、连接的时间、流动站用户获得数据的持续时间，也就意味可以向这些用户发出相应的账单以支付他们从 GPS Spider 得到的数据和服务。GPS Spider 可根据用户设定的时间间隔来下载存储于接收机里的数据，另外也可用 GPS Spider 实现连续不断的原始数据流传输，或者还可以在连续传输之外定时下载内部存储的数据文件，这一切工作都在平稳、自动地根据用户的指令完成。原始数据质量和数据的完整性检核可自动进行。GPS Spider 可根据用户的需要，将每个站的原始数据转换成包含不同观测值类型、采样率、观测时段长度的 RINEX 或压缩的 RINEX 格式文件，文件也可被压缩，同时命令行允许自动地对文件进行用户自定义处理，RINEX 及原始数据文件可以被自动地上传到一个 FTP 服务器，从而使 GPS 用户群体可以通过互联网方便地访问这些数据。

Leica公司的CORS系统可实现实时定位和后处理定位。实时定位使用连续的原始数据流，在GPS Spider 定位模块实时状态下，自动地、连续地解算网中的基线，实时处理模块适合于解算中短长度基线和监测快速变化的参考站位置，把徕卡独特的 RTK 算法和连续的 Smart Check 敏捷检测处理技术集成于一体，保证了定位所需要的精度、可靠性和整体性。后处理适用于参考站之间较长的基线和检测缓慢的、长期的站址运动。可以通过配置徕卡 LGO 软件，以便使用 GPS Spider 定期产生的数据文件，完全地、自动地处理基线。GPS Spider 定位可根据预期的运动量及测量结果监测板块、断层、地震带、火山及其它自然构造的运动，数据处理可采用实时处理或后处理方法。GPS Spider也可实时处理监测大坝、桥梁、塔楼、大厦、油井及其它大型有安全性要求的建筑物的运动和震动，当这些问题发生时，能及时地提供警告信息。GPS Spider 可提供数据自动计算参考站天线的位置，定期检查整个台站网络运行基准的整体性与稳定性。GPS Spider 服务器在微软 WindowsTM 操作系统下服务运行。一旦启动，GPS Spider 便自动运行参考站及台站网，并连续不断地为测量、工程、建筑、监测及其它 GPS 应用提供目前所需要的各种GPS 数据、RTK 数据及 DGPS 服务。GPS Spider 分布式服务器体系，允许中心化以及高度分散式的安装方式，且具有最大的连接可靠性。一个单独的 GPS Spider 代理服务器可用来提供最高安全性的 RTK/DGPS 数据分发。GPS Spider 参考站及台站网功能强大、易于建立和使用，其直观的图形化的用户界面，具有易于控制接收机，由于用户界面可以安装在远程计算机以及中央服务器上，管理员可实行远程工作，就像在主控制中心一样。系统监管员具有管理员权限，他们可以控制软件和接收机，启动和停止各种不同的操作，控制网络处理及 RTK/DGPS 服务，或审核流动站用户的访问。当 GPS Spider 服务器连续运行时，监管员可以退出登录并关闭它们的界面但却不会停止服务器的运行。浏览者有权访问选定的部分，以便他们能够审核系统的运行和状态，或检查接收机的状态，但是浏览者不能控制和更改系统。

3 长江三峡库区CORS系统的建设

3.1 长江三峡库区概貌^[11-18]

长江三峡水库淹没范围涉及湖北省宜昌、秭归、兴山、巴东和重庆市巫山、巫溪、奉节、云阳、万州、开县、忠县、丰都、石柱、涪陵、武隆、长寿、渝北、巴南、重庆市区和江津市共20个县（市、区），库区范围为东经105°01′～111°01′，北纬28°01′～31°01′，总面积5.67万km²。见图1（本图仅供参考，不得作为任何其它依据）。其中淹没陆地面积600 km²。长江三峡水库（175 m正常蓄水、5年一遇洪水）干流段（三斗坪至重庆巴南区大塘坝）长574 km。支流库段有香溪、大宁河、乌江等50余条较大的一级支流，总岸线长度约5 300 km。三峡大坝为混凝土重力坝，正常蓄水位175 m。工程设计坝顶高程185 m，坝顶长度3 035 m，总装机容量1 820万kW。水库面积为1 045 km²，总库容393亿m³。

Fig.1 A sketch map of geographical position of the Three Gorges Reservoir area

库区处于我国地势第二级阶梯的东缘，全国地貌区划为板内隆升蚀余中低山地。库区地貌明显受地层岩性、地质构造和新构造运动的控制，以奉节为界，分为东西两大地貌单元。库区微地貌形态多种多样，主要为山地受流水地质作用和重力地质作用改造的产物，如冲沟、洪积扇、倒石堆、滑坡体等，巫山至云阳的长江河谷中可见II-IV级阶地，重庆李永沱一带可见I-VI级阶地，库区局部还发育岩溶地貌（如溶沟、溶槽、岩溶漏斗等）。库区地层除缺失泥盆系下统、石炭系上统、白垩系的一部分和第三系以外，自前震旦系至第四系均有出露。分布比较集中、体积较大的第四系堆积体大都是崩塌、滑坡体。

三峡库区全部位于杨子准地台区，北与秦岭地槽相邻，处于以整体抬升为特征的新构造运动时期，库区新构造运动属于三峡鄂西南隆升区之三峡鄂西南隆升亚区。第四纪以来，地壳上升速度加剧，河流强烈下切，造就了三峡段高陡岸坡和诸多崩滑体。新构造运动导致了一些差异性的断裂活动（像仙女山断裂、九湾溪断裂等）。库区地震水平不高、强度小、频度低，地壳稳定性相对较好，属弱震环境，在崩滑体和库岸稳定性评价时奉节以上可按VI度、奉节以下按VII度考虑。据三峡工程研究成果，庙河——白帝城库段有发生断层破裂型水库诱发地震的可能，预测可能诱发地震的地段有九溪湾断裂穿越长江的路口子、西陵峡与秭归盆地接壤处的香溪河、秭归牛口至巫山碚石库段，可能诱发地震的最大震级不会超过6级，此外还有诱发岩溶型小震（比如乌江和嘉陵江回水范围的碳酸盐岩分布区）的可能，其它库段一般不具备发生水库诱发地震的条件。

潜水在三峡库岸分布最为普遍是对库岸稳定性影响最为直接的地下水，按其地下水动力模型可进一步划分为间歇下渗裂隙潜水、间歇下渗孔隙潜水和裂隙充水承压型潜水，后者是形成降雨型滑坡的重要动力。坡体内由层间砂岩构成的层间水属于承压水动力类型，按其循环特征可分为弱循环承压水和强循环承压水两类，弱循环承压水主要在补给区循环、对岸坡演变影响小，强循环承压水多发育在“自流斜地”、补给较远、水压较大、并能较快地向下传递，并对上覆岩层产生扬压力，是导致库岸斜坡变形破坏的重要动力。

3.2 长江三峡库区地质灾害基本情况和发展趋势^[11-18]

三峡库区主要地质灾害包括滑坡与崩塌灾害、弃渣与泥石流灾害、岸坡的失稳定性灾害。库区宜昌——江津间长江干流各县（市、区）移民区规模较大的滑坡、崩塌体有2 490处，其中以云阳、万州区、巫山、奉节、巴东等县（区）的数量最多，危害程度也最大，而且滑坡还在不断增加。三峡库区2 000 km²的范围内，共发现大小泥石流沟90余条，其中32条产生过不同程度的泥石流灾害，由于库区移民迁建用地紧张、一些行洪区和堆积区被作为迁建用地，许多地段由于人工弃渣、排水措施紊乱等原因容易造成人为泥石流灾害。三峡库区库岸全长5 300 km，蓄水后的水库水位普遍比原来提高了几十米甚至近百米，加之库水位30 m范围的周年波动（175～145 m），岸坡的稳定性也将受到巨大影响，初步调查测算的不稳定库岸近500 km。

三峡库区的地质灾害将随着蓄水的增多而趋严重，其高峰期预计会出现在175 m水位蓄水3年前后。其具体原因可概括为3点，一是三峡库区山高坡陡、空间地质环境容量不足，百万移民的大迁建会造成相当数量的工程滑坡（像巴东县新城区的黄土坡滑坡、白岩沟滑坡；巫山县新城区的北门坡滑坡等）。二是水库蓄水将使跨线（175水位线）崩滑体失稳成灾并产生新的首次滑坡，这类崩滑体在三峡水库蓄水之前处在长江洪水位以上、表现为稳定或基本稳定状态，当库水位抬升淹没其前缘坡脚，将导致大部分跨线老滑坡体稳定状况恶化，初步调查发现的这类跨线崩滑体有800余个。三是水库蓄水后将产生大范围的库岸再造，库区不稳定库段的坍岸将是一个较为严重的问题。

3.3 长江三峡库区CORS系统的重要作用

长江三峡库区CORS系统的重要作用之一是建立将各类地质灾害监控信息有机整合在一起的纽带和统一分析与处理的基础平台。在一个统一的空间框架地理基准体系下，将各类现场信息通过网络通信技术在库区各个网络端口间传输，在CORS统一平台上进行管理、分析、信息交换、信息发布以及应急处理，借助CORS统一平台进行防灾减灾决策（包括地质灾害的监测、分析、评价、预测和预警）。

地质灾害监测的主要内容应包括区域大地形变监测、地表裂缝位移（位错）监测、地面倾斜监测、建筑物变形监测、滑坡裂缝多点位移监测、滑坡深部位移监测、滑坡推力监测、地应力监测、地下水位监测、孔隙水压力监测、综合地球物理监测、综合地球化学监测、诱发因素监测、人类工程活动监测、宏观地质巡查监测。

监测工作可借助电子全站仪、GPS接收机、高精度水准仪、钻孔倾斜仪、全自动水位记录仪、滑坡推力监测仪、数码相机等工具进行。

监测工作应多借助非接触式的监测手段，像遥感（RS）（包括航空遥感、航天遥感、卫星遥感。在CORS统一平台上利用不同时期的高分辨率卫片、航片对库区灾害情况进行宏观监测）、地理信息系统（GIS）（进行数据分析、模拟与判断）、等。

要强化地质灾害易发地段、易发时段的监测工作。

3.4 长江三峡库区CORS系统的基本功能

长江三峡库区CORS系统的覆盖范围及参考站站点设计可考虑采用图2的形式，所有参考站站点均应设置在稳定山体山顶上、站点基础应嵌固在基岩上，参考站站点与库区水岸的距离不得小于10 km。

长江三峡库区CORS系统应该为三峡库区地质灾害监测、水工结构监测（包括大坝监测）、大地测量、工程测量、气象监测与预报、地震监测、变形监测、资源环境遥感监测、地面沉降监测以及各类地理信息系统的运行提供可靠的全方位服务，并为这些活动提供统一的基础地理框架和信息处理平台，满足社会公共定位服务需求、满足城乡建设与综合管理的需求。长江三峡库区CORS系统应为三峡库区内各类用户提供多种精度、多种模式的导航和定位服务，满足流域国民经济和社会发展的需要。应该与GIS、RS技术实现无缝联接与整合，实现各种信息的整体综合分析与处理，满足三峡库区防灾减灾、环境监测、城市规划、国土测绘、地籍管理、城乡建设、交通监控等现代信息化管理方面的社会需求。同时，通过合理的收费收回投资并维持系统的正常运转，为三峡库区经济、社会、生态、环境、资源的协调可持续发展作出应有的贡献。

4 结语

三峡库区的地质灾害错综复杂、诱因多多，利用原有的手段进行监测和预警往往难以收到最佳的效果，急需一种高效、快速、可靠的信息采集、管理、分析、处理手段。同时，三峡库区的经济发展、社会进步、生态环境建设也需要借助各种各样的信息支持，作为一种具有强大信息平台功能的CORS系统应该在三峡库区获得自己的用武之地。

长江三峡库区CORS系统的构建有助于清晰地揭示与了解库区地质灾害的演化过程和发生规律，为三峡库区的减灾防灾提供科学决策，确保三峡库区正常的生活与生产秩序，确保三峡库区的社会稳定和人民的安居乐业。

长江三峡库区CORS系统的构建可为三峡库区地质灾害的防治提供基础保证，为库区地质环境的进一步合理保护和改善提供基础依据，为三峡库区良好生态环境建设作出贡献。

CORS系统与现代人的生活紧密相关，通过为大众服务可以获得应有的收益，构建后的经济效益将是非常可观的。因此，构建长江三峡库区CORS系统是形势的需要、也是社会发展的需要。

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