滑坡GPS監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計(jì)及成果分析

李厚芝

摘 要：本文基于筆者多年從事滑坡變形監(jiān)測的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以滑坡GPS監(jiān)測技術(shù)為研究對象，論文首先分析了GPS的工作原理，進(jìn)而探討了GPS測量的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，筆者給出了典型滑坡GPS監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，最后詳細(xì)探討了GPS監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測成果，成果證明，本文提出的典型滑坡監(jiān)測的設(shè)計(jì)是科學(xué)的，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：GPS 滑坡 變形監(jiān)測 設(shè)計(jì)

中圖分類號：P25 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0080-02

滑坡屬于一種嚴(yán)重的自然地質(zhì)災(zāi)害。每當(dāng)滑坡發(fā)生時，都會對人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失，所以建立安全可靠的滑坡監(jiān)測顯得非常重要。滑坡變形監(jiān)測工作是對滑坡關(guān)鍵部位進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，為評估其穩(wěn)定性、耐久性和可靠性提供有價(jià)值的信息。以往滑坡監(jiān)測方法是用常規(guī)大地測量方法，平面位移采用經(jīng)緯儀導(dǎo)線或三角測量方法，高程用精密水準(zhǔn)測量方法。20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)全站儀以后，利用全站儀導(dǎo)線和電磁波測距三角高程方法進(jìn)行變形監(jiān)測。隨著GPS技術(shù)的發(fā)展以及在各種工程中越來越多的應(yīng)用，利用GPS技術(shù)對滑坡動態(tài)監(jiān)測也日臻成熟，在大面積的滑坡監(jiān)測研究中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。

1 GPS的工作原理

GPS系統(tǒng)由3部分組成：空間部分，地面監(jiān)控部分和用戶接收設(shè)備部分。GPS衛(wèi)星星座由24顆高約20200公里的衛(wèi)星群組成，其中21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星，均勻分布在6個地心軌道平面內(nèi)，每顆軌道4顆衛(wèi)星。各軌道平面與地球赤道面的傾角為55°，各軌道平面之間的交角為60°，衛(wèi)星運(yùn)行的軌道周期為11小時58分，這樣可以保證在任何時間和任何地點(diǎn)地平線上可以接收4到11顆衛(wèi)星發(fā)送出的信號。空間部分的功能是主要執(zhí)行地面監(jiān)控站的指令，接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息；同時向GPS用戶播送導(dǎo)航電文，提供導(dǎo)航和定位信息；通過高精度衛(wèi)星鐘向用戶提供精密的時間標(biāo)準(zhǔn)。

GPS定位過程中，存在著三部分誤差：一部分是對每一個用戶接收機(jī)公有的，例如，衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等；第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計(jì)算的傳播延遲誤差，第三部分為各用戶接收機(jī)所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多路徑效應(yīng)等。利用差分技術(shù)，第一部分誤差基本上可以消除，第二部分誤差大部分可以消除，其主要取決于基準(zhǔn)接收機(jī)和用戶接收機(jī)的距離，第三部分誤差則很難消除。

數(shù)據(jù)處理在滑坡GPS監(jiān)測過程中是一項(xiàng)關(guān)鍵的步驟，眾所周知單基線解算的算法簡單，但由于其解算成果無法反映同步基線間的誤差相關(guān)的特性，不利于后面的網(wǎng)平差處理，一般只用在普通等級GPS網(wǎng)的測量中；多基線解算由于在基線解算時顧及了同步觀測基線間的誤差相關(guān)特性，因此在理論上是嚴(yán)密的。

2 GPS測量的特點(diǎn)（見圖1）

GPS測量與傳統(tǒng)測量方法相比較，其主要優(yōu)點(diǎn)為：

（1）測量精度高。GPS觀測的精度明顯高于一般常規(guī)測量，在小于50 km的基線上，其相對定位精度可達(dá)1×10-6，在100～500 km的基線上可達(dá)10-6～10-7。

（2）測站間無需通視。GPS測量不需要測站間相互通視，控制網(wǎng)不要求保障良好的幾何結(jié)構(gòu)，能根據(jù)實(shí)際需要確定點(diǎn)位，使得選點(diǎn)工作更加靈活方便。

（3）觀測時間短。隨著GPS測量技術(shù)的不斷完善，軟件的不斷更新，在進(jìn)行GPS測量時。靜態(tài)相對定位每站僅需20 min左右，動態(tài)相對定位每站僅需1～2 s。

（4）儀器操作簡便，自動化程度高。目前GPS接收機(jī)自動化程度越來越高，操作智能化，觀測人員只需對中、整平、量取天線高及開機(jī)后設(shè)定參數(shù)，接收機(jī)即可進(jìn)行自動觀測和記錄，野外測量工作輕松愉快。

（5）全天候作業(yè)。GPS衛(wèi)星數(shù)目多，且分布均勻，可保證在任何時間、任何地點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行觀測，一般不受天氣狀況的影響，這一點(diǎn)也是常規(guī)測量無法比擬的。

（6）提供三維坐標(biāo)。GPS測量可同時精確測定測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其高程精度已可滿足四等水準(zhǔn)測量的要求。

3 設(shè)計(jì)

GPS測量獲得的是GPS基線向量，是WGS-84坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)差，而實(shí)際需要的是國家坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系的坐標(biāo)，所以在GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)時要明確GPS成果所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)，即明確GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)。

GPS監(jiān)測網(wǎng)的基準(zhǔn)包括位置基準(zhǔn)、方位基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)，而基準(zhǔn)設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上主要是指確定監(jiān)測網(wǎng)的位置基準(zhǔn)問題。對于滑坡監(jiān)測的高程網(wǎng)來說，則至少需要一個高程起算點(diǎn)解決高程基準(zhǔn)問題。GPS變形監(jiān)測網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)選擇WGS-84坐標(biāo)系。在進(jìn)行基準(zhǔn)設(shè)計(jì)時，最好能聯(lián)測至少一個測區(qū)附近高精度的GPS點(diǎn)（A、B、C級點(diǎn)等），保證滑坡監(jiān)測網(wǎng)達(dá)到D級，確保GPS網(wǎng)點(diǎn)的位置基準(zhǔn)達(dá)到毫米級精度，能有效提高GPS基線解算精度。

滑坡監(jiān)測網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)既要依據(jù)GPS測量規(guī)范和規(guī)程，如，《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》GB/T18314-2001等，又要依據(jù)工程測量規(guī)范、各部門制定的規(guī)程以及滑坡監(jiān)測任務(wù)書。其網(wǎng)形設(shè)計(jì)主要取決于數(shù)據(jù)使用者的要求、經(jīng)費(fèi)、時間、人力和所投入接收機(jī)的類型、數(shù)量和后勤保障條件等，同時考慮監(jiān)測網(wǎng)形結(jié)構(gòu)對高程精度的影響，選用點(diǎn)連式三邊網(wǎng)，不僅保證點(diǎn)位的高程及平面精度，而且可以減少大量的觀測和計(jì)算工作量，提高工作效率。

滑坡監(jiān)測內(nèi)容包括：滑坡體與地表水平位移的監(jiān)測；地表的垂直位移監(jiān)測；監(jiān)測區(qū)內(nèi)建筑物的沉降觀測。結(jié)合布網(wǎng)的要求，以及滑坡地區(qū)的地理?xiàng)l件，采取相應(yīng)的布網(wǎng)方式。GPS滑坡監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)的設(shè)計(jì)包括基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

GPS滑坡監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)位的確定原則要充分考慮到：（1）地質(zhì)條件好，點(diǎn)位穩(wěn)定；（2）適合GPS觀測條件，并無顯著多路徑效應(yīng)；（3）盡可能選用經(jīng)實(shí)踐證明點(diǎn)位穩(wěn)定的原滑坡區(qū)域內(nèi)的基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)。因原基準(zhǔn)點(diǎn)都經(jīng)地質(zhì)勘探，且建有穩(wěn)固的觀測墩，便于穩(wěn)定性分析。

GPS滑坡監(jiān)測的監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位的選定原則應(yīng)該能適合GPS觀測條件，并有效的反映滑坡變形的特征。具體地說，滑坡監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)沿滑坡主滑線布設(shè)；監(jiān)測點(diǎn)周圍障礙物的高度角要小于15°；監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源和高壓輸電線，以避免周圍磁場對GPS信號的干擾。

4 GPS監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測

以三峽庫區(qū)地區(qū)某一滑坡體的監(jiān)測為例，參照滑坡變形測量的要求，最終確定監(jiān)測點(diǎn)的精度要求為1 mm，按照基準(zhǔn)網(wǎng)與監(jiān)測網(wǎng)兩級布設(shè)，滑坡體周圍布設(shè)三個基準(zhǔn)點(diǎn)，這些基準(zhǔn)點(diǎn)位于該滑坡體兩側(cè)的穩(wěn)定巖體上，變形監(jiān)測點(diǎn)位于滑坡體變形明顯的敏感部位，共設(shè)6個監(jiān)測點(diǎn)，分別為W1～W6。所有點(diǎn)位均埋設(shè)測量墩，采用強(qiáng)制對中裝置，測量墩上設(shè)置天線指向標(biāo)志。為減少儀器誤差的影響，對于每個點(diǎn)只用同一臺儀器進(jìn)行觀測，天線指向與標(biāo)志對齊，精密測量天線高。由于滑坡監(jiān)測的目的是監(jiān)測點(diǎn)位的變化量，而不需要同國家坐標(biāo)系發(fā)生聯(lián)系，因此，各期坐標(biāo)和變形量的表示均采用WGS-84坐標(biāo)系，用大地高代替正常高。

本監(jiān)測網(wǎng)的外業(yè)觀測利用4臺Trimble R8雙頻GPS接收機(jī)，監(jiān)測方法采用靜態(tài)相對定位的方法進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測時衛(wèi)星截至高度角為10°，數(shù)據(jù)采樣率為12，每觀測時段長1.5～2 h。首期觀測時，基準(zhǔn)點(diǎn)上連續(xù)觀測6h，監(jiān)測點(diǎn)上連續(xù)觀測2 h；以后各期觀測時，基準(zhǔn)點(diǎn)上連續(xù)觀測4 h，監(jiān)測點(diǎn)上連續(xù)觀測1.5 h，共觀測4期。使用TBCGPS軟件解算基線、網(wǎng)平差與坐標(biāo)變換。部分計(jì)算成果如表1，表2所示。

成果表明，在短邊的情況下，設(shè)備提供的監(jiān)測精度非常高，點(diǎn)位水平分量誤差在1 mm以內(nèi)，這樣的精度完全可以滿足滑坡變形監(jiān)測的要求。

通過示例分析，說明所提出的滑坡監(jiān)測的設(shè)計(jì)是科學(xué)的，它可以用來對任何滑坡體的變形監(jiān)測，從而達(dá)到對滑坡體位移趨勢預(yù)報(bào)的目的，并及時采取相應(yīng)的防范措施，起到了預(yù)警的作用。

5 結(jié)語

本文主要提出GPS用于滑坡變形監(jiān)測的設(shè)計(jì)方法，包括GPS工作的原理和特點(diǎn)，以及監(jiān)測網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)，監(jiān)測網(wǎng)的外業(yè)觀測等內(nèi)容。并通過GPS變形監(jiān)測實(shí)例表明監(jiān)測成果的正確性。GPS滑坡監(jiān)測是一種高效實(shí)用的方法。隨著GPS定位技術(shù)的發(fā)展，儀器功能改進(jìn)、各種解算模型的完善，GPS在滑坡監(jiān)測中有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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