GPS在近壩區(qū)滑坡體監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

令曉博 黃 騰 張 東 朱 雷

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院)

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GPS在近壩區(qū)滑坡體監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

令曉博 黃 騰 張 東 朱 雷

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院)

通過對(duì)某滑坡體監(jiān)測(cè)過程中數(shù)據(jù)的采集、處理、結(jié)果檢核試驗(yàn)的介紹，介紹了GPS用于滑坡監(jiān)測(cè)過程中遇到的各種問題，并提出了解決方案。將GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)與高精度全站儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比，在GPS信號(hào)干擾嚴(yán)重的復(fù)雜地帶，通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)采集、處理，仍能在X和Y方向達(dá)到較好的監(jiān)測(cè)效果，測(cè)高方向雖然精度較低，但從趨勢(shì)上能大體判斷滑坡體的健康狀況。

GPS 滑坡體監(jiān)測(cè) 高精度測(cè)量機(jī)器人

我國(guó)是一個(gè)地形地貌極其豐富的國(guó)家，也是極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的國(guó)家。21世紀(jì)以來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的不斷加快，各種交通、水利等大型工程不斷開工，對(duì)自然環(huán)境造成了很大的影響，各種工程滑坡越來越頻繁?；碌某梢蛑饕巧细矌r體在受到擾動(dòng)的情況下，受雨水的侵蝕，在重力作用下下滑。如2015年12月深圳山體滑坡，長(zhǎng)江流域的高邊坡、山體等發(fā)生的大大小小的滑坡，尤其是近壩區(qū)類似于抽水蓄能水電站大壩周圍的巖體，因?yàn)樗坏臐q跌產(chǎn)生極大的不穩(wěn)定[1]。因此建立健全滑坡監(jiān)測(cè)體系尤為重要，傳統(tǒng)的滑坡監(jiān)測(cè)方法有幾何水準(zhǔn)和全站儀導(dǎo)線測(cè)量。由于滑坡體一般都在地形復(fù)雜、視線受阻的山體上，傳統(tǒng)的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，GPS技術(shù)以其大范圍、實(shí)時(shí)性、連續(xù)性的優(yōu)勢(shì)，在滑坡體監(jiān)測(cè)中得到了極大的應(yīng)用。

1 滑坡體GPS監(jiān)測(cè)

滑坡是指邊坡一部分巖體以一定的加速度沿某一滑動(dòng)面發(fā)生剪切滑動(dòng)的現(xiàn)象，包括自然邊坡和人工邊坡所形成的滑坡。邊坡的失穩(wěn)所形成的自然災(zāi)害給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了極大的危害，這方面的例子屢見不鮮，因此完善滑坡監(jiān)測(cè)方法十分有必要。邊坡監(jiān)測(cè)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)、全站儀到近年來GPS成功應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)，取得了極大的成果。為了進(jìn)一步降低GPS監(jiān)測(cè)成本，河海大學(xué)何秀鳳教授等研制出來GPS一機(jī)多天線技術(shù)，通過專家學(xué)者的努力，GPS PPP技術(shù)、GPS RTK、GPS-InSar，三維激光掃描儀、攝影測(cè)量與遙感技術(shù)都應(yīng)用到復(fù)雜近壩區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)中去，使得我國(guó)的滑坡監(jiān)測(cè)手段多種多樣[2-6]，但目前GPS靜態(tài)測(cè)量和傳統(tǒng)的幾何人工測(cè)量仍占據(jù)主導(dǎo)。由于近壩區(qū)滑坡體一般都在地形地貌十分復(fù)雜的山上，且面臨壩區(qū)，使得GPS信號(hào)數(shù)據(jù)采集受到極大的干擾，衛(wèi)星失鎖、多路徑效應(yīng)嚴(yán)重[7-9]，使滑坡監(jiān)測(cè)精度難以保證在毫米級(jí)。因此在極其復(fù)雜的地區(qū)，一般的GPS數(shù)據(jù)處理方法整體上很難達(dá)到預(yù)期的精度。

2 數(shù)據(jù)采集及處理[10-12]

2.1 試驗(yàn)介紹

本次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來自于國(guó)內(nèi)某壩區(qū)附近山上的一處滑坡體。該壩區(qū)樹木生長(zhǎng)茂密，一面臨壩，監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜，7個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)(JC1～JC7)，兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)JZ01、JZ02分別布設(shè)在滑坡體的關(guān)鍵位置。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，GPS數(shù)據(jù)處理結(jié)果的精度不僅僅使用GPS基線處理和網(wǎng)平差的點(diǎn)位測(cè)量精度作為唯一指標(biāo)，而在布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的同時(shí)，在對(duì)面的穩(wěn)定基巖上布設(shè)了兩臺(tái)全站儀監(jiān)測(cè)基點(diǎn)，使其能對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，達(dá)到兩種方法測(cè)量結(jié)果對(duì)比的效果。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

通過對(duì)樹木遮擋嚴(yán)重、山坡和水面等復(fù)雜環(huán)境以及對(duì)往期數(shù)據(jù)的分析，可知造成GPS的主要誤差為信號(hào)干擾嚴(yán)重和多路徑效應(yīng)使得衛(wèi)星失鎖，整周模糊度難以確定。前者主要原因是樹木和周圍高山的遮擋，后者主要原因是豐富的山坡以及水面共同作用的復(fù)雜無規(guī)律的誤差。

前者誤差在數(shù)據(jù)采集過程中對(duì)接收機(jī)上方的遮擋物進(jìn)行了處理，多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的誤差除了部分周期性誤差可通過延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，例如2 d同時(shí)間段觀測(cè)處理求差外還有一大部分的固定誤差，對(duì)這類誤差暫無特別有效的方法予以消除。圖1為對(duì)某一原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)價(jià)。表1為利用GPS預(yù)處理TEQC軟件對(duì)其中3個(gè)點(diǎn)多路徑效應(yīng)的描述。

由圖1DOP值大于6的離散點(diǎn)可以看出，在觀測(cè)過程中信號(hào)不穩(wěn)定，存在嚴(yán)重的跳躍現(xiàn)象，這對(duì)GPS測(cè)量成果是極其不利的。表1為利用GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理TEQC軟件對(duì)其中3個(gè)點(diǎn)3 a的某一觀測(cè)時(shí)段多路徑效應(yīng)的描述。一般情況下MP1值不能大于0.5，MP2值不能大于0.75，從表1可以看出，測(cè)站存在嚴(yán)重的多路徑效應(yīng)。

圖1 某監(jiān)測(cè)點(diǎn)衛(wèi)星及各精度因子示意

測(cè)點(diǎn)2009年MP1MP22012年MP1MP22015年MP1MP2JC1#1.180.891.131.11.241.18JC3#1.080.941.120.781.261.21JC5#1.21.51.120.981.051.19

2.3 數(shù)據(jù)采集措施

針對(duì)以上滑坡監(jiān)測(cè)中實(shí)際問題，在數(shù)據(jù)采集和處理過程中采取了以下措施：

(1)對(duì)測(cè)站上空的樹枝進(jìn)行清理。

(2)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，每個(gè)時(shí)段觀測(cè)時(shí)間都接近24 h。

(3)由于觀測(cè)質(zhì)量難以保證，使得整網(wǎng)平差的精度特別差，甚至?xí)驗(yàn)閭€(gè)別點(diǎn)的粗差將整網(wǎng)的精度拉低，不能真實(shí)的描述滑坡體的健康狀況。為此，將采集的數(shù)據(jù)基線處理模塊采取分塊處理方法，即所有的點(diǎn)按照同一觀測(cè)時(shí)段分成3塊，每一塊都包含已知點(diǎn)和公共點(diǎn)。由于各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置環(huán)境都是固定不變的，因此每一期觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量類似，所以在基線處理過程中根據(jù)數(shù)據(jù)的質(zhì)量將基線分批次對(duì)期數(shù)據(jù)進(jìn)行相同處理，然后進(jìn)行網(wǎng)平差計(jì)算。

3 成果分析

經(jīng)過上述數(shù)據(jù)處理，得到了各期的變化量以及累計(jì)變化量。取監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC01～JC03的前四期為例。如表2所示。圖2為8期測(cè)量的累計(jì)變化量與高精度測(cè)量機(jī)器人測(cè)量的差值，在X、Y方向的14個(gè)差值中毫米級(jí)別差值的占9個(gè)，10～20 mm的占5個(gè)。Z方向上的差值比較大，從3～130 mm的都有。從數(shù)據(jù)對(duì)比來看，在基于此數(shù)據(jù)處理方法在X、Y方向上基本能達(dá)到很高的精度，完全可以滿足監(jiān)測(cè)的精度需求，由于GPS測(cè)高的不確定性，造成Z軸差異較大，但表征滑坡體Z方向的變化趨勢(shì)完全相同，因此可以從趨勢(shì)上判斷Z方向的變化。從數(shù)據(jù)處理的結(jié)構(gòu)可以看出，GPS信號(hào)干擾嚴(yán)重的情況下對(duì)于X和Y方向上的影響可通過后期處理達(dá)到精度要求，但對(duì)于Z方向上的誤差影響嚴(yán)重，波動(dòng)性大。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)本期、累計(jì)變化量 mm

4 結(jié) 論

通過對(duì)干擾嚴(yán)重下采集的GPS靜態(tài)原始數(shù)據(jù)分析，針對(duì)誤差的組成情況，探尋合適的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理方法，通過與高精度測(cè)量機(jī)器人測(cè)量結(jié)果對(duì)比，最終得到了可靠的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：在實(shí)際近壩區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)過程中，雖然觀測(cè)環(huán)境對(duì)信號(hào)的影響很大，但通過將接收機(jī)附近的樹木枝葉進(jìn)行適當(dāng)?shù)那宄?，延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間等方法可獲得較好的觀測(cè)數(shù)據(jù);在數(shù)據(jù)處理過程中,利用分塊構(gòu)網(wǎng)將監(jiān)測(cè)網(wǎng)按照一定的原則分塊處理、網(wǎng)平差，但變形監(jiān)測(cè)GPS數(shù)據(jù)采集和處理方案要一致,以保證多期觀測(cè)數(shù)據(jù)精度統(tǒng)一。

圖2 GPS監(jiān)測(cè)累計(jì)變化量與全站儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比

由于上述觀測(cè)頻率為一年一次，時(shí)間間隔久，滑坡體滑動(dòng)量相對(duì)較大，因此達(dá)到的精度可以完全滿足此滑坡體監(jiān)測(cè)需求，若提高監(jiān)測(cè)頻率，其精度不一定就能完全準(zhǔn)確反映每一次的變化量，其誤差的波動(dòng)范圍可能會(huì)被滑坡體的真實(shí)變化完全掩蓋掉，且對(duì)于滑坡體自上而下的滑動(dòng)趨勢(shì)來說，Z方向上的變化量也是極其重要的，這也就是GPS測(cè)量的缺點(diǎn)

所在。因此，提高復(fù)雜地區(qū)滑坡體監(jiān)測(cè)精度，仍然需要進(jìn)行不斷的嘗試。

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2016-07-11)

令曉博(1991—)，男，碩士研究生，211100 江蘇省南京市江寧區(qū)佛城西路8號(hào)。