張仲林，葉振南，李 強，鄧 兵

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，保定 071051； 2. 中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

GPS滑坡位移監(jiān)測精度影響因素簡析

張仲林1，葉振南2，李 強1，鄧 兵1

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，保定 071051； 2. 中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

GPS位移監(jiān)測技術(shù)已被廣泛用于滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作中。三峽庫區(qū)典型滑坡以GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)、野外踏勘和深部位移等資料為基礎(chǔ)，對GPS監(jiān)測影響進行研究，結(jié)果表明：監(jiān)測點尤其是基準點被遮擋，采集到的數(shù)據(jù)存在嚴重誤差，對滑坡變形分析影響巨大。

GPS技術(shù)；滑坡監(jiān)測；野外環(huán)境；監(jiān)測精度

0 引言

滑坡是一種嚴重的地質(zhì)災(zāi)害，僅三峽庫區(qū)二期蓄水導(dǎo)致較大的滑坡、崩塌體有1153處，變形體299處。其中發(fā)生1085處滑坡，299處沿岸變形體[1-3]。為了保障安全，必須對危險滑坡進行監(jiān)測預(yù)警工作。目前滑坡變形監(jiān)測的主要儀器有經(jīng)緯儀、位移傳感器、加速度傳感器、激光儀等，選擇GPS滑坡位移監(jiān)測占多數(shù)。

1 GPS滑坡位移監(jiān)測原理簡介

1.1 GPS系統(tǒng)組成及原理

GPS系統(tǒng)由3部分組成：空間、地面監(jiān)控和用戶接收部分。GPS衛(wèi)星星座由24顆高約20200km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)星運行的軌道周期為11小時58分，保證在任何時間和地點地平線上可以接收到4～11顆衛(wèi)星發(fā)送出的信號?？臻g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準[11]。

GPS 衛(wèi)星定位監(jiān)測滑坡位移的基本原理[12]是：利用GPS 接收機在某一時刻同時接收3 顆（或3 顆以上）的GPS 衛(wèi)星信號，利用這些信息測量出測站點至3 顆（或3顆以上）GPS 衛(wèi)星的距離，并計算出該時刻GPS 衛(wèi)星的三維坐標，根據(jù)距離交匯原理解算出測站點的三維坐標。然而，由于衛(wèi)星和接收機的時鐘誤差，GPS 衛(wèi)星定位測量應(yīng)至少對4顆衛(wèi)星進行觀測來進行定位計算。圖1可確定4個距離觀測方程。

式中：i=1、2、3、4；

C 為GPS 信號的傳播速度；

（Xi,Yi,Zi）為衛(wèi)星的軌道坐標；

ti為各個衛(wèi)星的時鐘差；

ρi為各個衛(wèi)星到測站點接收機天線的距離；

待測點坐標（X,Y,Z）和接收機時鐘差t 為未知數(shù)。

圖1 對四顆衛(wèi)星進行監(jiān)測

1.2 GPS滑坡位移監(jiān)測基本原理[4,5,9]

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。

(1)滑坡GPS監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)

GPS 監(jiān)測網(wǎng)由基準網(wǎng)和變形網(wǎng)構(gòu)成，GPS監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)包括基準點和監(jiān)測點的布設(shè)。在基準網(wǎng)控制下，比較滑坡監(jiān)測點各期觀測量與首期觀測值的坐標差值，即可判斷滑坡穩(wěn)定性。GPS 滑坡監(jiān)測基準點點位的布置要求地質(zhì)條件好，點位穩(wěn)定；適合GPS 觀測條件，并無顯著多路徑效應(yīng)；盡可能選用經(jīng)實踐證明點位穩(wěn)定的基準網(wǎng)點?；鶞庶c需要經(jīng)地質(zhì)勘探，且建有穩(wěn)固的觀測墩，便于穩(wěn)定性分析。而監(jiān)測點點位的選定應(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，監(jiān)測點要能反映滑坡體整體變形方向、變形量，又要能反映滑坡體范圍變形速率；同時每個點還要考慮接收衛(wèi)星信號情況，測點上空不要有大面積遮擋物。

(2)GPS滑坡監(jiān)測模式

GPS用于變形監(jiān)測的作業(yè)方式可分為周期性和連續(xù)性兩種模式( Episodic and Continuous Mode)。當形變體的變形速率相當緩慢(如地殼運動, 處于緩慢變形階段的滑坡體位移等), 在局部時間域和空間域內(nèi)可以認為穩(wěn)定不動時, 可利用GPS進行周期性變形監(jiān)測, 監(jiān)測頻率視具體情況可為數(shù)月、一年或甚至數(shù)年之久。此時采用GPS靜態(tài)相對定位方法測量, 將2臺以上GPS接收機安置在觀測點上同步觀測一段時間, 觀測時段長度和時段個數(shù)依監(jiān)測精度的要求而定。連續(xù)性變形監(jiān)測指的是采用固定監(jiān)測儀器進行長時間的數(shù)據(jù)采集, 獲得變形數(shù)據(jù)系列, 此時監(jiān)測數(shù)據(jù)是連續(xù)的, 具有較高的時間分辨率。根據(jù)變形體的不同特征, GPS連續(xù)性監(jiān)測可采用靜態(tài)相對定位和動態(tài)相對定位兩種數(shù)據(jù)處理方法進行觀測, 一般要求變形響應(yīng)的實時性。

(3)GPS數(shù)據(jù)處理方法

GPS數(shù)據(jù)處理多采用高精度GPS 數(shù)據(jù)處理軟件進行,其對數(shù)據(jù)的處理包括兩個方面：一是對GPS原始數(shù)據(jù)進行處理后獲得同步觀測網(wǎng)的基線解; 二是對各同步觀測網(wǎng)的解進行整體平差和分析, 獲得GPS網(wǎng)的整體解。數(shù)據(jù)處理的重點都在于對同步網(wǎng)的基線處理,而在網(wǎng)的平差分析方面, 特別是多個子網(wǎng)的系統(tǒng)誤差分析、粗差分析及隨機誤差處理方面,目前還沒有很理想的方法。

2 GPS滑坡位移監(jiān)測精度影響因素分析

三峽庫區(qū)從二期蓄水開始，就普遍使用了GPS對長江兩岸的滑坡進行監(jiān)測。然而二期蓄水至今已經(jīng)10年有余，隨著時間的推移，各滑坡監(jiān)測點周圍環(huán)境也發(fā)生了很大的變化：（1）監(jiān)測點周邊樹木的生長對監(jiān)測點透視區(qū)的遮擋（圖2）；（2）人類工程活動（建筑路基或房屋等修建），部分監(jiān)測點被建筑物遮擋甚至已經(jīng)被損壞（圖3）。

圖2 監(jiān)測點被果樹遮擋

圖3 被建筑遮擋和移動

2.1 遮擋監(jiān)測點對精度影響

以清溪河滑坡GPS滑坡位移監(jiān)測系統(tǒng)WS04-02點和WS04-05監(jiān)測點為研究對象，進行位移監(jiān)測精度影響對比分析。清溪河滑坡位于巫山縣巫峽鎮(zhèn)跳石村3組,滑坡長度345m，寬度460m，面積15.8萬m2,滑坡的坡度50°，是一個典型的崩塌型滑坡。在滑坡體上一共建設(shè)了7個監(jiān)測點,在滑坡體外建設(shè)了2個基準點,共9個監(jiān)測點對清溪河滑坡體地表實施GPS監(jiān)測,監(jiān)測頻率每月一次,主汛期每月兩次,每次監(jiān)測時間為兩小時左右。在該滑坡中，監(jiān)測點WS04-02 和WS04-05被樹木遮擋的較嚴重，兩個點接收衛(wèi)星信號質(zhì)量很差。后期經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到GPS數(shù)據(jù)處理的基線圖如圖4，WS04-02點和WS04-05點與鄰近監(jiān)測點累計水平位移隨時間變化曲線如圖5。

從圖4可以看出，WS04-02點和WS04-05點的周圍基線上，都有警告的小旗，說明該點位因遮擋影響，衛(wèi)星信號相對較弱，造成基線解算時誤差較大，基線解算未通過，必須經(jīng)過二次精化處理，即使是第二次精化處理，有時解算可以通過，影響較嚴重時解算通不過，只能將其刪除，這樣導(dǎo)致監(jiān)測精度大大下降，嚴重影響后期數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)準確性。

圖4 GPS數(shù)據(jù)初步處理基線圖

由圖5可以看出，監(jiān)測點WS04-06和WS04-07未受樹木遮擋，位移曲線比較穩(wěn)定，水平累計位移量隨時間發(fā)展平穩(wěn)的增加，較好反映了滑坡位移量隨時間發(fā)展變化趨勢，總體上較好的符合滑坡變形的真實情況。監(jiān)測點WS04-02和WS04-05受到樹木遮擋比較嚴重，與WS04-06 和WS04-07相比，曲線總體起伏較大，GPS接收機對信號的接收受遮擋影響，處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)存在一定的誤差，不能很好的反應(yīng)滑坡體點位的變形趨勢，需要進一步處理來進行變形分析。WS04-02和WS04-05曲線前半部分相對穩(wěn)定，誤差較?。浑S時間的推移起伏逐漸增大，誤差也隨之增大。分析其主要原因是由于前期樹木低矮，對監(jiān)測點遮擋程度較輕，對接收信號影響較??；樹木隨時間推移逐漸長大，對監(jiān)測點的遮擋越來越嚴重，對接收信號的影響越大，導(dǎo)致處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)起伏增大，誤差也隨之升高，樹木等對監(jiān)測點遮擋越嚴重，造成的誤差也就越大。

圖5 監(jiān)測點WS04-02和WS04-05與鄰近監(jiān)測點累計水平位移曲線對比圖

2.2 遮擋基準點對精度影響

選擇巫山縣大屋場滑坡作為研究對象，該滑坡位于大溪鄉(xiāng)開峽村12組，滑坡長度800m,寬度600m,總面積48 萬m2,滑坡坡度18°。監(jiān)測頻率每月一次,主汛期每月兩次,每次監(jiān)測時間為兩小時左右?；麦w上共布置了11個監(jiān)測點，其中WS10-10受到樹木的遮擋比較嚴重。在監(jiān)測初期以WS10-10為基準點時，基線第一次處理情況如圖6。

圖6 大屋場滑坡初期處理基線圖

從圖6可以看出，在多個地方都出現(xiàn)了警告旗，這說明基準點受到樹木遮蓋對整體監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理影響較大，處理結(jié)果存在較大誤差。為了解決上述問題在2011年12月，把基準點換成了無遮擋的WS10-11點為基準點，處理得到的累計水平位移隨時間變化的曲線如圖7。

圖7 大屋場滑坡累計水平位移曲線

從圖7中可以看出，在2011年12月更換基準點以前，各個監(jiān)測點的累計水平位移曲線起伏較大，監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差較大；在2011年12月更換基準點以后，所有監(jiān)測曲線的起伏都有很大程度的減小，曲線趨于平穩(wěn)，滑坡處于緩慢蠕滑變形階段，通過地表勘查和鉆孔傾斜儀數(shù)據(jù)對比分析，證明GPS后期監(jiān)測數(shù)據(jù)和推斷符合滑坡實際情況，說明更換基準點后，GPS監(jiān)測恢復(fù)了正常狀態(tài)。

在監(jiān)測點周圍修筑路基、房屋等建筑物時，同樣會使監(jiān)測點受到遮擋，導(dǎo)致監(jiān)測精度的降低。如果監(jiān)測點在此過程中遭到移動或損壞，對監(jiān)測精度的影響更加嚴重。首先，GPS滑坡監(jiān)測網(wǎng)系統(tǒng)遭到損壞，達不到預(yù)期監(jiān)測效果；其次，監(jiān)測點數(shù)據(jù)的缺失為數(shù)據(jù)處理增加了困難，監(jiān)測精度降低；當被損壞的監(jiān)測點處在關(guān)鍵位置時，通過監(jiān)測點之間的對比分析得到的滑坡主滑方向、最大位移等參數(shù)會出現(xiàn)偏差，最終導(dǎo)致監(jiān)測網(wǎng)無法正常有效地發(fā)揮監(jiān)測預(yù)警作用，需要進一步選點重新修建監(jiān)測樁才能滿足監(jiān)測精度及效果。

3 結(jié)論

（1）GPS監(jiān)測技術(shù)具有連續(xù)、實時、高精度、全天候測量、測站間無需通視、同時測量三維位移和自動化程度高等優(yōu)點，隨著GPS儀器功能的增強和完善、價格降低以及各種解算模型的完善，與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有較高的優(yōu)越性，在滑坡監(jiān)測預(yù)警中起到了關(guān)鍵的作用。滑坡監(jiān)測系統(tǒng)精度的高低，直接影響滑坡的監(jiān)測效果，注重監(jiān)測精度的影響，找出遮擋等主要影響因素，及時處理，提高監(jiān)測精度對進一步分析滑坡變形及影響起著關(guān)鍵作用。

（2）當GPS監(jiān)測點周圍有樹木、房屋以及圍墻等建筑物遮擋時，尤其是當被遮擋的監(jiān)測點作為基準點時，整個監(jiān)測系統(tǒng)中所有的監(jiān)測點都會受到影響，處理得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)與基線圖存在誤差，需要進一步處理甚至刪除數(shù)據(jù)，監(jiān)測精度隨之降低，嚴重影響后期數(shù)據(jù)處理和變形分析等，因此要保證監(jiān)測點位周圍的透視性良好，出現(xiàn)問題及時解決，保證數(shù)據(jù)采集的正常性。

3）在滑坡上建立GPS監(jiān)測系統(tǒng)時要充分考慮監(jiān)測點位的布置，尤其是基準點周圍的環(huán)境條件，充分考慮樹木、房屋建筑等遮擋隱患；同時加大在群眾中的宣傳工作，提高滑坡體上的村民對監(jiān)測設(shè)施的認識，使他們自覺保護監(jiān)測設(shè)施，避免在監(jiān)測設(shè)施周圍種樹及進行施工建筑，從而保證GPS監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測精度，使之發(fā)揮最大功效，保證人民生命財產(chǎn)安全。

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Analysis on Affecting Factors of the Precision during GPS Landslide Deformation
Monitoring

ZHANG Zhonglin1，YE Zhennan2，LI Qiang1，DENG Bing1

(1. Center for Hydrogeology and Environmental Geology of CGS，Baoding 071051；2.China University of Geosciences，Beijing 100083)

GPS deformation monitoring technology has been widely applied to landslide monitoring and early warning. After the monitoring system was established, the precision would be seriously affected when the monitoring stations are covered by trees or buildings over time. Take typical landslides in Three Gorges Area as an example, the factors affecting the precision during GPS landslide monitoring is analyzed based on monitoring data of GPS, fi eld reconnaissance and deep displacement data. The result shows that when the monitoring stations, especially for the datum stations, are covered, the data gathered will be unreliable, which will serious affect the data processing and analysis on the deformation trend of the landslide. In order to ensure the normal operation of the monitoring system on the whole, the problems identified must be solved timely.

GPS technology；Landslide monitoring；Filed environment；Monitoring precision。

P694

A

1007-1903（2013）02-0009-04

隴東地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查（1212010814012）

張仲林（1964- ），男，北京人，工程師，本科，長期從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害防治方面的調(diào)查與研究工作。

郵箱：yang5359535@126.com