李厚芝

摘 要：本文基于筆者多年從事滑坡變形監(jiān)測(cè)的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以滑坡GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)為研究對(duì)象，論文首先分析了GPS的工作原理，進(jìn)而探討了GPS測(cè)量的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，筆者給出了典型滑坡GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，最后詳細(xì)探討了GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)成果，成果證明，本文提出的典型滑坡監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)是科學(xué)的，相信對(duì)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(cè) 設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：P25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shí)，都會(huì)對(duì)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(cè)顯得非常重要?；伦冃伪O(jiān)測(cè)工作是對(duì)滑坡關(guān)鍵部位進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，為評(píng)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(cè)方法是用常規(guī)大地測(cè)量方法，平面位移采用經(jīng)緯儀導(dǎo)線(xiàn)或三角測(cè)量方法，高程用精密水準(zhǔn)測(cè)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(xiàn)和電磁波測(cè)距三角高程方法進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。隨著GPS技術(shù)的發(fā)展以及在各種工程中越來(lái)越多的應(yīng)用，利用GPS技術(shù)對(duì)滑坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)也日臻成熟，在大面積的滑坡監(jiān)測(cè)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(hù)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(gè)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(shí)58分，這樣可以保證在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)地平線(xiàn)上可以接收4到11顆衛(wèi)星發(fā)送出的信號(hào)?？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(chǔ)存由地面監(jiān)控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航信息；同時(shí)向GPS用戶(hù)播送導(dǎo)航電文，提供導(dǎo)航和定位信息；通過(guò)高精度衛(wèi)星鐘向用戶(hù)提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

GPS定位過(guò)程中，存在著三部分誤差：一部分是對(duì)每一個(gè)用戶(hù)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(duì)流層誤差等；第二部分為不能由用戶(hù)測(cè)量或由校正模型來(lái)計(jì)算的傳播延遲誤差，第三部分為各用戶(hù)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(hù)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(cè)過(guò)程中是一項(xiàng)關(guān)鍵的步驟，眾所周知單基線(xiàn)解算的算法簡(jiǎn)單，但由于其解算成果無(wú)法反映同步基線(xiàn)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(jí)GPS網(wǎng)的測(cè)量中；多基線(xiàn)解算由于在基線(xiàn)解算時(shí)顧及了同步觀測(cè)基線(xiàn)間的誤差相關(guān)特性，因此在理論上是嚴(yán)密的。

2 GPS測(cè)量的特點(diǎn)（見(jiàn)圖1）

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

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

（2）測(cè)站間無(wú)需通視。GPS測(cè)量不需要測(cè)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(cè)時(shí)間短。隨著GPS測(cè)量技術(shù)的不斷完善，軟件的不斷更新，在進(jìn)行GPS測(cè)量時(shí)。靜態(tài)相對(duì)定位每站僅需20 min左右，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位每站僅需1～2 s。

（4）儀器操作簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高。目前GPS接收機(jī)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，操作智能化，觀測(cè)人員只需對(duì)中、整平、量取天線(xiàn)高及開(kāi)機(jī)后設(shè)定參數(shù)，接收機(jī)即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)和記錄，野外測(cè)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(shí)間、任何地點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，一般不受天氣狀況的影響，這一點(diǎn)也是常規(guī)測(cè)量無(wú)法比擬的。

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

3 設(shè)計(jì)

GPS測(cè)量獲得的是GPS基線(xiàn)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(guó)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(shí)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(cè)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(cè)網(wǎng)的位置基準(zhǔn)問(wèn)題。對(duì)于滑坡監(jiān)測(cè)的高程網(wǎng)來(lái)說(shuō)，則至少需要一個(gè)高程起算點(diǎn)解決高程基準(zhǔn)問(wèn)題。GPS變形監(jiān)測(cè)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(shí)，最好能聯(lián)測(cè)至少一個(gè)測(cè)區(qū)附近高精度的GPS點(diǎn)（A、B、C級(jí)點(diǎn)等），保證滑坡監(jiān)測(cè)網(wǎng)達(dá)到D級(jí)，確保GPS網(wǎng)點(diǎn)的位置基準(zhǔn)達(dá)到毫米級(jí)精度，能有效提高GPS基線(xiàn)解算精度。

滑坡監(jiān)測(cè)網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)既要依據(jù)GPS測(cè)量規(guī)范和規(guī)程，如，《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》GB/T18314-2001等，又要依據(jù)工程測(cè)量規(guī)范、各部門(mén)制定的規(guī)程以及滑坡監(jiān)測(cè)任務(wù)書(shū)。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(shí)間、人力和所投入接收機(jī)的類(lèi)型、數(shù)量和后勤保障條件等，同時(shí)考慮監(jiān)測(cè)網(wǎng)形結(jié)構(gòu)對(duì)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(cè)和計(jì)算工作量，提高工作效率。

滑坡監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：滑坡體與地表水平位移的監(jiān)測(cè)；地表的垂直位移監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)建筑物的沉降觀測(cè)。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(cè)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(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

GPS滑坡監(jiān)測(cè)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(cè)條件，并無(wú)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(cè)墩，便于穩(wěn)定性分析。

GPS滑坡監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位的選定原則應(yīng)該能適合GPS觀測(cè)條件，并有效的反映滑坡變形的特征。具體地說(shuō)，滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)沿滑坡主滑線(xiàn)布設(shè)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)周?chē)系K物的高度角要小于15°；監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無(wú)線(xiàn)電發(fā)射源和高壓輸電線(xiàn)，以避免周?chē)艌?chǎng)對(duì)GPS信號(hào)的干擾。

4 GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)

以三峽庫(kù)區(qū)地區(qū)某一滑坡體的監(jiān)測(cè)為例，參照滑坡變形測(cè)量的要求，最終確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的精度要求為1 mm，按照基準(zhǔn)網(wǎng)與監(jiān)測(cè)網(wǎng)兩級(jí)布設(shè)，滑坡體周?chē)荚O(shè)三個(gè)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(cè)點(diǎn)位于滑坡體變形明顯的敏感部位，共設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為W1～W6。所有點(diǎn)位均埋設(shè)測(cè)量墩，采用強(qiáng)制對(duì)中裝置，測(cè)量墩上設(shè)置天線(xiàn)指向標(biāo)志。為減少儀器誤差的影響，對(duì)于每個(gè)點(diǎn)只用同一臺(tái)儀器進(jìn)行觀測(cè)，天線(xiàn)指向與標(biāo)志對(duì)齊，精密測(cè)量天線(xiàn)高。由于滑坡監(jiān)測(cè)的目的是監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的變化量，而不需要同國(guó)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(cè)網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)利用4臺(tái)Trimble R8雙頻GPS接收機(jī)，監(jiān)測(cè)方法采用靜態(tài)相對(duì)定位的方法進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測(cè)時(shí)衛(wèi)星截至高度角為10°，數(shù)據(jù)采樣率為12，每觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)1.5～2 h。首期觀測(cè)時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)上連續(xù)觀測(cè)6h，監(jiān)測(cè)點(diǎn)上連續(xù)觀測(cè)2 h；以后各期觀測(cè)時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)上連續(xù)觀測(cè)4 h，監(jiān)測(cè)點(diǎn)上連續(xù)觀測(cè)1.5 h，共觀測(cè)4期。使用TBCGPS軟件解算基線(xiàn)、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(cè)精度非常高，點(diǎn)位水平分量誤差在1 mm以?xún)?nèi)，這樣的精度完全可以滿(mǎn)足滑坡變形監(jiān)測(cè)的要求。

通過(guò)示例分析，說(shuō)明所提出的滑坡監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)是科學(xué)的，它可以用來(lái)對(duì)任何滑坡體的變形監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到對(duì)滑坡體位移趨勢(shì)預(yù)報(bào)的目的，并及時(shí)采取相應(yīng)的防范措施，起到了預(yù)警的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要提出GPS用于滑坡變形監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)方法，包括GPS工作的原理和特點(diǎn)，以及監(jiān)測(cè)網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)等內(nèi)容。并通過(guò)GPS變形監(jiān)測(cè)實(shí)例表明監(jiān)測(cè)成果的正確性。GPS滑坡監(jiān)測(cè)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(cè)中有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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