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)

?

GPS在近壩區(qū)滑坡體監(jiān)測中的應(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)

通過對某滑坡體監(jiān)測過程中數(shù)據(jù)的采集、處理、結(jié)果檢核試驗的介紹，介紹了GPS用于滑坡監(jiān)測過程中遇到的各種問題，并提出了解決方案。將GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)處理試驗與高精度全站儀測量結(jié)果對比，在GPS信號干擾嚴(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方向達到較好的監(jiān)測效果，測高方向雖然精度較低，但從趨勢上能大體判斷滑坡體的健康狀況。

GPS 滑坡體監(jiān)測 高精度測量機器人

我國是一個地形地貌極其豐富的國家，也是極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的國家。21世紀(jì)以來，隨著我國經(jīng)濟建設(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，因為水位的漲跌產(chǎn)生極大的不穩(wěn)定[1]。因此建立健全滑坡監(jiān)測體系尤為重要，傳統(tǒng)的滑坡監(jiān)測方法有幾何水準(zhǔn)和全站儀導(dǎo)線測量。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)的方法費時費力，GPS技術(shù)以其大范圍、實時性、連續(xù)性的優(yōu)勢，在滑坡體監(jiān)測中得到了極大的應(yīng)用。

1 滑坡體GPS監(jiān)測

滑坡是指邊坡一部分巖體以一定的加速度沿某一滑動面發(fā)生剪切滑動的現(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)測方法十分有必要。邊坡監(jiān)測經(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，取得了極大的成果。為了進一步降低GPS監(jiān)測成本，河海大學(xué)何秀鳳教授等研制出來GPS一機多天線技術(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、攝影測量與遙感技術(shù)都應(yīng)用到復(fù)雜近壩區(qū)滑坡監(jiān)測中去，使得我國的滑坡監(jiān)測手段多種多樣[2-6]，但目前GPS靜態(tài)測量和傳統(tǒng)的幾何人工測量仍占據(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)測精度難以保證在毫米級。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到預(yù)期的精度。

2 數(shù)據(jù)采集及處理[10-12]

2.1 試驗介紹

本次監(jiān)測數(shù)據(jù)來自于國內(nèi)某壩區(qū)附近山上的一處滑坡體。該壩區(qū)樹木生長茂密，一面臨壩，監(jiān)測環(huán)境復(fù)雜，7個GPS監(jiān)測點(JC1～JC7)，兩個基準(zhǔn)點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)平差的點位測量精度作為唯一指標(biāo)，而在布設(shè)監(jiān)測點的同時，在對面的穩(wěn)定基巖上布設(shè)了兩臺全站儀監(jiān)測基點，使其能對監(jiān)測點進行測量，達到兩種方法測量結(jié)果對比的效果。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

通過對樹木遮擋嚴(yán)重、山坡和水面等復(fù)雜環(huán)境以及對往期數(shù)據(jù)的分析，可知造成GPS的主要誤差為信號干擾嚴(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)采集過程中對接收機上方的遮擋物進行了處理，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觀測時間，例如2 d同時間段觀測處理求差外還有一大部分的固定誤差，對這類誤差暫無特別有效的方法予以消除。圖1為對某一原始觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量評價。表1為利用GPS預(yù)處理TEQC軟件對其中3個點多路徑效應(yīng)的描述。

由圖1DOP值大于6的離散點可以看出，在觀測過程中信號不穩(wěn)定，存在嚴(yán)重的跳躍現(xiàn)象，這對GPS測量成果是極其不利的。表1為利用GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理TEQC軟件對其中3個點3 a的某一觀測時段多路徑效應(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，測站存在嚴(yán)重的多路徑效應(yīng)。

圖1 某監(jiān)測點衛(wèi)星及各精度因子示意

測點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

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

(1)對測站上空的樹枝進行清理。

(2)延長觀測時間，每個時段觀測時間都接近24 h。

(3)由于觀測質(zhì)量難以保證，使得整網(wǎng)平差的精度特別差，甚至?xí)驗閭€別點的粗差將整網(wǎng)的精度拉低，不能真實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，即所有的點按照同一觀測時段分成3塊，每一塊都包含已知點和公共點。由于各個監(jiān)測點的位置環(huán)境都是固定不變的，因此每一期觀測的數(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)量將基線分批次對期數(shù)據(jù)進行相同處理，然后進行網(wǎng)平差計算。

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變化量。取監(jiān)測點JC01～JC03的前四期為例。如表2所示。圖2為8期測量的累計變化量與高精度測量機器人測量的差值，在X、Y方向的14個差值中毫米級別差值的占9個，10～20 mm的占5個。Z方向上的差值比較大，從3～130 mm的都有。從數(shù)據(jù)對比來看，在基于此數(shù)據(jù)處理方法在X、Y方向上基本能達到很高的精度，完全可以滿足監(jiān)測的精度需求，由于GPS測高的不確定性，造成Z軸差異較大，但表征滑坡體Z方向的變化趨勢完全相同，因此可以從趨勢上判斷Z方向的變化。從數(shù)據(jù)處理的結(jié)構(gòu)可以看出，GPS信號干擾嚴(yán)重的情況下對于X和Y方向上的影響可通過后期處理達到精度要求，但對于Z方向上的誤差影響嚴(yán)重，波動性大。

表2 監(jiān)測點本期、累計變化量 mm

4 結(jié) 論

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

圖2 GPS監(jiān)測累計變化量與全站儀測量結(jié)果對比

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

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

[1] 王 利,張 勤,黃觀文,等.GPSPPP技術(shù)用于滑坡監(jiān)測的試驗與結(jié)果分析[J].巖土力學(xué),2014(7):2118-2124.

[2] 黃德武.GPS變形監(jiān)測中多路徑效應(yīng)影響研究[D].成都：西南交通大學(xué),2005.

[3] 戴吾蛟,丁曉利,朱建軍.GPS動態(tài)變形測量中的多路徑效應(yīng)特征研究[J].大地測量與地球動力學(xué),2008(1):65-71.

[4] 何秀鳳,桑文剛,賈東振.基于GPS的高邊坡形變監(jiān)測方法[J].水利學(xué)報,2006(6):746-750.

[5] 孫常建,楊曉超.GPS多路徑效應(yīng)規(guī)律研究[J].測繪通報,2006(11):12-15.

[6] 汪 新.GPS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法的研究[D].成都：西南交通大學(xué),2013.

[7] 王 利,張 勤,李尋昌,等.GPSRTK技術(shù)用于滑坡動態(tài)實時變形監(jiān)測的研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2011(2):193-198.

[8] 許 斌,何秀鳳,桑文剛,等.GPS一機多天線技術(shù)在小灣電站邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2005(3):64-67.

[9] 桑文剛,何秀鳳,許 斌,等.基于GPS多天線技術(shù)的遠(yuǎn)程自動化高邊坡監(jiān)測系統(tǒng)[J].水利水電科技進展,2006(1):63-65.

[10] 陳佳清.利用TEQC及RTKLIB軟件分析GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量[J].導(dǎo)航定位學(xué)報,2016(1):126-130.

[11] 趙傳華,秘金鐘,黨亞民.基于TEQC的數(shù)據(jù)預(yù)處理分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報,2013(1):84-88.

[12] 徐紹銓,程溫鳴,黃學(xué)斌,等.GPS用于三峽庫區(qū)滑坡監(jiān)測的研究[J].水利學(xué)報,2003(1):114-118.

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。