繆德都

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟寧 272000)

滑坡是自然災害現(xiàn)象之一，對人類的生命財產(chǎn)安全有著嚴重的威脅，且滑坡具有分布廣、發(fā)生頻繁、突發(fā)性強、危害性大以及受降水影響較大等特點，因此對滑坡進行實時的監(jiān)測是保證人類生命財產(chǎn)安全的重要內(nèi)容[1-2]。我國地域遼闊，地貌種類多而復雜，特別是西南地區(qū)受降雨影響滑坡災害發(fā)生頻繁，因此采用科學的手段對其進行監(jiān)測是目前研究的重點[3-4]。傳統(tǒng)的滑坡變形監(jiān)測手段主要有三角水準測量、全站儀測量、攝影測量以及GPS差分測量等，上述監(jiān)測技術手段受視線遮擋、環(huán)境、天氣以及觀測信號影響較大，并且耗時耗力，對于環(huán)境較差以及無信號的山區(qū)則監(jiān)測十分困難[5]。隨著全球定位技術的不斷發(fā)展，精密單點定位技術不斷被應用于變形監(jiān)測領域，該技術不僅克服了傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術手段的缺點，而且操作簡單，不像差分GPS技術一樣需要信號連接，特別是三頻精密單點定位精度可以達到毫米級，可以滿足一般建筑物變形監(jiān)測的精度要求[6-8]。為對滑坡造成的危害進行及時預防，國內(nèi)很多學者利用不同技術手段對我國的部分滑坡進行了監(jiān)測分析，文獻[9]結合多種技術手段對滑坡進行變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在監(jiān)測時間段內(nèi)滑坡穩(wěn)定，全站儀可以作為主要監(jiān)測手段進行長期監(jiān)測，RTK與加速度計能快速捕捉滑坡的坍塌；文獻[10]利用測量機器人對黃土滑坡進行變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)測量機器人的實測平均精度優(yōu)于4 mm，滿足測量精度要求，是今后滑坡變形監(jiān)測的一種有效技術手段；文獻[11]利用GBInSAR技術對河流滑坡進行變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)加固帶的滑坡變形在1 mm以內(nèi)，其它地方變形在4 mm以內(nèi)，GBInSAR技術可以快速、有效地獲取河流滑坡整體形變信息及形變的演化過程。為進一步對我國滑坡進行變形監(jiān)測，本文利用GPS三頻精密單點定位技術對國內(nèi)某滑坡進行變形監(jiān)測，并分析了滑坡環(huán)境下的精密單點定位精度以及滑坡三維變形情況。

1 三頻精密單點定位原理

精密單點定位是利用單臺接收機，采用偽距與載波相位觀測值，結合IGS機構發(fā)布的精密星歷與鐘差產(chǎn)品，實現(xiàn)高精度定位的新技術。三頻精密單點定位模型主要有三頻無電離層兩兩組合、三頻消電離層組合和三頻非組合模型等，本文主要介紹三頻消電離層組合模型。

1.1 三頻消電離層組合模型

三頻消電離層組合模型與雙頻無電離層組合類似，僅需構造一個三頻線性組合，無需額外的偏差參數(shù)，其線性觀測方程如下：

(1)

式中,

(2)

1.2 隨機模型

觀測值的精度通常量化為與衛(wèi)星高度角、信噪比有關的函數(shù)形式，三頻消電離層組合隨機模型如下：

∑IF-L1L2+L2L5=

(3)

(4)

式中，下標為3表示頻率L5；A和A′分別為無電離層組合和三頻消電離層組合設計的矩陣。

2 實測案例分析

本次所監(jiān)測的滑坡位于我國西南地區(qū)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，并且夏季多雨，容易造成滑坡災害的發(fā)生。該滑坡四周樹木茂盛，視線遮擋嚴重，同時周圍1 km以內(nèi)無穩(wěn)定地區(qū)可以架設GPS基準站，因此無法利用全站儀以及GPS差分技術對其進行監(jiān)測，本文利用GPS三頻精密單點定位技術。本次監(jiān)測在滑坡區(qū)域布設兩臺GPS接收機，接收機架設在之前砌好的觀測墩上，所采用的GPS接收機類型是天寶R9接收機，截止高度角設置為12°，采樣頻率設置為1 s，監(jiān)測時間為20 h。

在進行數(shù)據(jù)處理分析時，由于在監(jiān)測最后兩個小時受天氣的影響，數(shù)據(jù)質(zhì)量不好，因此刪除了后兩個小時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，只對前18個小時的觀測數(shù)據(jù)進行處理分析。首先利用TBC軟件聯(lián)合最近的CORS站解算得到這兩個監(jiān)測點的靜態(tài)坐標，以解算得到的靜態(tài)坐標作為真值，通過精密單點定位解算得到的單歷元坐標值與真值做差，即可得到每個監(jiān)測點的三維坐標位移變化量。

首先對滑坡環(huán)境下的GPS衛(wèi)星可見數(shù)與DOP值進行分析，因為衛(wèi)星可見數(shù)與DOP是決定定位精度的重要因素。其中DOP是指衛(wèi)星與接收機空間幾何布局的影響造成的偽距誤差與用戶位置誤差間的比例系數(shù)，DOP值越小證明衛(wèi)星空間分布位置越好，定位精度越高。DOP值主要包括：幾何精度衰減因子(GDOP)、位置精度衰減因子(PDOP)、水平精度衰減因子(HDOP)和垂直精度衰減因子(VDOP)。

如圖1所示，在檢測時間段內(nèi)，GPS衛(wèi)星可見數(shù)在6～10顆之間，大于定位最低需要4顆衛(wèi)星的要求，完全滿足定位的需要。如圖2所示，VDOP值在0～2之間，GDOP值、PDOP值與HDOP值在1～4之間，而GDOP值最大。

圖1 衛(wèi)星可見數(shù)

圖2 DOP值

在分析精密單點定位的性能時，主要分析監(jiān)測點E、N和U三個方向的誤差序列、收斂時間以及模糊度固定率。

圖3 D1點精密單點定位序列

如圖3所示，D1點在監(jiān)測開始0～2.5 h之內(nèi)波動很大，之后開始穩(wěn)定。為保證監(jiān)測結果的準確性，對其收斂性進行檢查，通常認為在連續(xù)20個歷元的定位偏差都在10 cm以內(nèi)，則認為當前歷元收斂。對D1點分析發(fā)現(xiàn)，大約2.5 h之后開始收斂，并且E方向、N方向與U方向可以收斂至1 cm以內(nèi)。如圖4所示，D2點與D1點一樣，在監(jiān)測開始0～2.5 h之內(nèi)波動很大，之后開始穩(wěn)定。為保證監(jiān)測結果的準確性，對其收斂性進行檢查，通常認為在連續(xù)20個歷元的定位偏差都在10 cm以內(nèi)，則認為當前歷元收斂。對D1點分析發(fā)現(xiàn)，大約2.5 h之后開始收斂，并且E方向、N方向與U方向可以收斂至1 cm以內(nèi)。

圖4 D2點精密單點定位序列

進一步對兩個監(jiān)測的RMS值、具體的收斂時間以及模糊度固定率進行統(tǒng)計。

表1 監(jiān)測點精度統(tǒng)計

如表1所示，兩個監(jiān)測點GPS三頻精密單點水平方向RMS值在1 cm左右，豎直方向的RMS值在2 cm左右。對于收斂時間，水平方向的收斂時間在150 min左右，豎直方向的收斂時間在170 min左右，而兩個監(jiān)測點的模糊度固定率在98%及以上。

圖5 D1點三維變形序列

圖6 D2點三維變形序列

為了對監(jiān)測點處的滑坡變形情況進行分析，本文選取了完全收斂之后的9個小時即監(jiān)測開始后3～12 h的監(jiān)測數(shù)據(jù)與真值做差來分析E、N和U三個方向的滑坡變形情況。

如圖5所示，D1點E方向的動態(tài)變形在4 mm以內(nèi)，N方向的動態(tài)變形在4 mm以內(nèi)，U方向的動態(tài)變形在3 mm以內(nèi)；如圖6所示，D2點E方向的動態(tài)變形在3 mm以內(nèi)，N方向的動態(tài)變形在3 mm以內(nèi)，U方向的動態(tài)變形在3 mm以內(nèi)。

3 結 論

為對我國滑坡進行及時的監(jiān)測與預防，本文利用GPS三頻精密單點定位技術對我國西南某地滑坡進行變形監(jiān)測，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：

(1)滑坡環(huán)境下GPS三頻精密單點定位水平向在觀測150 min左右之后開始收斂，豎直向在監(jiān)測170 min左右開始收斂，收斂之后誤差在1 cm以內(nèi)，且模糊度固定率在98%以上。

(2)滑坡環(huán)境下GPS三頻精密單點水平向定位精度可以達到1 cm左右，豎直向定位精度可以達到1 cm。

(3)截取GPS三頻精密單點定位完全收斂時段內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)可以分析出滑坡動態(tài)變形位移，水平向與豎直向的動態(tài)位移變形在3 mm左右，可以為較差環(huán)境下的變形監(jiān)測提供一種新的技術手段。

雖然精密單點定位精度受精密星歷與鐘差產(chǎn)品精度的影響，相信隨著精密單點定位各項誤差改正模型的不斷優(yōu)化以及精密單星歷與鐘差精度的不斷提高，在今后精密單點定位技術將會被廣泛應用于高精度變形監(jiān)測之中。