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1、 基于GPS技术的变形监测技术研究 李永雄摘 要：该文基于笔者多年从事GPS技术应用的相关工作经验，以GPS监测技术为研究对象，论文首先分析了GPS的工作原理，进而探讨了GPS测量的特点，在此基础上，笔者给出了典型滑坡GPS监测网的设计方案，最后详细探讨了GPS监测网的监测成果，成果证明，该文提出的典型滑坡监测的设计是科学的，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。关键词：GPS 滑坡 变形监测 设计：P228 ：A ：1674-098X（2014）06（b）-0032-02滑坡属于一种严重的自然地质灾害。每当滑坡发生时，都会对人民的生命和财产造成巨大的损失，所以建立安全可靠的滑坡监测显得非常重要
2、。滑坡变形监测工作是对滑坡关键部位进行连续监测，为评估其稳定性、耐久性和可靠性提供有价值的信息。以往滑坡监测方法是用常规大地测量方法，平面位移采用经纬仪导线或三角测量方法，高程用精密水准测量方法。20世纪80年代中期出现全站仪以后，利用全站仪导线和电磁波测距三角高程方法进行变形监测。随着GPS技术的发展以及在各种工程中越来越多的应用，利用GPS技术对滑坡动态监测也日臻成熟，在大面积的滑坡监测研究中显示出巨大的应用潜力。1 GPS的工作原理GPS系统由3部分组成：空间部分，地面监控部分和用户接收设备部分。GPS卫星星座由24颗高约20200 kg的卫星群组成，其中21颗工作卫星和3颗备用卫星，均
3、匀分布在6个地心轨道平面内，每颗轨道4颗卫星。各轨道平面与地球赤道面的倾角为55 ，各轨道平面之间的交角为60 ，卫星运行的轨道周期为11小时58分，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线上可以接收4到11颗卫星发送出的信号。空间部分的功能是主要执行地面监控站的指令，接收和储存由地面监控站发来的导航信息；同时向GPS用户播送导航电文，提供导航和定位信息；通过高精度卫星钟向用户提供精密的时间标准。GPS定位过程中，存在着三部分误差：一部分是对每一个用户接收机公有的，例如，卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差，第三部分为各用户接收
4、机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多路径效应等。利用差分技术，第一部分误差基本上可以消除，第二部分误差大部分可以消除，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离，第三部分误差则很难消除。数据处理在滑坡GPS监测过程中是一项关键的步骤，众所周知单基线解算的算法简单，但由于其解算成果无法反映同步基线间的误差相关的特性，不利于后面的网平差处理，一般只用在普通等级 GPS 网的测量中；多基线解算由于在基线解算时顾及了同步观测基线间的误差相关特性，因此在理论上是严密的。2 GPS测量的特点GPS测量与传统测量方法相比较，其主要优点为：（1）测量精度高：GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于 5
5、0 km的基线上，其相对定位精度可达110-6，在100500 km 的基线上可达10-610-7。（2）测站间无需通视：GPS测量不需要测站间相互通视，控制网不要求保障良好的几何结构，能根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。（3）观测时间短：随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时。静态相对定位每站仅需20 min左右，动态相对定位每站仅需 12 s。（4）仪器操作简便，自动化程度高：目前 GPS 接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录，野外测量工作轻松愉快。（5）全天候作业：G
6、PS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响，这一点也是常规测量无法比拟的。（6）提供三维坐标：GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。3 设计GPS测量获得的是GPS基线向量，是 WGS-84坐标系中的三维坐标差，而实际需要的是国家坐标系或地方独立坐标系的坐标，所以在GPS网的设计时要明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据，即明确 GPS 网的基准。GPS监测网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准，而基准设计实质上主要是指确定监测网的位置基准问题。对于滑坡监测的高程网来说，则至少需要一个高程起算点解决高
7、程基准问题。GPS变形监测网坐标系统选择WGS-84坐标系。在进行基准设计时，最好能联测至少一个测区附近高精度的GPS点（A、B、C级点等），保证滑坡监测网达到D级，确保GPS网点的位置基准达到毫米级精度，能有效提高GPS基线解算精度。滑坡监测网的技术设计既要依据GPS测量规范和规程，如：全球定位系统（GPS）测量规范GB/T18314-2001等，又要依据工程测量规范、各部门制定的规程以及滑坡监测任务书。其网形设计主要取决于数据使用者的要求、经费、时间、人力和所投入接收机的类型、数量和后勤保障条件等，同时考虑监测网形结构对高程精度的影响，选用点连式三边网，不仅保证点位的高程及平面精度，而且可
8、以减少大量的观测和计算工作量，提高工作效率。滑坡监测内容包括：滑坡体与地表水平位移的监测；地表的垂直位移监测；监测区内建筑物的沉降观测。结合布网的要求，以及滑坡地区的地理条件，采取相应的布网方式。GPS滑坡监测网点的设计包括基准点的设计和监测点的设计。GPS滑坡监测基准点点位的确定原则要充分考虑到：地质条件好，点位稳定；适合GPS观测条件，并无显著多路径效应；尽可能选用经实践证明点位稳定的原滑坡区域内的基准网点。因原基准点都经地质勘探，且建有稳固的观测墩，便于稳定性分析。endprintGPS滑坡监测的监测点点位的选定原则应该能适合GPS观测条件，并有效的反映滑坡变形的特征。具体地说，滑坡监测
9、点应沿滑坡主滑线布设；监测点周围障碍物的高度角要小于15 ；监测点应远离大功率无线电发射源和高压输电线，以避免周围磁场对GPS信号的干扰。4 GPS监测网的监测以三峡库区地区某一滑坡体的监测为例，参照滑坡变形测量的要求，最终确定监测点的精度要求为 1mm ，按照基准网与监测网两级布设，滑坡体周围布设三个基准点，这些基准点位于该滑坡体两侧的稳定岩体上，变形监测点位于滑坡体变形明显的敏感部位，共设 6 个监测点，分别为 W1W6。所有点位均埋设测量墩，采用强制对中装置，测量墩上设置天线指向标志。为减少仪器误差的影响，对于每个点只用同一台仪器进行观测，天线指向与标志对齐，精密测量天线高。由于滑坡监测
10、的目的是监测点位的变化量，而不需要同国家坐标系发生联系，因此各期坐标和变形量的表示均采用WGS-84 坐标系，用大地高代替正常高。本监测网的外业观测利用4台Trimble R8双频GPS接收机，监测方法采用静态相对定位的方法进行野外数据采集。监测时卫星截至高度角为10 ，数据采样率为12，每观测时段长1.52 h。首期观测时，基准点上连续观测6 h，监测点上连续观测2 h；以后各期观测时，基准点上连续观测4 h，监测点上连续观测1.5 h，共观测4期。使用TBC GPS软件解算基线、网平差与坐标变换。部分计算成果如表1所示。成果表明，在短边的情况下，设备提供的监测精度非常高，点位水平分量误差在
11、 1 mm以内，这样的精度完全可以满足滑坡变形监测的要求。通过示例分析，说明所提出的滑坡监测的设计是科学的，它可以用来对任何滑坡体的变形监测，从而达到对滑坡体位移趋势预报的目的，并及时采取相应的防范措施，起到了预警的作用。5 结语本文主要提出GPS用于滑坡变形监测的设计方法，包括GPS工作的原理和特点，以及监测网的技术设计，监测网的外业观测等内容。并通过GPS变形监测实例表明监测成果的正确性。GPS滑坡监测是一种高效实用的方法。随着GPS定位技术的发展，仪器功能改进、各种解算模型的完善，GPS在滑坡监测中有非常广阔的应用前景。参考文献1 曾旭平.GPS滑坡高程监测的数据处理问题J.武汉大学学报
12、（信息科学版），2010（3）.2 徐绍栓，李英冰.GPS用于滑坡监测的试验与研究J.全球定位系统，2003（1）.3 李志成.GPS技术在地表滑坡变形观测中的应用与实践J.重庆建筑，2003（6）.endprintGPS滑坡监测的监测点点位的选定原则应该能适合GPS观测条件，并有效的反映滑坡变形的特征。具体地说，滑坡监测点应沿滑坡主滑线布设；监测点周围障碍物的高度角要小于15 ；监测点应远离大功率无线电发射源和高压输电线，以避免周围磁场对GPS信号的干扰。4 GPS监测网的监测以三峡库区地区某一滑坡体的监测为例，参照滑坡变形测量的要求，最终确定监测点的精度要求为 1mm ，按照基准网与监测网
13、两级布设，滑坡体周围布设三个基准点，这些基准点位于该滑坡体两侧的稳定岩体上，变形监测点位于滑坡体变形明显的敏感部位，共设 6 个监测点，分别为 W1W6。所有点位均埋设测量墩，采用强制对中装置，测量墩上设置天线指向标志。为减少仪器误差的影响，对于每个点只用同一台仪器进行观测，天线指向与标志对齐，精密测量天线高。由于滑坡监测的目的是监测点位的变化量，而不需要同国家坐标系发生联系，因此各期坐标和变形量的表示均采用WGS-84 坐标系，用大地高代替正常高。本监测网的外业观测利用4台Trimble R8双频GPS接收机，监测方法采用静态相对定位的方法进行野外数据采集。监测时卫星截至高度角为10 ，数据
14、采样率为12，每观测时段长1.52 h。首期观测时，基准点上连续观测6 h，监测点上连续观测2 h；以后各期观测时，基准点上连续观测4 h，监测点上连续观测1.5 h，共观测4期。使用TBC GPS软件解算基线、网平差与坐标变换。部分计算成果如表1所示。成果表明，在短边的情况下，设备提供的监测精度非常高，点位水平分量误差在 1 mm以内，这样的精度完全可以满足滑坡变形监测的要求。通过示例分析，说明所提出的滑坡监测的设计是科学的，它可以用来对任何滑坡体的变形监测，从而达到对滑坡体位移趋势预报的目的，并及时采取相应的防范措施，起到了预警的作用。5 结语本文主要提出GPS用于滑坡变形监测的设计方法，
15、包括GPS工作的原理和特点，以及监测网的技术设计，监测网的外业观测等内容。并通过GPS变形监测实例表明监测成果的正确性。GPS滑坡监测是一种高效实用的方法。随着GPS定位技术的发展，仪器功能改进、各种解算模型的完善，GPS在滑坡监测中有非常广阔的应用前景。参考文献1 曾旭平.GPS滑坡高程监测的数据处理问题J.武汉大学学报（信息科学版），2010（3）.2 徐绍栓，李英冰.GPS用于滑坡监测的试验与研究J.全球定位系统，2003（1）.3 李志成.GPS技术在地表滑坡变形观测中的应用与实践J.重庆建筑，2003（6）.endprintGPS滑坡监测的监测点点位的选定原则应该能适合GPS观测条件
16、，并有效的反映滑坡变形的特征。具体地说，滑坡监测点应沿滑坡主滑线布设；监测点周围障碍物的高度角要小于15 ；监测点应远离大功率无线电发射源和高压输电线，以避免周围磁场对GPS信号的干扰。4 GPS监测网的监测以三峡库区地区某一滑坡体的监测为例，参照滑坡变形测量的要求，最终确定监测点的精度要求为 1mm ，按照基准网与监测网两级布设，滑坡体周围布设三个基准点，这些基准点位于该滑坡体两侧的稳定岩体上，变形监测点位于滑坡体变形明显的敏感部位，共设 6 个监测点，分别为 W1W6。所有点位均埋设测量墩，采用强制对中装置，测量墩上设置天线指向标志。为减少仪器误差的影响，对于每个点只用同一台仪器进行观测，天线指向与标志对齐，精密测量天线高。由于滑坡监测的目的是监测点位的变化量，而不
