GPS結(jié)合GPRS在滑坡體變形數(shù)據(jù)采集中的應用

李元元 張維科 張文君 向 丹 金宇偉

(1.西南科技大學環(huán)境與資源學院 四川綿陽 621010；2.宜賓市工業(yè)職業(yè)技術學校 四川宜賓 644001)

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GPS結(jié)合GPRS在滑坡體變形數(shù)據(jù)采集中的應用

李元元1張維科1張文君1向 丹2金宇偉1

(1.西南科技大學環(huán)境與資源學院 四川綿陽 621010；2.宜賓市工業(yè)職業(yè)技術學校 四川宜賓 644001)

介紹了GPS結(jié)合GPRS滑坡變形數(shù)據(jù)采集法的工作原理。以四川省都江堰市塔子坪滑坡為例，結(jié)合實地觀測數(shù)據(jù)驗證了該方法用于滑坡監(jiān)測的可行性。通過與常用方法對比，闡述了GPS結(jié)合GPRS法的優(yōu)勢。實踐證明，該滑坡監(jiān)測方法時效性強、監(jiān)測精度高、效率高。

GPS GPRS 滑坡 變形數(shù)據(jù)采集

滑坡是一種嚴重的地質(zhì)災害。我國是滑坡多發(fā)的國家之一。近年來，隨著我國經(jīng)濟建設的蓬勃發(fā)展，鐵路、公路、水利、礦產(chǎn)資源開發(fā)等大量工程設施不斷興建以及自然環(huán)境不斷變化。受這些因素影響，滑坡災害頻繁發(fā)生，引發(fā)了大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。如我國西南某山區(qū)，每年由于泥石流滑坡等自然災害造成的人員死亡都在200人以上，造成直接經(jīng)濟損失高達10億元，其相應的間接經(jīng)濟損失更是在100億元以上[1]。因此滑坡監(jiān)測對于國民經(jīng)濟建設和社會穩(wěn)定具有重大意義。減少、防治滑坡，除了加大對其形成機理和防治措施的研究之外，建立一種可行、高效的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也是十分重要的[2]。傳統(tǒng)的滑坡監(jiān)測手段較多，如精密大地測量法、宏觀地質(zhì)監(jiān)測法、InSAR法等，但由于這些方法都局限于某個時間點在現(xiàn)場的觀察結(jié)果，不能實時全天候掌握滑坡的漸變情況，而且成本較高、對現(xiàn)場考察人員的專業(yè)技術水平要求高[3]。本文在介紹塔子坪滑坡變形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理的同時，通過對觀測數(shù)據(jù)的分析，驗證該方法的可行性。

1 GPS結(jié)合GPRS滑坡變形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

目前基于GPRS網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)采集技術已經(jīng)很成熟了，基于GPS差分定位測量原理與方法，結(jié)合高速計算機技術、太陽能技術與GPRS網(wǎng)絡，使得滑坡位移的遠程、實時、高精度的全天候自動化監(jiān)測成為現(xiàn)實[4]。一個完整的GPS結(jié)合GPRS滑坡變形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由GPS數(shù)據(jù)采集模塊和GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。

1.1 GPS數(shù)據(jù)采集模塊

GPS數(shù)據(jù)采集模塊基于GPS相對靜態(tài)定位原理設計。其工作原理如圖1所示。將基準站安置在滑坡體外地基穩(wěn)定的點上，監(jiān)測點固定在滑坡體上[5]。基準站和監(jiān)測點均通過同一組衛(wèi)星進行觀測。基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測的載波相位數(shù)據(jù)、偽距數(shù)據(jù)、基準站的已知坐標等傳送給監(jiān)測點。監(jiān)測點通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)實時差分處理，得到監(jiān)測點毫米級定位結(jié)果[6]。

圖1 GPS數(shù)據(jù)采集模塊工作原理圖Fig.1 The working principle of GPS data acquisition module

1.2 GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊

GPRS是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，提供端到端的廣域無線IP連接。其核心網(wǎng)絡采用IP技術，能向用戶提供Internet所能提供的一切功能。如果用戶擁有一個電話號碼，也將會擁有一個固定或動態(tài)分配的IP地址，通過IP地址便能方便地實現(xiàn)與Internet公網(wǎng)的無縫連接。在每個GPS監(jiān)測設備中均加入GPRS無線模塊，GPS數(shù)據(jù)采集設備采集的原始數(shù)據(jù)便可通過GPRS網(wǎng)絡實時、穩(wěn)定地傳輸至監(jiān)控終端，同時監(jiān)測設備終端也能通過GPRS網(wǎng)絡及時地響應監(jiān)控終端發(fā)送的控制指令。GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊原理如圖2所示。

圖2 GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊原理Fig.2 GPRS data transmission module principle

2 GPS結(jié)合GPRS在塔子坪滑坡的應用

2.1 滑坡體介紹

該滑坡體位于四川省都江堰市虹口鄉(xiāng)東南部。滑坡地貌屬白沙河谷右岸斜坡地貌，滑坡體主要以土層為主夾雜碎石。經(jīng)過多年的整修、加固，目前該滑坡體已經(jīng)相對穩(wěn)定。但5·12地震和4·20地震發(fā)生后，山體受損嚴重，坡體堆積物結(jié)構(gòu)松散。加之該區(qū)降水量較多，在雨水及上部匯水的沖刷等不利因素的影響下，將對整個滑坡區(qū)的穩(wěn)定性造成影響，可能誘發(fā)滑坡整體失穩(wěn)。

2.2 滑坡監(jiān)測網(wǎng)布設

根據(jù)塔子坪滑坡體的特點，共布設4個點。在當?shù)卮鍟浖覙琼斏喜荚O基準點，基準點編號為base。監(jiān)測區(qū)共布設3個監(jiān)測點，分別在滑坡的底部、中部、上部上布設，編號分別為GPS01，GPS02，GPS03。監(jiān)測點的布設如圖3所示。

2.3 監(jiān)測設備安裝

塔子坪滑坡當?shù)厝藛T復雜，設備防盜、安全問題無法得到保障，而整個監(jiān)測系統(tǒng)又必須全天候、實時工作。因此在每個監(jiān)測點上都設有4.5 m高的觀測墩，同時還設計了用于保護設備的機箱和防雷裝置。此外，綜合考慮塔子坪滑坡地處偏僻、無電力線直達的實際情況和成本因素，采用了以太陽能供電為主、蓄電池為輔的供電方式。

圖3 基準站監(jiān)測點位置的布點圖Fig.3 Base station monitoring point distribution map

2.4 數(shù)據(jù)采集傳輸

監(jiān)測設備安裝完成后，GPS數(shù)據(jù)采集設備持續(xù)、穩(wěn)定、可靠地采集各個監(jiān)測點的原始測量數(shù)據(jù)，設置好相應GPRS無線傳輸模塊參數(shù)后(模塊參數(shù)設置見表1)，該模塊將每隔10 s由中國移動GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到Internet公網(wǎng)網(wǎng)絡。然后通過域名解析，監(jiān)控中心便可從公網(wǎng)Internet獲取觀測數(shù)據(jù)進行分析。

2.5 數(shù)據(jù)分析

選取3個監(jiān)測點在2014年8月12日上午11時和2014年10月12日上午11時的GPS觀測數(shù)據(jù)，和大致同時間用全站儀測量得到的數(shù)據(jù)進行對比，監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)見表2。

表1 GPRS傳輸模塊參數(shù)設置Table 1 Settings parameters of GPRS transmission module

表2 監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)Table 2 The observed data of monitoring points

通過對GPS觀測數(shù)據(jù)和全站儀觀測數(shù)據(jù)進行對比，我們可以看出GPS差分定位技術結(jié)合GPRS網(wǎng)絡遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所得到的結(jié)果和全站儀得到的結(jié)果基本相同，雖然全站儀具體的觀測時間和GPS相比沒有那么準確，但對于整個滑坡來說可以忽略，由此可說明此方法可以用于滑坡監(jiān)測。

然后我們再通過數(shù)據(jù)軟件選取GPS02監(jiān)測點在2014年9月13日的數(shù)據(jù)進行分析，得到GPS02監(jiān)測點一天中每間隔3 h的位移變化曲線，曲線見圖4。從圖4我們可以看到GPS02監(jiān)測點在一天中的實時位移變化量，說明此方法可以實現(xiàn)滑坡體的實時監(jiān)測分析。

圖4 2014年9月13日GPS02矢量偏移曲線Fig.4 The vector offset curve of GPS02 in September 13, 2014

通過對表2數(shù)據(jù)中的兩個間隔點的GPS觀測數(shù)據(jù)進行分析(分析結(jié)果見表3)，我們發(fā)現(xiàn)滑坡體形變的平面位移、垂直形變量均為毫米級，說明該滑坡體經(jīng)加固整修后，已經(jīng)相對穩(wěn)定，驗證了該方法可以用于滑坡監(jiān)測。

表3 形變量分析結(jié)果Table 3 Deformation analysis results

3 GPS結(jié)合GPRS法的優(yōu)勢

3.1 常用滑坡變形數(shù)據(jù)采集方法對比

目前常用的方法主要有精密大地測量法、宏觀地質(zhì)監(jiān)測法和InSAR法。其優(yōu)缺點如表4所示。

3.2 GPS結(jié)合GPRS法的優(yōu)勢

隨著科學技術的飛速發(fā)展，滑坡變形數(shù)據(jù)采集的方法也逐步向自動化、全天候、實時化、高精度及遠程化的方向發(fā)展。由表4可知上述幾種常用的方法均有一定的局限性。采用GPS結(jié)合GPRS法可彌補其缺點，具有以下顯著優(yōu)勢：(1)可以全天候觀測，智能化、自動化采集數(shù)據(jù)，工作量小、勞動強度低。GPS測量本身就具有定位精度高、觀測時間短、全天候作業(yè)、自動化、操作簡單的特點[7]；(2)數(shù)據(jù)精度高，真實地反映滑坡體的動態(tài)變化趨勢。GPS工程精密定位應用實踐已經(jīng)證明，GPS相對定位的精度的解其平面位置誤差小于1 mm[8]；(3)可以進行遠距離傳輸和監(jiān)控，更適用于危險地區(qū)的滑坡監(jiān)測，無需人員進入危險的滑坡地區(qū)觀測。采用GPRS技術，可進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，這對于危險地區(qū)滑坡監(jiān)測更為有利；(4)數(shù)據(jù)實時傳輸、質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，且傳輸安全。GPRS技術具有實時在線、傳輸速率快等優(yōu)點，在傳輸過程中減小了數(shù)據(jù)丟失、延遲的影響[9]；(5)建設、運營成本低廉，經(jīng)濟性強。GPRS數(shù)據(jù)傳輸計費方式是按流量計費，運行成本較低。

表4 常用滑坡變形數(shù)據(jù)采集方法的優(yōu)缺點Table 4 The advantages and disadvantages of the common data collection method of landslide deformation

4 結(jié)論

通過實地應用驗證了GPS結(jié)合GPRS用于滑坡體變形數(shù)據(jù)采集是可行的，可以滿足滑坡體變形數(shù)據(jù)采集的要求。相對于其他常用采集方法，該方法具有全天候、高精度、遠距離實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)勢，非常適用于滑坡監(jiān)測。同時，該方法也有以下一些不足之處仍需改進：(1)在GPRS網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)過程中，由于是遠距離數(shù)據(jù)傳輸，如何進一步降低數(shù)據(jù)的丟包率，提高數(shù)據(jù)的可靠性；(2)在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面仍需做大量的測試，以進一步提高GPS結(jié)合GPRS滑坡變形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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Application of GPS Combined with GPRS in Data Acquisition of Landslide Deformation

LI Yuan-yuan1, ZHANG Wei-ke1, ZHANG Wen-jun1, XIANG Dan2, JIN Yu-wei1

(1.SchoolofEnvironmentalEngineeringandResources,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010，Sichuan,China;2.YibinCityIndustrialOccupationTechnicalSchool,Yibin644001,Sichuan,China)

The working principle of GPS combined with GPRS data acquisition method of landslide deformation was introduced. In Dujiangyan City, Sichuan Province TA Zi Ping landslide as an example, the feasibility of landslide monitoring is verified combined with field observation data. By contrast with common methods, the advantages of GPS in combination with GPRS method were expounded. The practice proved that, the method of strong timeliness, high monitoring precision, high efficiency, and is very suitable for landslide monitoring.

GPS; GPRS; Landslide; Deformation data acquisition

2014-11-15

“十二五”國家科技支撐計劃(2011BAK12B02)。

李元元(1990—), 男，碩士研究生。E-mail：1165197557@qq.com.通訊作者：張文君(1970—)，男，博士，教授，碩士生導師。E-mail:zhangwenjun@swust.edu.cn

P694

A

1671-8755(2015)02-0046-05