GPS在山體滑坡監測中的應用

李曉飛

摘 要：通過采用GPS測量方法對山體滑坡監測可行性進行論證，說明GPS觀測的大地高雖然有誤差，但同一時段觀測的大地高差值是一定值，即同時段的同步閉合環精度較好，我們可以利用這一原理，采用多臺同時GPS對山體滑坡進行觀測，觀測后采用高差變化的大小來衡量山體的沉降量，其測量方法簡單，效益可觀。在數據分析時引入過程線法進行山體滑坡過程分析，將山體沉降過程直觀的反應出來，使用者容易理解，便于做出正確的預案，防患于未然。

關鍵詞：山體滑坡； GPS；基準點；監測點；垂直位移；大地高差

1 山體滑坡監測的目的

某山區公路段，道路崎嶇，伴山而行，山體土質較松軟，遇到大暴雨，經常出現滑坡和山體塌方，給居住在附近的居民群的生命和財產造成了巨大損失，為了及時預測山體的滑坡與塌方，減少損失，受相關部門委托對不穩定山體進行監測。

2 山體滑坡監測的具體工作

相關部門之前已建立了，山體的變形監測基準點和監測點，本次工作重點是對基準點、監測點進行觀測，并對觀測值進行分析，確定山體滑坡的位移值，預測山體是否會發生滑坡或塌方。

3 采用GPS測量方法對山體滑坡監測可行性的論證

本工程具有詳細的設計文件，確定了觀測方法，即平面采用測量小機器人，高程采用四等水準進行觀測。隨著時間的流逝，多處山體出現塌方、多處山體被雨水沖出大溝，人行走都比較困難。由于本人長期從事對水庫變形監測工作，而水庫變形監測最常用的方法便是GPS測量方法，此方法監測水平位移可到毫米級，可垂直位移精度較差，不同觀測周期，觀測同一點的大地高可以相差幾米，甚至幾十米，那么此方法能完成垂直位移監測的任務嗎？為此我們將瑪納斯塔西河石門子水庫變形監測的觀測的GPS數據進行分析、比較發現，GPS觀測的大地高精度雖然較差，但各點的高差確是一定值詳見表1，由表1可見各點2011-2015年觀測的值與工作基點TS1的大地高差中差值最大的為ZB1-TS1為18.7mm、最小的為ZB2-TS1為4.7mm，扣除水庫沉降，和觀測中ZB1采用腳架觀測，測量儀器高的誤差，我們認為各點的大地高差值基本恒定，精度在毫米級，滿足三等水準的精度要求，可以滿足山體滑坡監測垂直位移的精度，因此我們只要將垂直位移基準由原來的水準高程，變換為測點與工作基點的高差，研究高差的變化，既是研究監測點的沉降變化。研究監測點沉降只有兩種情況：①監測點高于基準點時，基準點穩定，則高差絕對值變小，意味著監測點下沉，在這種情況下，監測點只有滑坡的可能性，因此高差絕對值只能變小，沒有變大的可能性；②監測點低于基準點時，基準點穩定，則高差絕對值變大，意味著監測點下沉，在這種情況下，監測點只有滑坡的可能性，因此高差絕對值只能變大，沒有變小的可能性。因此應將監測點分為兩類進行統計，即，a：高于基準點的監測點，b：低于基準點的監測點，分析時也按這樣兩類進行分析，就可以減少分析出錯的可能性。（表1）

通過上述研究我們認為采用GPS方法進行山體滑坡監測方法可行，為此我們將本次山體滑坡監測方案確定采用GPS方法進行觀測。

4 GPS 監測山體位移技術的實測

4.1 山體滑坡監測周圍環境

山體滑坡路段方圓兩公里內沒有高壓線，沒有大功率電臺，地勢開闊，便于GPS衛星信號的接受，有利于GPS觀測，為提高GPS觀測精度提供了有利的條件。

4.2 GPS測量采用的儀器及平差軟件

監測網布設為二級GPS網，采用目前最為先進的Trimble R8雙頻GPS接機（標稱精度3mm+0.5ppm×D）進行施測。觀測數據采用科傻平差軟件進行數據處理。

4.3 二等級GPS監測網的觀測

二等級GPS監測網的觀測嚴格按基準網及變形監測網均按（SL 197-2013）中相應的二等網觀測技術要求中的規定進行觀測，詳見表2。

表2 二等GPS觀測技術要求

[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][等級

二][衛星截止高度角（o）

20][同時觀測有效衛星數

≥4][觀測時段數

≥2][時段長度（min）

≥90][采樣間隔（s）

15～30][儀器高量取差值（mm）

≤3][數據剔除率

≤10]

4.4 GPS觀測數據的處理與平差

GPS基線解算采用TBC軟件，采用廣播星歷對基線進行處理，基線處理完成后，及時對復測基線差值、同步環、異步環閉合差進行檢查，確定精度合格后，導出基線，進行三維無約束平差（采用武漢大學所編《CosaGPS》）。

5 山體滑坡變形監測數據的分析

5.1 基準點穩定性的分析

山體滑坡變形監測共觀測四次，每次觀測前均對三基準點邊長和大地高差進行檢測（均采用GPS觀測），觀測數據統計見下表3（基準點GPS基線邊檢測統計表）、表4（基準點GPS大地高差的檢查）。

由表3可見，四次觀測三個基準點之間基線的差值很小，均在限差以內，說明三個基準點的相對位置關系沒變，基準點穩定可靠。

由表4可見，四次觀測三個基準點間高差的差值很小，均在5mm以內，說明三個基準點的相對位置關系沒有發生變化，基準點穩定可靠。

5.2 山體滑坡變形監測平差結果的分析

變形監測基準網共觀測四次，平差結果的統計見下表5（二等網GPS歷年觀測精度統計表）。由表5可見，四次觀測平差結果都在限差的一半以內，說明每次測量外業完成的較好，測量精度較高， GPS測量方法先進，應當大力推廣。

6 監測點沉降位移的統計與分析

結合以上四次測量成果，統計各監測點相對基準點K101大地高差值統計成果表6。

假定2015年6月1日觀測的各監測點與基準點K101大地高差值為初始值，計算各監測點沉降量值見表7a。

結合表7的數據繪制個監測點的沉降量位移過程線圖見圖1，監測點JD5、JD4沉降較為嚴重，此段滑坡的可能性較大。監測點JD1、JD2沉降較小，暫時不會出現滑坡。在這里由于篇幅原因只列出了比基準點低的監測點沉降量計算情況。

7 結束語

隨著我國北斗系統的發展，未來GPS接收機的價格會更低，采用GPS對山體滑坡監測成本大幅降低，而且GPS方法對山體滑坡進行監測，有操作簡單，精度較高等特點。隨著科學的發展，若能將無線藍牙技術傳輸與遙控太陽能電池板與GPS相結合，對山體等危險源進行監測，將大大減少測量人員的危險系數，使用前景廣闊，值得推薦。

參考文獻：

[1]李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理[M].武漢：武漢大學出版社，2013.1.

[2]徐紹銓，張海華，楊志強，王澤明.GPS測量原理及數應用[M].武漢：武漢大學出版社，2005.

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