GPS在近壩區滑坡體監測中的應用

令曉博 黃 騰 張 東 朱 雷

(河海大學地球科學與工程學院)

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GPS在近壩區滑坡體監測中的應用

令曉博 黃 騰 張 東 朱 雷

(河海大學地球科學與工程學院)

通過對某滑坡體監測過程中數據的采集、處理、結果檢核試驗的介紹，介紹了GPS用于滑坡監測過程中遇到的各種問題，并提出了解決方案。將GPS監測數據處理試驗與高精度全站儀測量結果對比，在GPS信號干擾嚴重的復雜地帶，通過適當的數據采集、處理，仍能在X和Y方向達到較好的監測效果，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，也是極易發生地質災害的國家。21世紀以來，隨著我國經濟建設步伐的不斷加快，各種交通、水利等大型工程不斷開工，對自然環境造成了很大的影響，各種工程滑坡越來越頻繁。滑坡的成因主要是上覆巖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、山體等發生的大大小小的滑坡，尤其是近壩區類似于抽水蓄能水電站大壩周圍的巖體，因為水位的漲跌產生極大的不穩定[1]。因此建立健全滑坡監測體系尤為重要，傳統的滑坡監測方法有幾何水準和全站儀導線測量。由于滑坡體一般都在地形復雜、視線受阻的山體上，傳統的方法費時費力，GPS技術以其大范圍、實時性、連續性的優勢，在滑坡體監測中得到了極大的應用。

1 滑坡體GPS監測

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生剪切滑動的現象，包括自然邊坡和人工邊坡所形成的滑坡。邊坡的失穩所形成的自然災害給人們的生命和財產安全造成了極大的危害，這方面的例子屢見不鮮，因此完善滑坡監測方法十分有必要。邊坡監測經歷了從傳統的幾何水準、全站儀到近年來GPS成功應用于滑坡監測，取得了極大的成果。為了進一步降低GPS監測成本，河海大學何秀鳳教授等研制出來GPS一機多天線技術，通過專家學者的努力，GPS PPP技術、GPS RTK、GPS-InSar，三維激光掃描儀、攝影測量與遙感技術都應用到復雜近壩區滑坡監測中去，使得我國的滑坡監測手段多種多樣[2-6]，但目前GPS靜態測量和傳統的幾何人工測量仍占據主導。由于近壩區滑坡體一般都在地形地貌十分復雜的山上，且面臨壩區，使得GPS信號數據采集受到極大的干擾，衛星失鎖、多路徑效應嚴重[7-9]，使滑坡監測精度難以保證在毫米級。因此在極其復雜的地區，一般的GPS數據處理方法整體上很難達到預期的精度。

2 數據采集及處理[10-12]

2.1 試驗介紹

本次監測數據來自于國內某壩區附近山上的一處滑坡體。該壩區樹木生長茂密，一面臨壩，監測環境復雜，7個GPS監測點(JC1～JC7)，兩個基準點JZ01、JZ02分別布設在滑坡體的關鍵位置。為了保證數據的準確性，GPS數據處理結果的精度不僅僅使用GPS基線處理和網平差的點位測量精度作為唯一指標，而在布設監測點的同時，在對面的穩定基巖上布設了兩臺全站儀監測基點，使其能對監測點進行測量，達到兩種方法測量結果對比的效果。

2.2 數據采集與處理

通過對樹木遮擋嚴重、山坡和水面等復雜環境以及對往期數據的分析，可知造成GPS的主要誤差為信號干擾嚴重和多路徑效應使得衛星失鎖，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雜無規律的誤差。

前者誤差在數據采集過程中對接收機上方的遮擋物進行了處理，多路徑效應產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據的質量評價。表1為利用GPS預處理TEQC軟件對其中3個點多路徑效應的描述。

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定，存在嚴重的跳躍現象，這對GPS測量成果是極其不利的。表1為利用GPS數據預處理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，測站存在嚴重的多路徑效應。

圖1 某監測點衛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 數據采集措施

針對以上滑坡監測中實際問題，在數據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)由于觀測質量難以保證，使得整網平差的精度特別差，甚至會因為個別點的粗差將整網的精度拉低，不能真實的描述滑坡體的健康狀況。為此，將采集的數據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。由于各個監測點的位置環境都是固定不變的，因此每一期觀測的數據質量類似，所以在基線處理過程中根據數據的質量將基線分批次對期數據進行相同處理，然后進行網平差計算。

3 成果分析

經過上述數據處理，得到了各期的變化量以及累計變化量。取監測點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。從數據對比來看，在基于此數據處理方法在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。從數據處理的結構可以看出，GPS信號干擾嚴重的情況下對于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重，波動性大。

表2 監測點本期、累計變化量 mm

4 結 論

通過對干擾嚴重下采集的GPS靜態原始數據分析，針對誤差的組成情況，探尋合適的數據采集、數據處理方法，通過與高精度測量機器人測量結果對比，最終得到了可靠的數據。結果表明：在實際近壩區滑坡監測過程中，雖然觀測環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的清除，延長觀測時間等方法可獲得較好的觀測數據;在數據處理過程中,利用分塊構網將監測網按照一定的原則分塊處理、網平差，但變形監測GPS數據采集和處理方案要一致,以保證多期觀測數據精度統一。

圖2 GPS監測累計變化量與全站儀測量結果對比

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測需求，若提高監測頻率，其精度不一定就能完全準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，提高復雜地區滑坡體監測精度，仍然需要進行不斷的嘗試。

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2016-07-11)

令曉博(1991—)，男，碩士研究生，211100 江蘇省南京市江寧區佛城西路8號。