GNSS技術在城市邊坡監測中的應用

熊寄然

（重慶悅來投資集團有限公司，重慶 401120）

0 引言

我國是地質災害頻發的國家，而滑坡是一種常見、多發的地質災害現象，被認為是僅次于地震的第二大地質災害。據統計，我國共發育有大型滑坡140余處，較大滑坡2212處以上[1]。

滑坡廣泛被認為是在一定環境下斜坡巖土體在重力的作用下，由于受到內、外因素的影響，使其沿著坡體內一個（或幾個）軟弱面（帶）發生的剪切下滑現象[2]。近幾年，我國地質災害頻發，滑坡、泥石流等地質災害嚴重威脅到人民的生命財產安全。如何對已知的、有滑坡趨勢的滑坡體進行監測，掌握其穩定性狀態并及時進行預警，是一項急切的任務。

GNSS作為現代大地測量的一種高技術手段，具有高精度、高可靠性、高效率、自動化程度高以及勞動強度低等特點。利用GNSS對滑坡體監測，從理論到實際，都已通過若干實驗檢驗，其完全可以作為一種新的監測技術應用到工程實際中去。本文以重慶悅來場館邊坡GNSS監測為例，介紹了GNSS技術在滑坡監測中的應用以及使用Trimble Business Center（以下簡稱TBC）軟件對GNSS數據的解算過程。

1 工程概況

重慶悅來場館邊坡位于重慶市悅來國際博覽中心西側，為高填方邊坡，邊坡高差約50m，長度約1200m。

該邊坡處于嘉陵江東岸，為建設重慶國際博覽中心場館土石方平場時形成的高填方邊坡，由于填方量巨大，土體尚未完成固結沉降，通過邊坡頂部濱江路面出現的局部裂縫顯示，受雨水沖刷及嘉陵江周邊水體影響，填土的物理力學性質降低，該邊坡存在滑坡的跡象，開展邊坡實時監測是必要的。特別在江水水位抬高后，填方土體在地下水作用下，物理力學性質降低，以及在水壓力作用下，可能產生順層基巖滑坡。

2 GNSS測量原理

GNSS的全稱是全球導航衛星系統 （Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的衛星導航系統，包括全球的、區域的和增強的，如美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗衛星導航系統，以及相關的增強系統，如美國的WAAS（廣域增強系統）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導航重疊系統）和日本的MSAS（多功能運輸衛星增強系統）等。

各個導航衛星系統主要包括三部分：地面控制中心、導航衛星、GPS接收設備。主要功能：定位、導航、授時。

GNSS測量原理為，通過偽距或載波相位測量方式測定衛星與接收機設備之間的距離，通過一系列算法和計算模型剔除電離層、衛星鐘差、接收機鐘差等因素的影響，從而獲得高精度星地距。再通過GNSS基線網平差，得到mm級點位精度成果。目前已廣泛應用于大范圍滑坡體的位移監測。

GNSS監測與傳統全站儀監測相比，具有高效、快速、實時、大范圍、自動化等優點，全站儀監測要求點位通視，距離限制較短。因此，在大范圍的滑坡監測中，GNSS自動化監測是首選。

2.3 RANK基因甲基化與新疆漢族、維吾爾族、哈薩克族老年男性高密度脂蛋白膽固醇相關性 在新疆維吾爾族、哈薩克族老年男性中，對照組RANK基因CpG島甲基化率低于病例組，差異有統計學意義（P＜0.05）；在漢族老年男性中，對照組RANK基因CpG島甲基化率低于病例組，差異無統計學意義（P＜0.05）。見表3。

3 GNSS監測網設計

GNSS監測網點的設計包括基準點的設計和監測點的設計[3]，GNSS監測網基準點點位的確定原則要充分考慮到：

①地質條件好，點位穩定；

② 適合GNSS觀測條件，并無顯著多路徑效應；

③盡可能選用經實踐證明點位穩定的原滑坡區域內的基準網點。因原基準點都經過地質勘探，且建有穩固的觀測墩，便于穩定性分析。

GNSS滑坡監測的監測點點位的選定應該能適合GNSS觀測條件，并有效地反映滑坡變形的特征。具體地說，滑坡監測點應沿滑坡主滑線布設；監測點周圍障礙物的高度角要小于15°；監測點應遠離大功率無線電發射源和高壓輸電線，以避免周圍磁場對GNSS信號的干擾。

鑒于悅來場館邊坡存在的高差較大、植被茂密、山體坡度大的特點，在設計監測網時充分考慮到植被、水體等容易產生的多路徑影響，故布設了四個基準點。這些基準點位于離邊坡3km左右的穩定巖體上，其中PM11-PM08基線之間距離最長（3.5km），PJ01-PJ02基線之間距離最短（200m），另外有一個用于加密控制網的點PJ01（圖1）。變形監測點位于滑坡體變形明顯的敏感部位，共設15個監測點，分別為PJ01—PJ15。所有點位均埋設測量墩，采用強制對中裝置，測量墩上設置天線指向標志。為減少儀器誤差的影響，對于每個點只用同一臺儀器進行觀測，天線指向與標志對齊，精密測量天線高。

圖1 GNSS基線網圖形

4 數據處理

4.1 GNSS數據

數據選用2018年8月、2018年11月、2019年2月三期GNSS數據，使用的儀器為8臺Trimble R8型接收機。

觀測方法為，對作為基準站的PM11和PM08兩點連續觀測，其余4臺接收機接收數據時，保證和監測點、基準站構成同步環。因此，每天只能完成兩個基準站和4個監測點的觀測。完成PJ01—PJ15點的觀測任務需要四天時間，第五天對前期觀測數據不好的點補測。

4.2 解算軟件

軟件使用TBC對監測數據進行解算。平差使用武漢大學CosaGPS軟件。運用精度評定和可靠性檢驗，保證平差結果的質量。

4.3 數據解算

全部GNSS數據導入TBC之后，首先對每個點進行檢查，檢查各個點的天線高，查看點位的內可靠性，剔除觀測數據中的錯誤點號。

GNSS基線解算主要參數設置：①衛星鐘差的模型改正使用廣播星歷中的鐘差參數[4]；②根據由偽距觀測值計算出的接收機鐘差進行鐘差的模型改正；③電離層折射影響用模型改正，并通過雙差觀測值來削弱；④對流層折射根據標準大氣模型用Hopfield模型改正；⑤衛星截止高度角15°，數據采樣率均為15s；⑥DOP值、方位角、高度角存儲率為數據率的20%；⑦周跳的修復，根據滑坡短基線的特點，采用L1、L2雙差擬合的方法自動修復周跳；若采用上述方法仍然得不到固定解，則在“結果”欄中，分析該監測點殘差，再返回到“GNSS處理”欄，選擇消除電離層（L3）[5]，再解算就可得到好的結果；⑧為避免起始坐標偏差的影響，在每期解算中，起始點坐標均采用TM30精密測得的結果。

采用PM11、PM08再加一個監測點構成同步環（三角形）解算，如：PM11-PM08-PJ01、PM11-PM08-PJ02等。這樣就可以減弱監測點本身由于信號差帶來的影響，增強同步環的圖形強度，從而得到各個監測點的最優基線解。

解算完基線后再到“平差”欄中對基線網平差、閉合環進行計算，在網平差報告里可分析基線向量和殘差等指標，在閉合環報告里可得到閉合環的精度。

經過無約束平差后再經過基準/投影進行坐標轉換，得到地方坐標系下的坐標。

5 解算結果與分析

5.1 GNSS監測成果分析

通過對第2、3期監測成果對比分析，可得到各點位在X、Y方向上變形量均在mm級，在H方向變形量稍大，量級約cm級，整體而言，在X、Y方向上精度優于H方向。各監測點位移量如表1所示。

5.2 GNSS與全站儀監測成果對比分析

為了驗證GNSS監測成果的可靠性，在GNSS監測點位上架設自動化全站儀實施同點位監測。選取其中的監測點位PJ02、PM08、PM11三個點位的坐標成果進行對比，成果對比如表2所示。

表1 監測點位移量

表2 GNSS與全站儀精度對比

從表1對比可以得到：第二期相對第一期在平面上的位移量最大為16mm，最小為0，高程方面最大11mm，最小1mm；第三期相對第二期在平面上的位移量最大為16mm，最小為1mm，高程方面最大6mm，最小0。監測點在X、Y、H方向的位移量如圖2—圖4所示。從表2 GNSS與全站儀監測精度對比可以得到：GNSS監測精度與全站儀相當，且成果穩定性較好。根據《工程測量規范》[6]的規定，平面和高程完全符合規范的規定，說明邊坡是相對穩定的。

圖2 監測點X方向位移量

圖3 監測點Y方向位移量

圖4 監測點H方向位移量

6 結語

通過對重慶悅來會展場地邊坡的三期GNSS監測數據進行分析，可以得到：GNSS監測技術精度與全站儀監測精度接近，在諸如大范圍、長距離邊坡監測中可替代全站儀。GNSS監測的高精度、高可靠性、高效率是值得肯定的。

但GNSS監測系統也存在自身設備及監測系統的局限性，如：GNSS接收機必須安裝在較開闊的位置，以便于接收到足夠的衛星信號解算監測點變形量。

為了解決GNSS監測系統局限性問題，工程上可將GNSS監測系統結合自動全站儀，將GNSS設備無法實施的位置用全站儀實施監測。