全站儀差分法在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用

彭美玉

（上海市巖土工程檢測中心，上海 200436）

0.引言

我國是地質(zhì)滑坡災(zāi)害頻發(fā)的國家，由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生具有突發(fā)性且較難預(yù)防的特點，采取預(yù)防監(jiān)測技術(shù)手段，最大程度獲取連續(xù)的空間變化數(shù)據(jù)，對發(fā)現(xiàn)潛在的山體邊坡穩(wěn)定性隱患及時預(yù)測預(yù)報、對預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生等具有重要意義。地質(zhì)滑坡監(jiān)測的方法多種多樣，精度各異；近年來，國內(nèi)外學者進行了大量研究，得出了一些有益的結(jié)論。劉韜[1]以貴州省大方縣德興煤礦滑坡為研究對象，采用GNSS 方法設(shè)計了自動化監(jiān)測系統(tǒng)，并繪制了德興煤礦滑坡位移-時間曲線對滑坡結(jié)果進行了預(yù)測，該方法能夠?qū)崟r反映出被監(jiān)測對象的變化信息，其優(yōu)點是水平監(jiān)測精度高；缺點是垂直監(jiān)測精度低于水平精度2～3 倍，需要多個測站聯(lián)測；適用于對空通視條件好的滑坡區(qū)域。劉錦程[2]使用三維激光掃描儀對清涼寺公園內(nèi)的一處滑坡進行監(jiān)測，最后證明能夠滿足三等監(jiān)測的精度要求，該方法能夠獲得變形體大量面狀點云數(shù)據(jù)，能夠反映基于面的變化信息。胡運海[3]將近景攝影測量技術(shù)運用到滑坡監(jiān)測中并與全站儀監(jiān)測結(jié)果進行比較，證明了該方法能夠?qū)麦w進行快速、準確、高效地監(jiān)測，提供了一種技術(shù)方向。但該方法受相片質(zhì)量、相機參數(shù)等影響較大。康亞[4]使用多種InSAR 技術(shù)對西南山區(qū)滑坡進行監(jiān)測，證明了InSAR 技術(shù)可獲取較高精度的滑坡監(jiān)測結(jié)果。并能夠提供滑坡體的時間序列變化結(jié)果。卞煥[5]使用智能全站儀對礦山邊坡進行了監(jiān)測，得到了很好的監(jiān)測效果。上述五種監(jiān)測方法各有優(yōu)勢，但也存在一定的不足之處，不同的項目應(yīng)根據(jù)項目要求和經(jīng)費情況選擇合適的監(jiān)測方法。

本文主要介紹一種傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，即全站儀距離差分法，該方法較上述五種方法的優(yōu)勢在于觀測精度更高，能夠達到毫米級，外業(yè)觀測工作量小，內(nèi)業(yè)計算方便，無需更多的軟硬件支持。

1.全站儀測量誤差來源與消除

1.1 全站儀測距誤差來源

使用全站儀對滑坡體進行監(jiān)測，其主要誤差來源包括下列3 個方面：（1）儀器本身的誤差，該誤差可以通過儀器校準的方法測定；（2）人為觀測引入的誤差；（3）氣象因素對測量的影響，這也是全站儀測量的主要誤差來源，全站儀測量時發(fā)出的電磁波受到大氣折光的影響會發(fā)生豎向或橫向的彎曲，測量得到的結(jié)果較真實距離偏大。因此，氣象改正的主要目標就是消除或減弱大氣折光對電磁波測距的影響。

1.2 全站儀測量誤差的減弱與消除

全站儀進行測量時，由于周圍環(huán)境中的風力、溫度、氣壓和大氣折光系數(shù)是實時變化的，我們很難準確測出各種影響因素。故在測區(qū)面積不大的情況下，短時間內(nèi)測量時我們可以認為周圍環(huán)境是穩(wěn)定的。即使這樣，也給測量結(jié)果帶來了諸多不穩(wěn)定因素，當檢測點位較多時，我們可以分周期進行，采用差分的思想測量。具體操作如下：（1）將被監(jiān)測點分成若干周期；（2）每一周期同時觀測監(jiān)測點和若干基準點；（3）計算出測站點與各基準點之間實際值與初始值各自的差值；（4）利用步驟（3）的差值改正各監(jiān)測點的距離、高差和方位角。

2.數(shù)學函數(shù)模型

2.1 距離差分法

對于小區(qū)域的短時間測量工作，基準點間的距離是穩(wěn)定不變的，我們應(yīng)用原基準點信息和周期內(nèi)測得的基準點間的距離差值，按照距離差分法對監(jiān)測點邊長改正，無需測量氣象因素。

假設(shè)原基準點間的已知距離為d0，某一個周期內(nèi)觀測得到的距離為d1，則該周期內(nèi)由氣象變化引起的距離變化為：

則氣象改正系數(shù)：

如果觀測了n 個基準點，則取平均值為：

則測站點與監(jiān)測點的距離改正公式為：

2.2 水平距離和高差的計算

由于滑坡體比較陡峭，測站與目標間的高差都很大，全站儀測量的高差和斜距會受到地球曲率和大氣折光的影響，我們需要對垂直角修正進行計算。計算公式如下[5]：

式（5）中，K 是大氣折光系數(shù)，DM為平距，HM為高差，ρ 取值206265，R 為地球半徑（6369km），β 為垂直角，SM為改正后斜距。

2.3 球氣差對高差測量精度的影響及改正

為了精確求得監(jiān)測點在豎直方向的變化信息，在單向測量中，要盡量消除或減弱球氣差對高差的影響。其計算公式參考文獻[6]。

2.4 水平方向角度的差分改正

水平角度測量過程中，由于大氣水平折光和水平度盤零方向的變化等因素的影響，全站儀轉(zhuǎn)動過程中儀器也不是絕對的平穩(wěn)，觀測的水平角度需進行差分改正消除這些誤差。在實際工作中，應(yīng)取多個基準點方位角改正值的平均值作為檢測點的改正數(shù)Δα。設(shè)檢測點在第i 周期的方位角為α'M，則同周期內(nèi)觀測有下列公式：

3.工程應(yīng)用實例

3.1 工程概況

某項目位于上海松江地區(qū)，根據(jù)上海地區(qū)地質(zhì)條件及地質(zhì)環(huán)境特征，開展以排查隱患和預(yù)防災(zāi)害為目的的山體邊坡穩(wěn)定性調(diào)查，經(jīng)現(xiàn)場踏勘確定了某坡度較陡的山體出現(xiàn)了一些裂縫和小型落石情況，由于該山體毗鄰人類活動密集區(qū)域，周邊建筑工程活動頻繁，如果遇到強烈震動或臺風暴雨天氣，可能會發(fā)生落石或小范圍崩塌，對人們的生命和財產(chǎn)造成一定的威脅，故開展山體滑坡監(jiān)測具有一定的社會效益。

3.2 監(jiān)測儀器的選擇

（1）GNSS 接收機4 臺套：用于測量基準點的平面坐標。

（2）徠卡TS30 全站儀一臺套（測距精度0.6mm＋1ppm，測角精度為0.5″），用于測量監(jiān)測點的變形量。

（3）Trimble Dini03 電子水準儀：用于測定基準點的高程。

（4）南方Cass9.1 繪圖軟件。

（5）測斜儀若干：用于滑坡體內(nèi)部位移監(jiān)測。

3.3 基準點與監(jiān)測點的布設(shè)

在變形影響區(qū)域之外穩(wěn)定可靠的位置布設(shè)了四個帶有強制歸心裝置的觀測墩作為基準點Z1、Z2、Z3、Z4，（如圖1 所示），基準點坐標通過GNSS 靜態(tài)測量和水準測量的方式獲取（在后續(xù)監(jiān)測過程中視為已知坐標），在邊坡變形區(qū)域布設(shè)了10 個監(jiān)測點，并采用圓棱鏡埋設(shè)，點位分布立面圖（如圖2 所示）。監(jiān)測點布設(shè)在邊坡變形特征明顯的部位，能夠反映出變形體的變化特征。

圖1 基準點

圖2 監(jiān)測點立面圖

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集集

因為差分改正法要求較短時間內(nèi)完成一個周期的測量，現(xiàn)將監(jiān)測點分成兩組觀測。每個周期內(nèi)，將基準點Z1 作為測站點，Z4 和其他變形點作為監(jiān)測點，Z2、Z3 作為基準點，用Z4 的實測結(jié)果與已知坐標比較來驗證測量精度。

3.5 數(shù)據(jù)處理與精度分析

每周期內(nèi)Z4 測量結(jié)果與已知坐標比較（如表1 所示），差分改正后結(jié)果與已知坐標比較（如表2 所示）：

表1 Z4 實測結(jié)果與已知結(jié)果較差

表2 Z4 差分改正結(jié)果與已知結(jié)果較差

由表1 可知，由氣象元素變化等因素的影響，測量得到的斜距、高差、水平方向角出現(xiàn)了不規(guī)律的變化。結(jié)合表1 和表2 數(shù)據(jù)分析，差分改正結(jié)果與已知坐標差值非常小，從而可以推斷出其余監(jiān)測點的精度與Z4一致。能夠反映出變形體的微小變化。

4.結(jié)束語

文章分析了滑坡監(jiān)測中幾種監(jiān)測方法的優(yōu)缺點，針對精度要求較高的項目，宜選擇全站儀差分法進行測量，經(jīng)過差分改正后的測量結(jié)果可以達到毫米級的測量精度。該方法的主要優(yōu)點在于外業(yè)觀測可以不記錄溫度、氣壓、濕度等氣象數(shù)據(jù)，從而大大減少了外業(yè)工作量，在精度方面較其余幾種方法有所提高，對于監(jiān)測頻率較高的項目，可以基于全站儀差分法開發(fā)自動化監(jiān)測系統(tǒng)。此方法也可以應(yīng)用到大型建筑物的變形監(jiān)測，比如風力發(fā)電機變形監(jiān)測、大型場館建筑或歷史保護文物等的監(jiān)測。