淺析露天邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

□ 王忠瑋 朱青美 孫發(fā)豐

（三亞水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，海南 三亞 572000）

0.引言

由于人們對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量不斷提升，露天采礦的項(xiàng)目也在不斷增加。但是采礦區(qū)的地勢(shì)較為復(fù)雜，存在著許多陡峭、露天的邊坡，這種邊坡會(huì)受周?chē)h(huán)境的影響逐漸變化成滑坡。滑坡是一種十分危險(xiǎn)的地理災(zāi)害，嚴(yán)重影響到了人們的財(cái)產(chǎn)安全和生命安全。所以，我們需要對(duì)邊坡采取嚴(yán)密地監(jiān)控措施，分析其周邊巖石變動(dòng)的規(guī)律，預(yù)測(cè)其形成滑坡的可能性，并且可以通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，明確滑坡的發(fā)展動(dòng)態(tài)和形勢(shì)，方便日后采取有效的安全措施，確保采礦工作能夠安全、順利地進(jìn)行。

1.邊坡工程監(jiān)測(cè)的方法

1.1 全站儀

全站儀監(jiān)測(cè)法具有高精度、高速度、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單、節(jié)省人力的優(yōu)點(diǎn)，能夠自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)目標(biāo)，而且獲得的監(jiān)測(cè)信息量通常較多。這一技術(shù)能夠適用于不同變形階段的位移監(jiān)測(cè)；受地形通視條件限制，適用于變形速度較大的滑坡水平位移以及危巖陡壁處或者裂縫的變化監(jiān)測(cè)。全站儀容易受氣候條件影響。

1.2 測(cè)量機(jī)器人

測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有能夠自動(dòng)識(shí)別監(jiān)測(cè)對(duì)象的ATR功能，可以自動(dòng)搜尋、確定目標(biāo)，實(shí)行不同距離和角度的全自動(dòng)化測(cè)量，以此優(yōu)化傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方案，完善傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)理論，減少監(jiān)測(cè)人員的工作量。

1.3 GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)

精裝度高、投入速度快，操作便捷簡(jiǎn)單，能夠?qū)嵭腥旌虻谋O(jiān)測(cè)，不受通視條件以及地形的限制，當(dāng)前該項(xiàng)技術(shù)實(shí)施成本較高，但是未來(lái)的發(fā)展前景較為客觀。GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠適用于邊坡體不同變形階段地表三維位移監(jiān)測(cè)。

1.4 傳感器

傳感器是一種監(jiān)測(cè)裝置，可以感受到被測(cè)量信息，然后將這一信息依照規(guī)定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或者其他類(lèi)型的型號(hào)進(jìn)行輸出，從而使得信息的輸送、整理、存儲(chǔ)、顯示和控制的需求得到滿(mǎn)足。傳感器能夠獲得大量人類(lèi)肉眼所無(wú)法直接觀察到的信息，所以將傳感器應(yīng)用于邊坡監(jiān)測(cè)，能夠獲得更加豐富的形象，更夠優(yōu)化數(shù)據(jù)的精確度，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)效果的突破。

1.5 近景攝影測(cè)量

近景攝影測(cè)量方法是指非接觸測(cè)量的方法，其可以對(duì)變薄的變形狀況進(jìn)行測(cè)量，主要是要在邊坡體的附近選擇相關(guān)的控點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)，繞后對(duì)邊坡進(jìn)行拍攝，從而獲取相關(guān)的影像數(shù)據(jù)。近景測(cè)量還可以用到建筑物的傾斜和沉降、建筑物的變形以及開(kāi)裂，并且可以對(duì)開(kāi)裂的寬度進(jìn)行測(cè)量，從而獲取相關(guān)的變形信息。

1.6 三維激光掃描

三維激光掃描儀是一種非接觸式主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，可進(jìn)行大面積高密度空間三維數(shù)據(jù)的采集，具有點(diǎn)位測(cè)量精度高、采集空間點(diǎn)的密度大、速度快等特點(diǎn)，且融合了激光反射強(qiáng)度和物體色彩等信息。三維激光掃描儀通過(guò)脈沖測(cè)距法獲得測(cè)距觀測(cè)值，精密時(shí)鐘控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值和縱向掃描角度觀測(cè)值。對(duì)于邊坡（特別是高邊坡）可以進(jìn)行無(wú)接觸的大范圍的掃描，最終通過(guò)不同觀測(cè)時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析。

2.常規(guī)方法與GPS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用上的比較

常規(guī)大地測(cè)量與GPS變形監(jiān)測(cè)技術(shù)相比：可以適用于不同的監(jiān)測(cè)精度、不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境和不同的監(jiān)測(cè)體，并且可以提供絕對(duì)變形信息。但外業(yè)工作量比較大，無(wú)法全天候作業(yè)，布點(diǎn)容易受到地形條件的影響,測(cè)站間需要互相通視，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

近景攝影測(cè)量與GPS變形監(jiān)測(cè)技術(shù)相比：適用于不規(guī)則、規(guī)則物體的變形監(jiān)測(cè),能夠迅速地記錄下相關(guān)信息，且相片上的信息完整豐富，有利于進(jìn)行變形的對(duì)比分析。監(jiān)測(cè)工作快速、安全、簡(jiǎn)便。但因?yàn)榕臄z距離的限制，而且多數(shù)的測(cè)量機(jī)構(gòu)沒(méi)有攝影測(cè)量所需要的儀器，攝影測(cè)量技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中還沒(méi)有達(dá)到普遍的應(yīng)用。

GPS以其操作簡(jiǎn)便、高精度、高效率、全天候、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛被人們所使用。GPS變形監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：第一，在滑坡監(jiān)測(cè)方面，GPS可以解決很多常規(guī)性問(wèn)題，是掌握山體滑坡變形的重要手段。第二，該系統(tǒng)可對(duì)大型的構(gòu)筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有速度快、精度高、操作容易、不易受外界影響等特點(diǎn)，而且可以全天候的測(cè)出被測(cè)物體的三維坐標(biāo)變化，實(shí)時(shí)的掌握被測(cè)物體的三維點(diǎn)位變化規(guī)律，為大型建筑物的安全運(yùn)營(yíng)、維護(hù)保養(yǎng)提供可靠的信息。第三，GPS技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)大壩滑坡的變形監(jiān)測(cè)，而且能夠?qū)⑦@種監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。

3.GPS技術(shù)在露天邊坡變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容

3.1.1 選定變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)

露天邊坡的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的挑選將會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果帶來(lái)重大的影響，這需要實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)既具有代表意義，又能夠排除一切外部因素的干擾。而且，在選定露天邊坡的監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，既要分析目前礦區(qū)的邊坡地理狀況，又要考慮到具體邊坡的變形需求，要把監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置設(shè)定在相對(duì)穩(wěn)定的地方。

3.1.2 GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)

由于GPS同步觀測(cè)不需要點(diǎn)之間相互通視，因此GPS大大增加了GPS網(wǎng)形設(shè)計(jì)的靈活性。

根據(jù)不同的精度要求，GPS網(wǎng)的網(wǎng)形布局一般有點(diǎn)連式、邊連式、網(wǎng)連式及邊點(diǎn)混合連接幾種方式。GPS觀測(cè)中，3臺(tái)或3臺(tái)以上GPS接收機(jī)同步觀測(cè)所得到的基線(xiàn)向量叫做同步環(huán)，不是同步觀測(cè)所得到的基線(xiàn)向量叫做異步環(huán)。

點(diǎn)連式是指相鄰的同步觀測(cè)圖形之間只有一個(gè)公共點(diǎn)相連接，以這種方式布設(shè)的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)幾何圖形強(qiáng)度較低，而且有較少的異步環(huán)甚至沒(méi)有，通常不單獨(dú)使用這種方法布設(shè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

邊連式是指相鄰的同步觀測(cè)圖形之間只有一條公共基線(xiàn)連接。這種布網(wǎng)方式，幾何圖形強(qiáng)度較高，有較強(qiáng)的可靠性，而且會(huì)有足夠的異步環(huán)供網(wǎng)形精度監(jiān)測(cè)，所以在GPS布設(shè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)時(shí)，多數(shù)采用邊連式的方法。

網(wǎng)連式是指相鄰?fù)綀D形之間有兩個(gè)以上的公共點(diǎn)連接，這種方式需要4臺(tái)以上的接收機(jī)。這種布網(wǎng)圖形有很強(qiáng)的幾何強(qiáng)度和較高的可靠性，異步環(huán)也較多，但是這種布網(wǎng)方式的缺點(diǎn)是：會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間、經(jīng)費(fèi)，適用于高精度的變形監(jiān)測(cè)。

邊點(diǎn)混合連接式是指組成GPS網(wǎng)，既能保證網(wǎng)的幾何強(qiáng)度，提高網(wǎng)的可靠性，又能減少外業(yè)工作量，減少成本，是一種比較靠譜的布網(wǎng)方式。

設(shè)計(jì)出的GPS網(wǎng)形，根據(jù)網(wǎng)型結(jié)構(gòu)和接收機(jī)的精度指標(biāo)，能夠預(yù)算出所設(shè)計(jì)網(wǎng)形的精度，求出最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差?？紤]到還有觀測(cè)時(shí)段數(shù)，最后優(yōu)化出能滿(mǎn)足工作的最佳方案。

3.1.3 GPS監(jiān)測(cè)及其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

邊坡的數(shù)據(jù)收集一般使用的信號(hào)接收器為單頻雙頻GPS接收器，將其安裝在監(jiān)測(cè)的基點(diǎn)部位，然后對(duì)基點(diǎn)展開(kāi)長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)監(jiān)測(cè)，再用另一臺(tái)接收器安裝到其他監(jiān)測(cè)區(qū)域。監(jiān)測(cè)時(shí)間的安排是：核心監(jiān)測(cè)點(diǎn)為每次2小時(shí)，而且需要安排多個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段；普通的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為每次1小時(shí)，監(jiān)測(cè)的時(shí)間段通常也是1個(gè)。監(jiān)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)可以自行分析，統(tǒng)計(jì)出對(duì)應(yīng)的基線(xiàn)向量，然后對(duì)其結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)研究和分析，對(duì)那些變化值超過(guò)限定標(biāo)準(zhǔn)的位置要進(jìn)行再次測(cè)量。

3.1.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理和變形分析

GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的坐標(biāo)系為WGS-84，經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)模式為橢球高程、緯度和經(jīng)度等。在對(duì)露天邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)不需要對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以直接通過(guò)將不同階段的觀測(cè)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比就能夠計(jì)算出相對(duì)的變化量和差值。不過(guò)若是在GPS測(cè)量系統(tǒng)創(chuàng)建的前期，必須要用常規(guī)測(cè)量技術(shù)來(lái)計(jì)算監(jiān)測(cè)得到的數(shù)值，或者可以把GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)看做采礦工程的地理地質(zhì)測(cè)繪圖紙的探測(cè)點(diǎn)，這只需要將兩者的坐標(biāo)體系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把GPS系統(tǒng)使用的WGS-84坐標(biāo)體系變成采礦行業(yè)經(jīng)常使用的地方坐標(biāo)系即可，搭建出兩者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，就能夠?qū)Σ傻V地區(qū)的露天邊坡的變化狀態(tài)進(jìn)行分析。

3.2 監(jiān)測(cè)露天礦山邊坡變形狀況的GPS系統(tǒng)

露天邊坡的GPS自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)收集、傳遞以及加工3大功能模塊構(gòu)成（如圖1所示）。數(shù)據(jù)收集，GPS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集按照內(nèi)容的不同可以將其劃分為監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)兩大塊，而且需要使用3臺(tái)GPS接收器來(lái)支持其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通常為了使監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度有所保證，會(huì)在邊坡的監(jiān)測(cè)部位安裝2個(gè)接收器；數(shù)據(jù)傳輸，按照露天邊坡的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境傳遞GPS收集的數(shù)據(jù)，通常使用無(wú)線(xiàn)傳輸和有限傳輸相結(jié)合的方式；數(shù)據(jù)加工，由于露天邊坡的位置地點(diǎn)十分重要，而且具有一定的危險(xiǎn)性質(zhì)，所以需要對(duì)其采取持續(xù)的觀察和間斷性的觀察兩種監(jiān)測(cè)模式。GPS自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所收集到的邊坡數(shù)據(jù)可以通過(guò)接收機(jī)來(lái)將其傳遞至控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，并將這些處理后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行妥善的存儲(chǔ)。GPS系統(tǒng)能夠全自動(dòng)的發(fā)揮其監(jiān)測(cè)功能，使用衛(wèi)星每2個(gè)小時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，對(duì)邊坡的整體狀態(tài)進(jìn)行深層次的透析。

4.結(jié)束語(yǔ)

GPS技術(shù)對(duì)于露天邊坡的監(jiān)測(cè)而言具有十分重要的作用，隨著科技的發(fā)展和不斷進(jìn)步，GPS技術(shù)的使用成本會(huì)不斷降低，也能在露天邊坡的變形監(jiān)測(cè)中得到更加廣泛的使用。因此，人們應(yīng)當(dāng)加大力度了解和研究GPS技術(shù)在露天邊坡監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用方法。通過(guò)介紹露天邊坡中GPS技術(shù)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建、變形監(jiān)測(cè)方法以及監(jiān)測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理和變形分析等，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)掌握GPS技術(shù)的應(yīng)用提供幫助。