GPS技術(shù)在滑坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用探討

宋文強(qiáng)，鄧思楠，賈志宏，鄭志軍，陳韻騏，柯 江

(成都市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，四川成都 610042)

近年來，受地震、降雨、工程建設(shè)及人類活動等因素影響，我市西部龍門山區(qū)和東部龍泉山區(qū)存在較多地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，如滑坡、崩塌、泥石流等，時刻威脅人民群眾的生命及財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。為貫徹落實(shí)國家、省、市各級部門提出的“科學(xué)防災(zāi)”工作要求，當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害防治工作的重心是運(yùn)用高效、便捷、可靠的技術(shù)方法和手段對地質(zhì)災(zāi)害體進(jìn)行變形監(jiān)測，摸清其變化信息，揭示和預(yù)測坡體的變形趨勢，為減災(zāi)防災(zāi)、工程建設(shè)安全、環(huán)境保護(hù)等提供決策建議[3-4]。

1 滑坡變形監(jiān)測方法

滑坡變形監(jiān)測主要是通過獲取滑坡體特征點(diǎn)不同時期的三維坐標(biāo)，用作差的方式求取各點(diǎn)位變化值，進(jìn)而推算滑坡變形信息。利用傳統(tǒng)大地測量方式進(jìn)行變形監(jiān)測主要是用全站儀獲取點(diǎn)位平面二維坐標(biāo)、水準(zhǔn)測量獲取點(diǎn)位高程值。但滑坡等地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)多位于山區(qū)，高差起伏大，植被茂密、通視條件差，局部小氣候天氣常見、多云霧，故運(yùn)用全站儀、水準(zhǔn)儀等測量儀器進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集實(shí)施起來較為困難，操作繁瑣，且平面坐標(biāo)和高程需分開采集，效率較低。近年來隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，目前該技術(shù)具有全天候、實(shí)時、精度高、可同時獲取三維坐標(biāo)、測站間無需通視、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理自動化程度高等優(yōu)勢，可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)測量方式在山區(qū)滑坡變形監(jiān)測中的的限制和不足，減小勞動強(qiáng)度，提高工作效率。

本文主要從監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析四個方面闡述了GPS技術(shù)在滑坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用。

2 GPS技術(shù)在滑坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 滑坡概況

滑坡位于成都市西部龍門山地震斷裂帶上，屬推移式土質(zhì)滑坡，縱向長約300 m，橫向?qū)捈s220 m，前后緣高差約50 m?；麦w前緣周圍有10余戶農(nóng)戶和一條鄉(xiāng)村公路。近年來受周邊余震影響及雨水不斷沖刷、侵蝕，滑坡體上常發(fā)生局部變形，個別地方出現(xiàn)拉裂縫，目前處于為欠穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)

監(jiān)測網(wǎng)分兩級布設(shè)，包括監(jiān)測控制網(wǎng)和變形監(jiān)測網(wǎng)，監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)包括基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和變形監(jiān)測點(diǎn)三類點(diǎn)位。由于采用GPS技術(shù)無須測站間通視，故工作中僅需布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)和變形監(jiān)測點(diǎn)兩類點(diǎn)位。結(jié)合滑坡已有1∶2000數(shù)字化地形圖，本次在滑坡體影響范圍外穩(wěn)固區(qū)域選取基準(zhǔn)點(diǎn)3個(K1～K3)，在滑坡體上選取變形監(jiān)測點(diǎn)8個(J1～J8)，具體分布如圖1所示。

圖1 監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)分布示意

布設(shè)點(diǎn)位時需注意以下幾個方面問題：

(1)基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)分布在滑坡體影響范圍外穩(wěn)定區(qū)域，且利于長期保存，不易被破壞；變形監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)是滑坡體特征點(diǎn)，能反映整個滑坡變化情況。

(2)基準(zhǔn)點(diǎn)與變形監(jiān)測點(diǎn)均選用設(shè)有強(qiáng)制對中裝置的監(jiān)測墩埋設(shè)，以消除接收機(jī)對中整平誤差，同時避免了儀器高測量誤差。

(3)基準(zhǔn)點(diǎn)與變形監(jiān)測點(diǎn)周圍(直線距離200 m)應(yīng)無茂密樹木遮擋，無高壓輸電線、無通訊基站、無大面積水域。

2.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集采用3臺上海華測i80高精度雙頻GPS接收機(jī)，其平面測量精度為±(2+0.5×10-6×D) mm，高程測量精度為±(5+0.5×10-6×D) mm。測量時采用靜態(tài)測量模式，將其中兩臺接收機(jī)架設(shè)在基準(zhǔn)點(diǎn)上持續(xù)采集數(shù)據(jù)，另一臺按照采集時段要求輪流架設(shè)在各待測點(diǎn)上采集數(shù)據(jù)。

在對變形監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，首先應(yīng)對監(jiān)測控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行控制測量，獲取基準(zhǔn)點(diǎn)三維坐標(biāo)，以此作為后續(xù)各期數(shù)據(jù)處理中的已知起算數(shù)據(jù)。根據(jù)GB 50026-2007《工程測量規(guī)范》[5]、GPS測量原理及應(yīng)用[6]相關(guān)規(guī)定及本次監(jiān)測工程實(shí)例，測量時段、采樣間隔、高度截止角等測量參數(shù)要求具體規(guī)定見表1。

表1 數(shù)據(jù)采集要求

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用與GPS接收機(jī)配套的軟件CHC Geomatics Office(CGO)，數(shù)據(jù)處理流程如下幾步：

(1)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理。檢查原始數(shù)據(jù)中的點(diǎn)名是否正確和重復(fù)、天線高是否輸入、天線類型(型號)是否與所用接收機(jī)一致、采樣間隔設(shè)置是否正確等，確保原始數(shù)據(jù)的完整、有效。

(2)基線處理。利用軟件基線處理功能，對所有觀測基線進(jìn)行處理，求取固定解?；€處理完成后，對向量比率Ratio值小于3的基線進(jìn)行再處理，直至所有基線Ratio值大于3(越大越好)。同時，所有基線相對中誤差要求小于5 mm。

(3)網(wǎng)平差。所有基線處理完成并滿足限差要求后，代入已知基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)對觀測網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)平差，獲取各變形監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

(4)成果檢查。平差完成后對平差各項(xiàng)精度進(jìn)行逐項(xiàng)檢查，若不符合精度要求需返回第(1)步重新開始處理步驟，直至各項(xiàng)指標(biāo)精度均符合限差要求，精度限差如表2所示。

表2 網(wǎng)平差精度限差指標(biāo)

3 結(jié)果分析

數(shù)據(jù)處理完成后，利用式(1)、式(2)可計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)在N、E、H三個方向上本期位移變化量與周期累計(jì)位移變化量，利用式(3)計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)本期距離變化量ΔDi與周期累計(jì)距離變化量ΣΔDi：

(1)

(2)

(3)

式中：i指觀測期數(shù)，(ΔNi,ΔEi,ΔHi,ΔDi)代表監(jiān)測點(diǎn)第i期相較于i-1期的三個方向位移和點(diǎn)位距離變化量，(∑ΔNi,∑ΔEi,∑ΔHi,∑ΔDi)代表監(jiān)測點(diǎn)第i期相較于首期(i=1)的三個方向累計(jì)位移和累計(jì)距離變化量。

選取第9期數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行分析，其余各期按相同方法均可獲取監(jiān)測點(diǎn)變化情況。

3.1 監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo)

第9期監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo)見表3。

表3 第9期監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo) m

3.2 位移與距離變化量其變化率

位移與距離變化量及變化率見表4。

表4 位移與距離變化量及變化率

3.3 變化趨勢

所有監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)本期位移與距離、累計(jì)位移與距離變化量及變化率計(jì)算完成后，即可繪制各監(jiān)測點(diǎn)位在N、E、H三個方向累計(jì)位移變化趨勢、累計(jì)距離變化趨勢及變化速率趨勢圖(圖2～圖6)。

從圖2～圖5可以直觀地看出，監(jiān)測點(diǎn)J1～J5(位于滑坡后緣和中部)變形強(qiáng)度明顯大于前緣的點(diǎn)位J6～J8(位于滑坡前緣)。截至第9期，N方向累計(jì)位移最大變化量為監(jiān)測點(diǎn)J5(22.6 mm)、E方向累計(jì)位移最大變化量為監(jiān)測點(diǎn)J2(26.7 mm)、H方向累計(jì)位移最大變化量為監(jiān)測點(diǎn)J2(30.3 mm)，點(diǎn)位累計(jì)距離變化最大量為監(jiān)測點(diǎn)J5(41.8 mm)，均位于滑坡體中部和后緣，符合推移式土質(zhì)滑坡中部、后緣變形強(qiáng)度大于前緣的變形特點(diǎn)。同時，從圖6可以看出，滑坡整體變化速率趨于穩(wěn)定，截至第九期未出現(xiàn)變形加快跡象。

圖2 N方向累計(jì)位移量變化趨勢

圖3 E方向累計(jì)位移量變化趨勢

圖4 H方向累計(jì)位移量變化趨勢

圖5 累計(jì)距離變化趨勢

圖6 累計(jì)距離變化速率趨勢

4 結(jié)束語

本文從監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析四個方面闡述了GPS技術(shù)在滑坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用，監(jiān)測結(jié)果表明，此方法滿足滑坡等地質(zhì)災(zāi)害隱患變形監(jiān)測工作要求。同時，相較于傳統(tǒng)通過測角、測距及水準(zhǔn)測量作業(yè)模式獲取三維坐標(biāo)具有以下優(yōu)勢：

(1)外業(yè)數(shù)據(jù)采集操作簡單，無需儀器對中整平步驟。

(2)作業(yè)無需考慮通視條件，尤其是在植被茂密、多云霧的山區(qū)作業(yè)優(yōu)勢特別明顯。

(3)避免了水準(zhǔn)測量轉(zhuǎn)站繁瑣、前后視距(差)受限等煩惱，極大地減輕了工作量，節(jié)約生產(chǎn)成本。