基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)的滑坡變形監(jiān)測

繆德都

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟(jì)寧 272000)

滑坡是自然災(zāi)害現(xiàn)象之一，對人類的生命財(cái)產(chǎn)安全有著嚴(yán)重的威脅，且滑坡具有分布廣、發(fā)生頻繁、突發(fā)性強(qiáng)、危害性大以及受降水影響較大等特點(diǎn)，因此對滑坡進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測是保證人類生命財(cái)產(chǎn)安全的重要內(nèi)容[1-2]。我國地域遼闊，地貌種類多而復(fù)雜，特別是西南地區(qū)受降雨影響滑坡災(zāi)害發(fā)生頻繁，因此采用科學(xué)的手段對其進(jìn)行監(jiān)測是目前研究的重點(diǎn)[3-4]。傳統(tǒng)的滑坡變形監(jiān)測手段主要有三角水準(zhǔn)測量、全站儀測量、攝影測量以及GPS差分測量等，上述監(jiān)測技術(shù)手段受視線遮擋、環(huán)境、天氣以及觀測信號影響較大，并且耗時(shí)耗力，對于環(huán)境較差以及無信號的山區(qū)則監(jiān)測十分困難[5]。隨著全球定位技術(shù)的不斷發(fā)展，精密單點(diǎn)定位技術(shù)不斷被應(yīng)用于變形監(jiān)測領(lǐng)域，該技術(shù)不僅克服了傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術(shù)手段的缺點(diǎn)，而且操作簡單，不像差分GPS技術(shù)一樣需要信號連接，特別是三頻精密單點(diǎn)定位精度可以達(dá)到毫米級，可以滿足一般建筑物變形監(jiān)測的精度要求[6-8]。為對滑坡造成的危害進(jìn)行及時(shí)預(yù)防，國內(nèi)很多學(xué)者利用不同技術(shù)手段對我國的部分滑坡進(jìn)行了監(jiān)測分析，文獻(xiàn)[9]結(jié)合多種技術(shù)手段對滑坡進(jìn)行變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)滑坡穩(wěn)定，全站儀可以作為主要監(jiān)測手段進(jìn)行長期監(jiān)測，RTK與加速度計(jì)能快速捕捉滑坡的坍塌；文獻(xiàn)[10]利用測量機(jī)器人對黃土滑坡進(jìn)行變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)測量機(jī)器人的實(shí)測平均精度優(yōu)于4 mm，滿足測量精度要求，是今后滑坡變形監(jiān)測的一種有效技術(shù)手段；文獻(xiàn)[11]利用GBInSAR技術(shù)對河流滑坡進(jìn)行變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)加固帶的滑坡變形在1 mm以內(nèi)，其它地方變形在4 mm以內(nèi)，GBInSAR技術(shù)可以快速、有效地獲取河流滑坡整體形變信息及形變的演化過程。為進(jìn)一步對我國滑坡進(jìn)行變形監(jiān)測，本文利用GPS三頻精密單點(diǎn)定位技術(shù)對國內(nèi)某滑坡進(jìn)行變形監(jiān)測，并分析了滑坡環(huán)境下的精密單點(diǎn)定位精度以及滑坡三維變形情況。

1 三頻精密單點(diǎn)定位原理

精密單點(diǎn)定位是利用單臺接收機(jī)，采用偽距與載波相位觀測值，結(jié)合IGS機(jī)構(gòu)發(fā)布的精密星歷與鐘差產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)高精度定位的新技術(shù)。三頻精密單點(diǎn)定位模型主要有三頻無電離層兩兩組合、三頻消電離層組合和三頻非組合模型等，本文主要介紹三頻消電離層組合模型。

1.1 三頻消電離層組合模型

三頻消電離層組合模型與雙頻無電離層組合類似，僅需構(gòu)造一個(gè)三頻線性組合，無需額外的偏差參數(shù)，其線性觀測方程如下：

(1)

式中,

(2)

1.2 隨機(jī)模型

觀測值的精度通常量化為與衛(wèi)星高度角、信噪比有關(guān)的函數(shù)形式，三頻消電離層組合隨機(jī)模型如下：

∑IF-L1L2+L2L5=

(3)

(4)

式中，下標(biāo)為3表示頻率L5；A和A′分別為無電離層組合和三頻消電離層組合設(shè)計(jì)的矩陣。

2 實(shí)測案例分析

本次所監(jiān)測的滑坡位于我國西南地區(qū)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，并且夏季多雨，容易造成滑坡災(zāi)害的發(fā)生。該滑坡四周樹木茂盛，視線遮擋嚴(yán)重，同時(shí)周圍1 km以內(nèi)無穩(wěn)定地區(qū)可以架設(shè)GPS基準(zhǔn)站，因此無法利用全站儀以及GPS差分技術(shù)對其進(jìn)行監(jiān)測，本文利用GPS三頻精密單點(diǎn)定位技術(shù)。本次監(jiān)測在滑坡區(qū)域布設(shè)兩臺GPS接收機(jī)，接收機(jī)架設(shè)在之前砌好的觀測墩上，所采用的GPS接收機(jī)類型是天寶R9接收機(jī)，截止高度角設(shè)置為12°，采樣頻率設(shè)置為1 s，監(jiān)測時(shí)間為20 h。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析時(shí)，由于在監(jiān)測最后兩個(gè)小時(shí)受天氣的影響，數(shù)據(jù)質(zhì)量不好，因此刪除了后兩個(gè)小時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，只對前18個(gè)小時(shí)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。首先利用TBC軟件聯(lián)合最近的CORS站解算得到這兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的靜態(tài)坐標(biāo)，以解算得到的靜態(tài)坐標(biāo)作為真值，通過精密單點(diǎn)定位解算得到的單歷元坐標(biāo)值與真值做差，即可得到每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)位移變化量。

首先對滑坡環(huán)境下的GPS衛(wèi)星可見數(shù)與DOP值進(jìn)行分析，因?yàn)樾l(wèi)星可見數(shù)與DOP是決定定位精度的重要因素。其中DOP是指衛(wèi)星與接收機(jī)空間幾何布局的影響造成的偽距誤差與用戶位置誤差間的比例系數(shù)，DOP值越小證明衛(wèi)星空間分布位置越好，定位精度越高。DOP值主要包括：幾何精度衰減因子(GDOP)、位置精度衰減因子(PDOP)、水平精度衰減因子(HDOP)和垂直精度衰減因子(VDOP)。

如圖1所示，在檢測時(shí)間段內(nèi)，GPS衛(wèi)星可見數(shù)在6～10顆之間，大于定位最低需要4顆衛(wèi)星的要求，完全滿足定位的需要。如圖2所示，VDOP值在0～2之間，GDOP值、PDOP值與HDOP值在1～4之間，而GDOP值最大。

圖1 衛(wèi)星可見數(shù)

圖2 DOP值

在分析精密單點(diǎn)定位的性能時(shí)，主要分析監(jiān)測點(diǎn)E、N和U三個(gè)方向的誤差序列、收斂時(shí)間以及模糊度固定率。

圖3 D1點(diǎn)精密單點(diǎn)定位序列

如圖3所示，D1點(diǎn)在監(jiān)測開始0～2.5 h之內(nèi)波動很大，之后開始穩(wěn)定。為保證監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，對其收斂性進(jìn)行檢查，通常認(rèn)為在連續(xù)20個(gè)歷元的定位偏差都在10 cm以內(nèi)，則認(rèn)為當(dāng)前歷元收斂。對D1點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，大約2.5 h之后開始收斂，并且E方向、N方向與U方向可以收斂至1 cm以內(nèi)。如圖4所示，D2點(diǎn)與D1點(diǎn)一樣，在監(jiān)測開始0～2.5 h之內(nèi)波動很大，之后開始穩(wěn)定。為保證監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，對其收斂性進(jìn)行檢查，通常認(rèn)為在連續(xù)20個(gè)歷元的定位偏差都在10 cm以內(nèi)，則認(rèn)為當(dāng)前歷元收斂。對D1點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，大約2.5 h之后開始收斂，并且E方向、N方向與U方向可以收斂至1 cm以內(nèi)。

圖4 D2點(diǎn)精密單點(diǎn)定位序列

進(jìn)一步對兩個(gè)監(jiān)測的RMS值、具體的收斂時(shí)間以及模糊度固定率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表1 監(jiān)測點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

如表1所示，兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)GPS三頻精密單點(diǎn)水平方向RMS值在1 cm左右，豎直方向的RMS值在2 cm左右。對于收斂時(shí)間，水平方向的收斂時(shí)間在150 min左右，豎直方向的收斂時(shí)間在170 min左右，而兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的模糊度固定率在98%及以上。

圖5 D1點(diǎn)三維變形序列

圖6 D2點(diǎn)三維變形序列

為了對監(jiān)測點(diǎn)處的滑坡變形情況進(jìn)行分析，本文選取了完全收斂之后的9個(gè)小時(shí)即監(jiān)測開始后3～12 h的監(jiān)測數(shù)據(jù)與真值做差來分析E、N和U三個(gè)方向的滑坡變形情況。

如圖5所示，D1點(diǎn)E方向的動態(tài)變形在4 mm以內(nèi)，N方向的動態(tài)變形在4 mm以內(nèi)，U方向的動態(tài)變形在3 mm以內(nèi)；如圖6所示，D2點(diǎn)E方向的動態(tài)變形在3 mm以內(nèi)，N方向的動態(tài)變形在3 mm以內(nèi)，U方向的動態(tài)變形在3 mm以內(nèi)。

3 結(jié) 論

為對我國滑坡進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測與預(yù)防，本文利用GPS三頻精密單點(diǎn)定位技術(shù)對我國西南某地滑坡進(jìn)行變形監(jiān)測，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：

(1)滑坡環(huán)境下GPS三頻精密單點(diǎn)定位水平向在觀測150 min左右之后開始收斂，豎直向在監(jiān)測170 min左右開始收斂，收斂之后誤差在1 cm以內(nèi)，且模糊度固定率在98%以上。

(2)滑坡環(huán)境下GPS三頻精密單點(diǎn)水平向定位精度可以達(dá)到1 cm左右，豎直向定位精度可以達(dá)到1 cm。

(3)截取GPS三頻精密單點(diǎn)定位完全收斂時(shí)段內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)可以分析出滑坡動態(tài)變形位移，水平向與豎直向的動態(tài)位移變形在3 mm左右，可以為較差環(huán)境下的變形監(jiān)測提供一種新的技術(shù)手段。

雖然精密單點(diǎn)定位精度受精密星歷與鐘差產(chǎn)品精度的影響，相信隨著精密單點(diǎn)定位各項(xiàng)誤差改正模型的不斷優(yōu)化以及精密單星歷與鐘差精度的不斷提高，在今后精密單點(diǎn)定位技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用于高精度變形監(jiān)測之中。