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GPS测量在滑坡监测中的应用

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GPS测量在滑坡监测中的应用

作者：马景金来源：内蒙古测绘网更新时间：2006-2-27 14:24:35

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引言
　
　　我国是一个地质灾害多发的国家，随着经济建设的蓬勃发展，交通、水利及资源开发等工程项目的大量实施以及自然环境变化影响，滑坡等自然灾害造成的影响大量增加，对人民生命财产和国民经济造成巨大损失。所以建立安全可靠的滑坡监测系统显得尤为重要。滑坡监测需要综合多种方法进行监测。滑坡监测包括滑坡体整体变形监测，滑坡体内应力应变监测，外部环境监测如降雨量、地下水位监测等等。变形监测是其中的重要内容，也是判断滑坡的重要依据。以往变形监测方法是用常规大地测量方法，即：平面位移采用经纬仪导线或三角测量方法，高程用水准测量方法。 20 世纪 80 年代中期出现全站仪以后，利用全站仪导线和电磁波测距三角高程方法进行变形监测。但上述方法都需要人到现场观测，工作量大，特别在南方山区，树木杂草丛生，作业十分困难，也很难实现无人值守监测。 GPS 卫星定位系统出现以后，由于 GPS 定位是利用接收空中卫星信号测距进行定位，国内外专家学者研究表明应用 IGS 精密星历和最新版本的 GAMIT 高精度 GPS 数据处理软件处理数据，中短边相对中误差优于 1.4 × 10 -7 ，长边相对中误差优于 1.8 × 10 -9 ，最弱点点位中误差水平分量优于 2mm ，可以满足测量控制及滑坡监测精度的要求，而高程监测可直接使用通过网平差获得地高精度的大地高差。监测站点之间不用通视，大大减少了工作量。而且利用无线通信技术可以将观测数据传到数据处理中心，以实现远距离监测。
　
　　地质灾害的监测、预报及防治方面都是以防为主，防治结合；依靠科技进步，采用先进的监测仪器设备和管理手段加强对工程地质环境的监测和预报。目前 GPS 在滑坡监测中得到广泛应用，李家峡 -2 滑坡 [1] ，四川雅安峡口滑坡 [2] ，黄腊石滑坡，龙羊峡水电站近坝库岸滑坡等滑坡监测中均采用了 GPS 技术。
　
1. GPS 定位优点：
　
　（ 1 ）观测站之间无须通视，不要求控制网保障良好的几何结构，从而使点位选择灵活。
　
　（ 2 ）观测时间短。短基线（ 20km 左右）快速定位，其观测时间仅需数分钟。
　
　（ 3 ）可全天候作业，定位精度高。许多资料表明，在短基线（基线小于 20km ）其相对定位精度可达 1 ～ 2 × 10 -6 。
　　
　（ 4 ）提供三维坐标。
　
　（ 5 ）操作简便，自动化程度高。
　
2. GPS 在滑坡监测中的实际应用
　　
　2.1. 李家峡水电站 -2 滑坡 [1]
　　
　　李家峡水电站 -2 滑坡位于坝下左岸，随着电站运行，泄流雨雾的影响，该边坡可能产生整体失稳，危及电站安全运行。为了密切监视边坡动态， 1996 年 8 月首次建立监测网，采用传统观测方法进行监测，但泄水时产生大量雨雾，常常困扰着现场作业。 1999 年 8 月使用 GPS 和传统观测方法同时对其进行监测， GPS 监测精度良好，效果令人满意，监测点平面精度在 1.2 ～ 1.6mm 之间，高程精度均在 3.0mm 以下 ,GPS 成果与传统方法观测成果比较，坐标相差均小于 3mm ，高程相差 5mm 以下。

　2.2 四川雅安峡口滑坡 [2]

　　雅安峡口滑坡位于四川雅安市北陇西乡境内，陇西河中游峡谷东岸。该地区基岩由白垩系砂岩、泥岩组成。滑体物质为古崩塌堆积物，为碎石块夹紫红色粘土，块石直径 0 .2 ～ 2 m。滑坡体入渗径流条件好，地下水层较浅，该地区气候温暖湿润，雅安号称雨城，年平均气温 16 ℃，年降雨量 1800mm ，而且集中在 6 ～ 9 月。该地区是古滑坡区， 1981 年 8 月 19 日深夜，由于暴雨倾盆，大量雨水流入坡体诱发大规模滑动，造成房屋倒塌，公路和渠道被毁。 1995 年雨季后，复活滑坡上的变形蠕动体又出现了不同程度的变形，成了潜在滑坡体。试验区就选在这个复活体上。见图 1 。该复活体长 500 m，宽 300 m，呈东西方向，偏南约 25.5 °。
　
　　为了测定滑坡的变形，在滑坡体外稳定的岩体上选择基准点二个，一个在东，一个在北面山梁上。编号为 ya15 ， ya17 。
　
　　根据当地滑坡体特点选择监测点，这些点要能反映滑坡体整体变形方向、变形量，又要能反映滑坡体范围和变形速率。每个点还要考虑接收卫星信号情况，测点上空不要有大面积遮挡物。在雅安试验区共布了 15 个监测点。在滑坡剖面上，从上到下布设 5 个点，与测斜仪、裂缝位移监测仪很近。在雨量计和地下水位测量仪附近安放 3 个测点。其余 7 个点在滑坡体周边。点间距平均 120 m，最长 229 m，最短 17m。在每个测点上都建造 GPS 观测墩。该墩为钢筋混凝土浇灌，地下 1.5 m，地上 1.5 m，并设有强制对中装置。测点的网图见图 2 。

　
　　经过数据采集，数据处理和分析，从图 3 中可以看到，滑坡体不仅仅有沿主滑坡方向的位移，还有垂直于主滑坡方向的位移。这是因为滑坡体中间部分突出，两侧凹陷的缘故。 GPS 滑坡监测的结果准确反映了该滑坡体的滑动趋势和位移。
　
3. 利用 GPS 进行滑坡等地质灾害监测的优缺点讨论
　
　3.1 优点
　
　　利用 GPS 定位技术进行滑坡等地质灾害监测时具有下列优点：
　　
　　（ 1 ）测站间无需保持通视
　　
　　由于 GPS 定位时测站间不需要保持通视，因而可使变形监测网的布设更为自由、方便。可省略许多中间过渡点（采用常规大地测量方法进行变形监测时，为传递坐标经常要设立许多中间过渡点），且不必建标，从而可节省大量的人力物力。
　　　
　　（ 2 ）可同时测定点的三维位移
　　
　　采用传统的大地测量方法进行变形监测时，平面位移通常是用方向交汇，距离交汇，全站仪极坐标法等手段来测定；而垂直位移一般采用精密水准测量的方法来测定。水平位移和垂直位移的分别测定增加了工作量。且在三峡库区等地进行崩滑地质灾害监测时，由于地势陡峻，进行精密水准测量也极为困难。改用三角高程测量来测定垂直位移时，精度不够理想。而利用 GPS 定位技术来进行变形时则可同时测定点的三维位移。由于我们关心的只是点位的变化，故垂直位移的监测完全可以在大地高系统中进行。这样就可以避免将大地高转换为正常高时由于高程异常的误差而造成的精度损失。虽然采用 GPS 定位技术来进行变形监测时，垂直位移的精度一般不如水平位移的精度好，但采取适当措施后仍可满足要求。
　
　　（ 3 ）全天候观测
　
　　GPS 测量不受气候条件的限制，在风雪雨雾中仍能进行观测。这一点对于汛期的崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害监测是非常有利的。
　
　　（ 4 ）易于实现全系统的自动化
　
　　由于 GPS 接收机的数据采集工作是自动进行的，而且接收机又为用户预备了必要的入口，故用户可以较为方便地把 GPS 变形监测系统建成无人值守的全自动化的监测系统。这种系统不但可保证长期连续运行，而且可大幅度降低变形监测成本，提高监测资料的可靠性。
　
　　（ 5 ）可以获得 mm 级精度
　
　　mm 级的精度已可满足一般崩滑体变形监测的精度要求。需要更高的监测精度时应增加观测时间和时段数正因为 GPS 定位技术具有上述优点，因而在滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的监测中得到了广泛的应用，成为一种新的有效的监测手段。
　
　3.2 缺点
　
　　利用 GPS 定位技术进行地质灾害监测时也存在一些不足之处，主要表现在以下几个方面：
　
　　（ 1 ）点位选择的自由度较低

　　为保证 GPS 测量的正常进行和定位精度，在 GPS 测量规范中对测站周围的环境作出了一系列的规定。如测站周围高度角 15° 以上不允许存在成片的障碍物；测站离高压线、变压器、无线电台、电视台、微波中继站等信号干扰物和强信号源有一定的距离（例如 200 ~ 400m ）；测站周围也不允许有房屋、围墙、广告牌、山坡、大面积水域等信号反射物，以避免多路径误差。但在崩滑体的变形监测中上述要求往往难以满足，因为监测点的位置通常是由地质人员根据滑坡、断层的地质构造和受力情况而定，有时又要考虑利用老的观测墩和控制点。测量人员的选择余地不大，从而使不少变形监测点的观测条件欠佳。
　
　　（ 2 ）整体环境对 GPS 观测不利
　　
　　崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害往往发生在地势陡峻的山区，尤其是江河两岸和峡谷地区。在这些地区进行 GPS 测量时，视场往往较为狭窄，大量卫星被山坡遮挡，而且多路径误差较为严重，使 GPS 定位精度较正常情况差。
　
　　（ 3 ）函数关系复杂，误差源多
　
　　与倾斜仪和传统大地测量等变形监测手段相比， GPS 定位结果和观测值之间的函数关系要复杂得多，误差源也要多得多。在 GPS 定位中基准站与变形监测点之间的坐标差是依据两站的载波相位观测值和卫星星历经过复杂的计算后求得的，定位结果受卫星星历误差，卫星钟差、接收机钟差、对流层延迟、电离层延迟、多路径误差、接收机的测量噪声以及数据处理软件本身的质量等多种因素的影响。在数据处理过程中还将涉及周跳的探测及修复、整周模糊度的确定等一系列问题。其中任一环节处理不好都将影响最终的监测精度。此外接收机天线相位中心的不够稳定也是影响监测精度的一个重要原因。
　
4. 结束语
　
　　通过国内外实测试验与研究，证明在滑坡监测时，完全可用 GPS 来代替常规的外业观测量方法，且在精度、速度、时效性、效益等方面都优于常规方法。 GPS 进行滑坡监测是一种比较实用有效方法，从国内外许多应用实例来看均取得了良好效果。随着 GPS 定位技术的不断发展，仪器功能增强和完善、价格进一步降低，各种解算模型的完善，相信 GPS 在滑坡监测中有非常广阔的应用前景。
　

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