基于GPS技術的變形監測技術研究

李永雄

摘 要：該文基于筆者多年從事GPS技術應用的相關工作經驗，以GPS監測技術為研究對象，論文首先分析了GPS的工作原理，進而探討了GPS測量的特點，在此基礎上，筆者給出了典型滑坡GPS監測網的設計方案，最后詳細探討了GPS監測網的監測成果，成果證明，該文提出的典型滑坡監測的設計是科學的，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：GPS 滑坡 變形監測 設計

中圖分類號：P228 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（b）-0032-02

滑坡屬于一種嚴重的自然地質災害。每當滑坡發生時，都會對人民的生命和財產造成巨大的損失，所以建立安全可靠的滑坡監測顯得非常重要。滑坡變形監測工作是對滑坡關鍵部位進行連續監測，為評估其穩定性、耐久性和可靠性提供有價值的信息。以往滑坡監測方法是用常規大地測量方法，平面位移采用經緯儀導線或三角測量方法，高程用精密水準測量方法。20世紀80年代中期出現全站儀以后，利用全站儀導線和電磁波測距三角高程方法進行變形監測。隨著GPS技術的發展以及在各種工程中越來越多的應用，利用GPS技術對滑坡動態監測也日臻成熟，在大面積的滑坡監測研究中顯示出巨大的應用潛力。

1 GPS的工作原理

GPS系統由3部分組成：空間部分，地面監控部分和用戶接收設備部分。GPS衛星星座由24顆高約20200 kg的衛星群組成，其中21顆工作衛星和3顆備用衛星，均勻分布在6個地心軌道平面內，每顆軌道4顆衛星。各軌道平面與地球赤道面的傾角為55 °，各軌道平面之間的交角為60 °，衛星運行的軌道周期為11小時58分，這樣可以保證在任何時間和任何地點地平線上可以接收4到11顆衛星發送出的信號。空間部分的功能是主要執行地面監控站的指令，接收和儲存由地面監控站發來的導航信息；同時向GPS用戶播送導航電文，提供導航和定位信息；通過高精度衛星鐘向用戶提供精密的時間標準。

GPS定位過程中，存在著三部分誤差：一部分是對每一個用戶接收機公有的，例如，衛星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等；第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差，第三部分為各用戶接收機所固有的誤差，例如內部噪聲、通道延遲、多路徑效應等。利用差分技術，第一部分誤差基本上可以消除，第二部分誤差大部分可以消除，其主要取決于基準接收機和用戶接收機的距離，第三部分誤差則很難消除。

數據處理在滑坡GPS監測過程中是一項關鍵的步驟，眾所周知單基線解算的算法簡單，但由于其解算成果無法反映同步基線間的誤差相關的特性，不利于后面的網平差處理，一般只用在普通等級 GPS 網的測量中；多基線解算由于在基線解算時顧及了同步觀測基線間的誤差相關特性，因此在理論上是嚴密的。

2 GPS測量的特點

GPS測量與傳統測量方法相比較，其主要優點為：

（1）測量精度高：GPS觀測的精度明顯高于一般常規測量，在小于 50 km的基線上，其相對定位精度可達1×10-6，在100～500 km 的基線上可達10-6～10-7。

（2）測站間無需通視：GPS測量不需要測站間相互通視，控制網不要求保障良好的幾何結構，能根據實際需要確定點位，使得選點工作更加靈活方便。

（3）觀測時間短：隨著GPS測量技術的不斷完善，軟件的不斷更新，在進行GPS測量時。靜態相對定位每站僅需20 min左右，動態相對定位每站僅需 1～2 s。

（4）儀器操作簡便，自動化程度高：目前 GPS 接收機自動化程度越來越高，操作智能化，觀測人員只需對中、整平、量取天線高及開機后設定參數，接收機即可進行自動觀測和記錄，野外測量工作輕松愉快。

（5）全天候作業：GPS衛星數目多，且分布均勻，可保證在任何時間、任何地點連續進行觀測，一般不受天氣狀況的影響，這一點也是常規測量無法比擬的。

（6）提供三維坐標：GPS測量可同時精確測定測站點的三維坐標，其高程精度已可滿足四等水準測量的要求。

3 設計

GPS測量獲得的是GPS基線向量，是 WGS-84坐標系中的三維坐標差，而實際需要的是國家坐標系或地方獨立坐標系的坐標，所以在GPS網的設計時要明確GPS成果所采用的坐標系統和起算數據，即明確 GPS 網的基準。

GPS監測網的基準包括位置基準、方位基準和尺度基準，而基準設計實質上主要是指確定監測網的位置基準問題。對于滑坡監測的高程網來說，則至少需要一個高程起算點解決高程基準問題。GPS變形監測網坐標系統選擇WGS-84坐標系。在進行基準設計時，最好能聯測至少一個測區附近高精度的GPS點（A、B、C級點等），保證滑坡監測網達到D級，確保GPS網點的位置基準達到毫米級精度，能有效提高GPS基線解算精度。

滑坡監測網的技術設計既要依據GPS測量規范和規程，如：《全球定位系統（GPS）測量規范》GB/T18314-2001等，又要依據工程測量規范、各部門制定的規程以及滑坡監測任務書。其網形設計主要取決于數據使用者的要求、經費、時間、人力和所投入接收機的類型、數量和后勤保障條件等，同時考慮監測網形結構對高程精度的影響，選用點連式三邊網，不僅保證點位的高程及平面精度，而且可以減少大量的觀測和計算工作量，提高工作效率。

滑坡監測內容包括：滑坡體與地表水平位移的監測；地表的垂直位移監測；監測區內建筑物的沉降觀測。結合布網的要求，以及滑坡地區的地理條件，采取相應的布網方式。GPS滑坡監測網點的設計包括基準點的設計和監測點的設計。

GPS滑坡監測基準點點位的確定原則要充分考慮到：①地質條件好，點位穩定；②適合GPS觀測條件，并無顯著多路徑效應；③盡可能選用經實踐證明點位穩定的原滑坡區域內的基準網點。因原基準點都經地質勘探，且建有穩固的觀測墩，便于穩定性分析。endprint

GPS滑坡監測的監測點點位的選定原則應該能適合GPS觀測條件，并有效的反映滑坡變形的特征。具體地說，滑坡監測點應沿滑坡主滑線布設；監測點周圍障礙物的高度角要小于15 °；監測點應遠離大功率無線電發射源和高壓輸電線，以避免周圍磁場對GPS信號的干擾。

4 GPS監測網的監測

以三峽庫區地區某一滑坡體的監測為例，參照滑坡變形測量的要求，最終確定監測點的精度要求為 1mm ，按照基準網與監測網兩級布設，滑坡體周圍布設三個基準點，這些基準點位于該滑坡體兩側的穩定巖體上，變形監測點位于滑坡體變形明顯的敏感部位，共設 6 個監測點，分別為 W1—W6。所有點位均埋設測量墩，采用強制對中裝置，測量墩上設置天線指向標志。為減少儀器誤差的影響，對于每個點只用同一臺儀器進行觀測，天線指向與標志對齊，精密測量天線高。由于滑坡監測的目的是監測點位的變化量，而不需要同國家坐標系發生聯系，因此各期坐標和變形量的表示均采用WGS-84 坐標系，用大地高代替正常高。

本監測網的外業觀測利用4臺Trimble R8雙頻GPS接收機，監測方法采用靜態相對定位的方法進行野外數據采集。監測時衛星截至高度角為10 °，數據采樣率為12，每觀測時段長1.5～2 h。首期觀測時，基準點上連續觀測6 h，監測點上連續觀測2 h；以后各期觀測時，基準點上連續觀測4 h，監測點上連續觀測1.5 h，共觀測4期。使用TBC GPS軟件解算基線、網平差與坐標變換。部分計算成果如表1所示。

成果表明，在短邊的情況下，設備提供的監測精度非常高，點位水平分量誤差在 1 mm以內，這樣的精度完全可以滿足滑坡變形監測的要求。

通過示例分析，說明所提出的滑坡監測的設計是科學的，它可以用來對任何滑坡體的變形監測，從而達到對滑坡體位移趨勢預報的目的，并及時采取相應的防范措施，起到了預警的作用。

5 結語

本文主要提出GPS用于滑坡變形監測的設計方法，包括GPS工作的原理和特點，以及監測網的技術設計，監測網的外業觀測等內容。并通過GPS變形監測實例表明監測成果的正確性。GPS滑坡監測是一種高效實用的方法。隨著GPS定位技術的發展，儀器功能改進、各種解算模型的完善，GPS在滑坡監測中有非常廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 曾旭平.GPS滑坡高程監測的數據處理問題[J].武漢大學學報（信息科學版），2010（3）.

[2] 徐紹栓，李英冰.GPS用于滑坡監測的試驗與研究[J].全球定位系統，2003（1）.

[3] 李志成.GPS技術在地表滑坡變形觀測中的應用與實踐[J].重慶建筑，2003（6）.endprint

GPS滑坡監測的監測點點位的選定原則應該能適合GPS觀測條件，并有效的反映滑坡變形的特征。具體地說，滑坡監測點應沿滑坡主滑線布設；監測點周圍障礙物的高度角要小于15 °；監測點應遠離大功率無線電發射源和高壓輸電線，以避免周圍磁場對GPS信號的干擾。

4 GPS監測網的監測

以三峽庫區地區某一滑坡體的監測為例，參照滑坡變形測量的要求，最終確定監測點的精度要求為 1mm ，按照基準網與監測網兩級布設，滑坡體周圍布設三個基準點，這些基準點位于該滑坡體兩側的穩定巖體上，變形監測點位于滑坡體變形明顯的敏感部位，共設 6 個監測點，分別為 W1—W6。所有點位均埋設測量墩，采用強制對中裝置，測量墩上設置天線指向標志。為減少儀器誤差的影響，對于每個點只用同一臺儀器進行觀測，天線指向與標志對齊，精密測量天線高。由于滑坡監測的目的是監測點位的變化量，而不需要同國家坐標系發生聯系，因此各期坐標和變形量的表示均采用WGS-84 坐標系，用大地高代替正常高。

本監測網的外業觀測利用4臺Trimble R8雙頻GPS接收機，監測方法采用靜態相對定位的方法進行野外數據采集。監測時衛星截至高度角為10 °，數據采樣率為12，每觀測時段長1.5～2 h。首期觀測時，基準點上連續觀測6 h，監測點上連續觀測2 h；以后各期觀測時，基準點上連續觀測4 h，監測點上連續觀測1.5 h，共觀測4期。使用TBC GPS軟件解算基線、網平差與坐標變換。部分計算成果如表1所示。

成果表明，在短邊的情況下，設備提供的監測精度非常高，點位水平分量誤差在 1 mm以內，這樣的精度完全可以滿足滑坡變形監測的要求。

通過示例分析，說明所提出的滑坡監測的設計是科學的，它可以用來對任何滑坡體的變形監測，從而達到對滑坡體位移趨勢預報的目的，并及時采取相應的防范措施，起到了預警的作用。

5 結語

本文主要提出GPS用于滑坡變形監測的設計方法，包括GPS工作的原理和特點，以及監測網的技術設計，監測網的外業觀測等內容。并通過GPS變形監測實例表明監測成果的正確性。GPS滑坡監測是一種高效實用的方法。隨著GPS定位技術的發展，儀器功能改進、各種解算模型的完善，GPS在滑坡監測中有非常廣闊的應用前景。

參考文獻

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[2] 徐紹栓，李英冰.GPS用于滑坡監測的試驗與研究[J].全球定位系統，2003（1）.

[3] 李志成.GPS技術在地表滑坡變形觀測中的應用與實踐[J].重慶建筑，2003（6）.endprint

GPS滑坡監測的監測點點位的選定原則應該能適合GPS觀測條件，并有效的反映滑坡變形的特征。具體地說，滑坡監測點應沿滑坡主滑線布設；監測點周圍障礙物的高度角要小于15 °；監測點應遠離大功率無線電發射源和高壓輸電線，以避免周圍磁場對GPS信號的干擾。

4 GPS監測網的監測

以三峽庫區地區某一滑坡體的監測為例，參照滑坡變形測量的要求，最終確定監測點的精度要求為 1mm ，按照基準網與監測網兩級布設，滑坡體周圍布設三個基準點，這些基準點位于該滑坡體兩側的穩定巖體上，變形監測點位于滑坡體變形明顯的敏感部位，共設 6 個監測點，分別為 W1—W6。所有點位均埋設測量墩，采用強制對中裝置，測量墩上設置天線指向標志。為減少儀器誤差的影響，對于每個點只用同一臺儀器進行觀測，天線指向與標志對齊，精密測量天線高。由于滑坡監測的目的是監測點位的變化量，而不需要同國家坐標系發生聯系，因此各期坐標和變形量的表示均采用WGS-84 坐標系，用大地高代替正常高。

本監測網的外業觀測利用4臺Trimble R8雙頻GPS接收機，監測方法采用靜態相對定位的方法進行野外數據采集。監測時衛星截至高度角為10 °，數據采樣率為12，每觀測時段長1.5～2 h。首期觀測時，基準點上連續觀測6 h，監測點上連續觀測2 h；以后各期觀測時，基準點上連續觀測4 h，監測點上連續觀測1.5 h，共觀測4期。使用TBC GPS軟件解算基線、網平差與坐標變換。部分計算成果如表1所示。

成果表明，在短邊的情況下，設備提供的監測精度非常高，點位水平分量誤差在 1 mm以內，這樣的精度完全可以滿足滑坡變形監測的要求。

通過示例分析，說明所提出的滑坡監測的設計是科學的，它可以用來對任何滑坡體的變形監測，從而達到對滑坡體位移趨勢預報的目的，并及時采取相應的防范措施，起到了預警的作用。

5 結語

本文主要提出GPS用于滑坡變形監測的設計方法，包括GPS工作的原理和特點，以及監測網的技術設計，監測網的外業觀測等內容。并通過GPS變形監測實例表明監測成果的正確性。GPS滑坡監測是一種高效實用的方法。隨著GPS定位技術的發展，儀器功能改進、各種解算模型的完善，GPS在滑坡監測中有非常廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 曾旭平.GPS滑坡高程監測的數據處理問題[J].武漢大學學報（信息科學版），2010（3）.

[2] 徐紹栓，李英冰.GPS用于滑坡監測的試驗與研究[J].全球定位系統，2003（1）.

[3] 李志成.GPS技術在地表滑坡變形觀測中的應用與實踐[J].重慶建筑，2003（6）.endprint