全站儀差分法在滑坡監測中的應用

彭美玉

（上海市巖土工程檢測中心，上海 200436）

0.引言

我國是地質滑坡災害頻發的國家，由于地質災害發生具有突發性且較難預防的特點，采取預防監測技術手段，最大程度獲取連續的空間變化數據，對發現潛在的山體邊坡穩定性隱患及時預測預報、對預防地質災害發生等具有重要意義。地質滑坡監測的方法多種多樣，精度各異；近年來，國內外學者進行了大量研究，得出了一些有益的結論。劉韜[1]以貴州省大方縣德興煤礦滑坡為研究對象，采用GNSS 方法設計了自動化監測系統，并繪制了德興煤礦滑坡位移-時間曲線對滑坡結果進行了預測，該方法能夠實時反映出被監測對象的變化信息，其優點是水平監測精度高；缺點是垂直監測精度低于水平精度2～3 倍，需要多個測站聯測；適用于對空通視條件好的滑坡區域。劉錦程[2]使用三維激光掃描儀對清涼寺公園內的一處滑坡進行監測，最后證明能夠滿足三等監測的精度要求，該方法能夠獲得變形體大量面狀點云數據，能夠反映基于面的變化信息。胡運海[3]將近景攝影測量技術運用到滑坡監測中并與全站儀監測結果進行比較，證明了該方法能夠對滑坡體進行快速、準確、高效地監測，提供了一種技術方向。但該方法受相片質量、相機參數等影響較大。康亞[4]使用多種InSAR 技術對西南山區滑坡進行監測，證明了InSAR 技術可獲取較高精度的滑坡監測結果。并能夠提供滑坡體的時間序列變化結果。卞煥[5]使用智能全站儀對礦山邊坡進行了監測，得到了很好的監測效果。上述五種監測方法各有優勢，但也存在一定的不足之處，不同的項目應根據項目要求和經費情況選擇合適的監測方法。

本文主要介紹一種傳統的監測方法，即全站儀距離差分法，該方法較上述五種方法的優勢在于觀測精度更高，能夠達到毫米級，外業觀測工作量小，內業計算方便，無需更多的軟硬件支持。

1.全站儀測量誤差來源與消除

1.1 全站儀測距誤差來源

使用全站儀對滑坡體進行監測，其主要誤差來源包括下列3 個方面：（1）儀器本身的誤差，該誤差可以通過儀器校準的方法測定；（2）人為觀測引入的誤差；（3）氣象因素對測量的影響，這也是全站儀測量的主要誤差來源，全站儀測量時發出的電磁波受到大氣折光的影響會發生豎向或橫向的彎曲，測量得到的結果較真實距離偏大。因此，氣象改正的主要目標就是消除或減弱大氣折光對電磁波測距的影響。

1.2 全站儀測量誤差的減弱與消除

全站儀進行測量時，由于周圍環境中的風力、溫度、氣壓和大氣折光系數是實時變化的，我們很難準確測出各種影響因素。故在測區面積不大的情況下，短時間內測量時我們可以認為周圍環境是穩定的。即使這樣，也給測量結果帶來了諸多不穩定因素，當檢測點位較多時，我們可以分周期進行，采用差分的思想測量。具體操作如下：（1）將被監測點分成若干周期；（2）每一周期同時觀測監測點和若干基準點；（3）計算出測站點與各基準點之間實際值與初始值各自的差值；（4）利用步驟（3）的差值改正各監測點的距離、高差和方位角。

2.數學函數模型

2.1 距離差分法

對于小區域的短時間測量工作，基準點間的距離是穩定不變的，我們應用原基準點信息和周期內測得的基準點間的距離差值，按照距離差分法對監測點邊長改正，無需測量氣象因素。

假設原基準點間的已知距離為d0，某一個周期內觀測得到的距離為d1，則該周期內由氣象變化引起的距離變化為：

則氣象改正系數：

如果觀測了n 個基準點，則取平均值為：

則測站點與監測點的距離改正公式為：

2.2 水平距離和高差的計算

由于滑坡體比較陡峭，測站與目標間的高差都很大，全站儀測量的高差和斜距會受到地球曲率和大氣折光的影響，我們需要對垂直角修正進行計算。計算公式如下[5]：

式（5）中，K 是大氣折光系數，DM為平距，HM為高差，ρ 取值206265，R 為地球半徑（6369km），β 為垂直角，SM為改正后斜距。

2.3 球氣差對高差測量精度的影響及改正

為了精確求得監測點在豎直方向的變化信息，在單向測量中，要盡量消除或減弱球氣差對高差的影響。其計算公式參考文獻[6]。

2.4 水平方向角度的差分改正

水平角度測量過程中，由于大氣水平折光和水平度盤零方向的變化等因素的影響，全站儀轉動過程中儀器也不是絕對的平穩，觀測的水平角度需進行差分改正消除這些誤差。在實際工作中，應取多個基準點方位角改正值的平均值作為檢測點的改正數Δα。設檢測點在第i 周期的方位角為α'M，則同周期內觀測有下列公式：

3.工程應用實例

3.1 工程概況

某項目位于上海松江地區，根據上海地區地質條件及地質環境特征，開展以排查隱患和預防災害為目的的山體邊坡穩定性調查，經現場踏勘確定了某坡度較陡的山體出現了一些裂縫和小型落石情況，由于該山體毗鄰人類活動密集區域，周邊建筑工程活動頻繁，如果遇到強烈震動或臺風暴雨天氣，可能會發生落石或小范圍崩塌，對人們的生命和財產造成一定的威脅，故開展山體滑坡監測具有一定的社會效益。

3.2 監測儀器的選擇

（1）GNSS 接收機4 臺套：用于測量基準點的平面坐標。

（2）徠卡TS30 全站儀一臺套（測距精度0.6mm＋1ppm，測角精度為0.5″），用于測量監測點的變形量。

（3）Trimble Dini03 電子水準儀：用于測定基準點的高程。

（4）南方Cass9.1 繪圖軟件。

（5）測斜儀若干：用于滑坡體內部位移監測。

3.3 基準點與監測點的布設

在變形影響區域之外穩定可靠的位置布設了四個帶有強制歸心裝置的觀測墩作為基準點Z1、Z2、Z3、Z4，（如圖1 所示），基準點坐標通過GNSS 靜態測量和水準測量的方式獲取（在后續監測過程中視為已知坐標），在邊坡變形區域布設了10 個監測點，并采用圓棱鏡埋設，點位分布立面圖（如圖2 所示）。監測點布設在邊坡變形特征明顯的部位，能夠反映出變形體的變化特征。

圖1 基準點

圖2 監測點立面圖

3.4 監測數據的采集集

因為差分改正法要求較短時間內完成一個周期的測量，現將監測點分成兩組觀測。每個周期內，將基準點Z1 作為測站點，Z4 和其他變形點作為監測點，Z2、Z3 作為基準點，用Z4 的實測結果與已知坐標比較來驗證測量精度。

3.5 數據處理與精度分析

每周期內Z4 測量結果與已知坐標比較（如表1 所示），差分改正后結果與已知坐標比較（如表2 所示）：

表1 Z4 實測結果與已知結果較差

表2 Z4 差分改正結果與已知結果較差

由表1 可知，由氣象元素變化等因素的影響，測量得到的斜距、高差、水平方向角出現了不規律的變化。結合表1 和表2 數據分析，差分改正結果與已知坐標差值非常小，從而可以推斷出其余監測點的精度與Z4一致。能夠反映出變形體的微小變化。

4.結束語

文章分析了滑坡監測中幾種監測方法的優缺點，針對精度要求較高的項目，宜選擇全站儀差分法進行測量，經過差分改正后的測量結果可以達到毫米級的測量精度。該方法的主要優點在于外業觀測可以不記錄溫度、氣壓、濕度等氣象數據，從而大大減少了外業工作量，在精度方面較其余幾種方法有所提高，對于監測頻率較高的項目，可以基于全站儀差分法開發自動化監測系統。此方法也可以應用到大型建筑物的變形監測，比如風力發電機變形監測、大型場館建筑或歷史保護文物等的監測。