GPS技術在滑坡變形監測中的應用探討

宋文強，鄧思楠，賈志宏，鄭志軍，陳韻騏，柯 江

(成都市地質環境監測站，四川成都 610042)

近年來，受地震、降雨、工程建設及人類活動等因素影響，我市西部龍門山區和東部龍泉山區存在較多地質災害隱患點，如滑坡、崩塌、泥石流等，時刻威脅人民群眾的生命及財產安全[1-2]。為貫徹落實國家、省、市各級部門提出的“科學防災”工作要求，當前地質災害防治工作的重心是運用高效、便捷、可靠的技術方法和手段對地質災害體進行變形監測，摸清其變化信息，揭示和預測坡體的變形趨勢，為減災防災、工程建設安全、環境保護等提供決策建議[3-4]。

1 滑坡變形監測方法

滑坡變形監測主要是通過獲取滑坡體特征點不同時期的三維坐標，用作差的方式求取各點位變化值，進而推算滑坡變形信息。利用傳統大地測量方式進行變形監測主要是用全站儀獲取點位平面二維坐標、水準測量獲取點位高程值。但滑坡等地質災害隱患點多位于山區，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，故運用全站儀、水準儀等測量儀器進行現場數據采集實施起來較為困難，操作繁瑣，且平面坐標和高程需分開采集，效率較低。近年來隨著GPS技術的不斷發展和完善，目前該技術具有全天候、實時、精度高、可同時獲取三維坐標、測站間無需通視、數據采集和數據處理自動化程度高等優勢，可有效彌補傳統測量方式在山區滑坡變形監測中的的限制和不足，減小勞動強度，提高工作效率。

本文主要從監測網的布設、數據采集、數據處理和結果分析四個方面闡述了GPS技術在滑坡變形監測中的應用。

2 GPS技術在滑坡變形監測中的應用

2.1 滑坡概況

滑坡位于成都市西部龍門山地震斷裂帶上，屬推移式土質滑坡，縱向長約300 m，橫向寬約220 m，前后緣高差約50 m。滑坡體前緣周圍有10余戶農戶和一條鄉村公路。近年來受周邊余震影響及雨水不斷沖刷、侵蝕，滑坡體上常發生局部變形，個別地方出現拉裂縫，目前處于為欠穩定狀態。

2.2 監測網的布設

監測網分兩級布設，包括監測控制網和變形監測網，監測網點包括基準點、工作基點和變形監測點三類點位。由于采用GPS技術無須測站間通視，故工作中僅需布設基準點和變形監測點兩類點位。結合滑坡已有1∶2000數字化地形圖，本次在滑坡體影響范圍外穩固區域選取基準點3個(K1～K3)，在滑坡體上選取變形監測點8個(J1～J8)，具體分布如圖1所示。

圖1 監測網點分布示意

布設點位時需注意以下幾個方面問題：

(1)基準點應分布在滑坡體影響范圍外穩定區域，且利于長期保存，不易被破壞；變形監測點應是滑坡體特征點，能反映整個滑坡變化情況。

(2)基準點與變形監測點均選用設有強制對中裝置的監測墩埋設，以消除接收機對中整平誤差，同時避免了儀器高測量誤差。

(3)基準點與變形監測點周圍(直線距離200 m)應無茂密樹木遮擋，無高壓輸電線、無通訊基站、無大面積水域。

2.3 數據采集

數據采集采用3臺上海華測i80高精度雙頻GPS接收機，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。測量時采用靜態測量模式，將其中兩臺接收機架設在基準點上持續采集數據，另一臺按照采集時段要求輪流架設在各待測點上采集數據。

在對變形監測網點進行數據采集前，首先應對監測控制網點進行控制測量，獲取基準點三維坐標，以此作為后續各期數據處理中的已知起算數據。根據GB 50026-2007《工程測量規范》[5]、GPS測量原理及應用[6]相關規定及本次監測工程實例，測量時段、采樣間隔、高度截止角等測量參數要求具體規定見表1。

表1 數據采集要求

2.4 數據處理

數據處理采用與GPS接收機配套的軟件CHC Geomatics Office(CGO)，數據處理流程如下幾步：

(1)原始數據預處理。檢查原始數據中的點名是否正確和重復、天線高是否輸入、天線類型(型號)是否與所用接收機一致、采樣間隔設置是否正確等，確保原始數據的完整、有效。

(2)基線處理。利用軟件基線處理功能，對所有觀測基線進行處理，求取固定解。基線處理完成后，對向量比率Ratio值小于3的基線進行再處理，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)網平差。所有基線處理完成并滿足限差要求后，代入已知基準點坐標對觀測網進行網平差，獲取各變形監測點的三維坐標。

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

表2 網平差精度限差指標

3 結果分析

數據處理完成后，利用式(1)、式(2)可計算監測點在N、E、H三個方向上本期位移變化量與周期累計位移變化量，利用式(3)計算監測點本期距離變化量ΔDi與周期累計距離變化量ΣΔDi：

(1)

(2)

(3)

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

選取第9期數據處理結果進行分析，其余各期按相同方法均可獲取監測點變化情況。

3.1 監測點三維坐標

第9期監測點三維坐標見表3。

表3 第9期監測點三維坐標 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

所有監測網點本期位移與距離、累計位移與距離變化量及變化率計算完成后，即可繪制各監測點位在N、E、H三個方向累計位移變化趨勢、累計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，監測點J1～J5(位于滑坡后緣和中部)變形強度明顯大于前緣的點位J6～J8(位于滑坡前緣)。截至第9期，N方向累計位移最大變化量為監測點J5(22.6 mm)、E方向累計位移最大變化量為監測點J2(26.7 mm)、H方向累計位移最大變化量為監測點J2(30.3 mm)，點位累計距離變化最大量為監測點J5(41.8 mm)，均位于滑坡體中部和后緣，符合推移式土質滑坡中部、后緣變形強度大于前緣的變形特點。同時，從圖6可以看出，滑坡整體變化速率趨于穩定，截至第九期未出現變形加快跡象。

圖2 N方向累計位移量變化趨勢

圖3 E方向累計位移量變化趨勢

圖4 H方向累計位移量變化趨勢

圖5 累計距離變化趨勢

圖6 累計距離變化速率趨勢

4 結束語

本文從監測網的布設、數據采集、數據處理及結果分析四個方面闡述了GPS技術在滑坡變形監測中的應用，監測結果表明，此方法滿足滑坡等地質災害隱患變形監測工作要求。同時，相較于傳統通過測角、測距及水準測量作業模式獲取三維坐標具有以下優勢：

(1)外業數據采集操作簡單，無需儀器對中整平步驟。

(2)作業無需考慮通視條件，尤其是在植被茂密、多云霧的山區作業優勢特別明顯。

(3)避免了水準測量轉站繁瑣、前后視距(差)受限等煩惱，極大地減輕了工作量，節約生產成本。