GPS技术在滑坡变形监测中的应用探讨

宋文强，邓思楠，贾志宏，郑志军，陈韵骐，柯 江

(成都市地质环境监测站，四川成都 610042)

近年来，受地震、降雨、工程建设及人类活动等因素影响，我市西部龙门山区和东部龙泉山区存在较多地质灾害隐患点，如滑坡、崩塌、泥石流等，时刻威胁人民群众的生命及财产安全[1-2]。为贯彻落实国家、省、市各级部门提出的“科学防灾”工作要求，当前地质灾害防治工作的重心是运用高效、便捷、可靠的技术方法和手段对地质灾害体进行变形监测，摸清其变化信息，揭示和预测坡体的变形趋势，为减灾防灾、工程建设安全、环境保护等提供决策建议[3-4]。

1 滑坡变形监测方法

滑坡变形监测主要是通过获取滑坡体特征点不同时期的三维坐标，用作差的方式求取各点位变化值，进而推算滑坡变形信息。利用传统大地测量方式进行变形监测主要是用全站仪获取点位平面二维坐标、水准测量获取点位高程值。但滑坡等地质灾害隐患点多位于山区，高差起伏大，植被茂密、通视条件差，局部小气候天气常见、多云雾，故运用全站仪、水准仪等测量仪器进行现场数据采集实施起来较为困难，操作繁琐，且平面坐标和高程需分开采集，效率较低。近年来随着GPS技术的不断发展和完善，目前该技术具有全天候、实时、精度高、可同时获取三维坐标、测站间无需通视、数据采集和数据处理自动化程度高等优势，可有效弥补传统测量方式在山区滑坡变形监测中的的限制和不足，减小劳动强度，提高工作效率。

本文主要从监测网的布设、数据采集、数据处理和结果分析四个方面阐述了GPS技术在滑坡变形监测中的应用。

2 GPS技术在滑坡变形监测中的应用

2.1 滑坡概况

滑坡位于成都市西部龙门山地震断裂带上，属推移式土质滑坡，纵向长约300 m，横向宽约220 m，前后缘高差约50 m。滑坡体前缘周围有10余户农户和一条乡村公路。近年来受周边余震影响及雨水不断冲刷、侵蚀，滑坡体上常发生局部变形，个别地方出现拉裂缝，目前处于为欠稳定状态。

2.2 监测网的布设

监测网分两级布设，包括监测控制网和变形监测网，监测网点包括基准点、工作基点和变形监测点三类点位。由于采用GPS技术无须测站间通视，故工作中仅需布设基准点和变形监测点两类点位。结合滑坡已有1∶2000数字化地形图，本次在滑坡体影响范围外稳固区域选取基准点3个(K1～K3)，在滑坡体上选取变形监测点8个(J1～J8)，具体分布如图1所示。

图1 监测网点分布示意

布设点位时需注意以下几个方面问题：

(1)基准点应分布在滑坡体影响范围外稳定区域，且利于长期保存，不易被破坏；变形监测点应是滑坡体特征点，能反映整个滑坡变化情况。

(2)基准点与变形监测点均选用设有强制对中装置的监测墩埋设，以消除接收机对中整平误差，同时避免了仪器高测量误差。

(3)基准点与变形监测点周围(直线距离200 m)应无茂密树木遮挡，无高压输电线、无通讯基站、无大面积水域。

2.3 数据采集

数据采集采用3台上海华测i80高精度双频GPS接收机，其平面测量精度为±(2+0.5×10-6×D) mm，高程测量精度为±(5+0.5×10-6×D) mm。测量时采用静态测量模式，将其中两台接收机架设在基准点上持续采集数据，另一台按照采集时段要求轮流架设在各待测点上采集数据。

在对变形监测网点进行数据采集前，首先应对监测控制网点进行控制测量，获取基准点三维坐标，以此作为后续各期数据处理中的已知起算数据。根据GB 50026-2007《工程测量规范》[5]、GPS测量原理及应用[6]相关规定及本次监测工程实例，测量时段、采样间隔、高度截止角等测量参数要求具体规定见表1。

表1 数据采集要求

2.4 数据处理

数据处理采用与GPS接收机配套的软件CHC Geomatics Office(CGO)，数据处理流程如下几步：

(1)原始数据预处理。检查原始数据中的点名是否正确和重复、天线高是否输入、天线类型(型号)是否与所用接收机一致、采样间隔设置是否正确等，确保原始数据的完整、有效。

(2)基线处理。利用软件基线处理功能，对所有观测基线进行处理，求取固定解。基线处理完成后，对向量比率Ratio值小于3的基线进行再处理，直至所有基线Ratio值大于3(越大越好)。同时，所有基线相对中误差要求小于5 mm。

(3)网平差。所有基线处理完成并满足限差要求后，代入已知基准点坐标对观测网进行网平差，获取各变形监测点的三维坐标。

(4)成果检查。平差完成后对平差各项精度进行逐项检查，若不符合精度要求需返回第(1)步重新开始处理步骤，直至各项指标精度均符合限差要求，精度限差如表2所示。

表2 网平差精度限差指标

3 结果分析

数据处理完成后，利用式(1)、式(2)可计算监测点在N、E、H三个方向上本期位移变化量与周期累计位移变化量，利用式(3)计算监测点本期距离变化量ΔDi与周期累计距离变化量ΣΔDi：

(1)

(2)

(3)

式中：i指观测期数，(ΔNi,ΔEi,ΔHi,ΔDi)代表监测点第i期相较于i-1期的三个方向位移和点位距离变化量，(∑ΔNi,∑ΔEi,∑ΔHi,∑ΔDi)代表监测点第i期相较于首期(i=1)的三个方向累计位移和累计距离变化量。

选取第9期数据处理结果进行分析，其余各期按相同方法均可获取监测点变化情况。

3.1 监测点三维坐标

第9期监测点三维坐标见表3。

表3 第9期监测点三维坐标 m

3.2 位移与距离变化量其变化率

位移与距离变化量及变化率见表4。

表4 位移与距离变化量及变化率

3.3 变化趋势

所有监测网点本期位移与距离、累计位移与距离变化量及变化率计算完成后，即可绘制各监测点位在N、E、H三个方向累计位移变化趋势、累计距离变化趋势及变化速率趋势图(图2～图6)。

从图2～图5可以直观地看出，监测点J1～J5(位于滑坡后缘和中部)变形强度明显大于前缘的点位J6～J8(位于滑坡前缘)。截至第9期，N方向累计位移最大变化量为监测点J5(22.6 mm)、E方向累计位移最大变化量为监测点J2(26.7 mm)、H方向累计位移最大变化量为监测点J2(30.3 mm)，点位累计距离变化最大量为监测点J5(41.8 mm)，均位于滑坡体中部和后缘，符合推移式土质滑坡中部、后缘变形强度大于前缘的变形特点。同时，从图6可以看出，滑坡整体变化速率趋于稳定，截至第九期未出现变形加快迹象。

图2 N方向累计位移量变化趋势

图3 E方向累计位移量变化趋势

图4 H方向累计位移量变化趋势

图5 累计距离变化趋势

图6 累计距离变化速率趋势

4 结束语

本文从监测网的布设、数据采集、数据处理及结果分析四个方面阐述了GPS技术在滑坡变形监测中的应用，监测结果表明，此方法满足滑坡等地质灾害隐患变形监测工作要求。同时，相较于传统通过测角、测距及水准测量作业模式获取三维坐标具有以下优势：

(1)外业数据采集操作简单，无需仪器对中整平步骤。

(2)作业无需考虑通视条件，尤其是在植被茂密、多云雾的山区作业优势特别明显。

(3)避免了水准测量转站繁琐、前后视距(差)受限等烦恼，极大地减轻了工作量，节约生产成本。