1、GPS 在变形监测中的应用摘要：全球定位系统 GPS( Global Positioning System) ,以其连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点,对经典大地测量学以及地球动力学研究诸多方面产生了极其深刻的影响,在工程及灾害监测中的应用也越来越广泛。但同时也存在不足和局限性。本文首先对变形监测的理论及 GPS 在其应用状况进行阐述，再结合实例对 GPS 在变形监测中应用进行分析、数据处理和总结。 关键词：GPS；变形监测；数据处理 Abstract: the global positioning system GPS (Global Positioning System),
2、 with its continuous, real-time, high precision, all-weather measurement and high degree of automation, exerting profound impact on the study of geodynamics and many aspects of classical geodesy, used in engineering and disaster monitoring are also more and more widely. But it also has some disadvan
3、tages and limitations. Firstly, theory and GPS for deformation monitoring in its application were described, combined with case analysis, the application of GPS in deformation monitoring data processing and summary. Keywords: GPS; deformation monitoring; data processing 一、变形监测的基本概念 物体变形超过一定限度就会产生危害，
4、就必须通过变形监测方法了解变形，在变形影响范围内以外区域设置稳定的测量基准点，在变形体上设置被监测的测量标志，从基准点出发，定期地测量监测点相对于基准点的变化量，从历次监测结果比较中了解变形随时间发展的情况。这个过程就是所谓的变形监测。它是工程测量学的重要研究内容。其具体表现为对于大型建筑物，主要是保证建筑物的安全运营，提高运营效益；对于机械设备，则保证设备安全、可靠、高效地运行，为改善产品质量和新产品的设计提供技术数据；对于滑坡，通过监测其随时间的变化过程，可进一步研究引起滑坡的成因，预报大的滑坡灾害。 二、GPS 用于变形监测的发展趋势 根据对国内外 GPS 变形监测的现状分析和对变形监测
5、的客观要求，可将 GPS 变形监测的发展趋势概括为以下几个方面: 1) 建立 GPS 变形监控在线实时分析系统 对于大坝、大型桥梁、高层建(构)筑物、滑坡和地区性地壳变形监测，研究建立技术先进而又实用的 GPS 变形监控在线实时分析系统是一个重要的发展趋势。 2）建立“3S”(GPS、GIS、RS)集成变形监测系统 随着计算机技术、无线电通讯技术、空间技术及地球科学的迅猛发展， “3S” 技术已从各自独立发展进入相互集成融合的阶段。研究“3S”集成变形监测系统,也是变形监测技术的重要发展趋势之一。 三、 GPS 在变形监测中的优缺点 利用 GPS 定位技术进行变形监测具有下列优点, 因而得到了
6、广泛应用, 成为变形监测中的一种新的有效的手段。 1）测站间无需保持通视。 2）能同时测定点的三维位移。 3）全天候监测。 4）易于实现全系统的自动化。 5）可消除或削弱部分系统误差的影响 当然, 利用 GPS 定位技术进行变形监测时, 也存在某些不足之处, 主要表现在下列方面： 1）点位选择的自由度较低。 2）从整体上讲监测条件往往较差。 3） 函数关系过于复杂, 误差源多。 3GPS 在变形监测中的应用 3.1 工程概况 米易变电站滑坡位于西攀高速公路 K109+100 处，安宁河大桥西端，距县城约 5O0m 的山间凹地。该滑坡为一大型古滑坡，高速公路以半挖半填方式于滑坡中前缘通过，滑坡主
7、滑方向与公路走向交角近 60o，滑坡三面临山，滑坡体地形中部高两侧低，滑坡左侧壁以冲沟为界，右侧壁及后缘以缓坡与山体相接，滑坡舌则覆盖于安宁河工阶之上，其周界基本清楚。该滑坡纵向长 800m，横向宽 400-700m 不等，总体上呈上小、下大、中部略窄的“吊钟”型外貌特征。滑坡前缘舌状突出，呈弧形，地形较陡，平均纵坡坡度 10o-20o，坡面有大面积稻田及建筑物分布。中部鼓丘地形明显，在坡面流水、冲沟及人工改造下地形显得较为凌乱，为荒坡旱地，平均纵坡坡度 20o-30o。滑坡中后部为缓坡平台地形，地形整体上较为连续，为大面积稻田及旱地区。滑坡前缘高程 1092m，后缘高程1198m，前后缘高差
8、约为 106m。滑坡体前缘有米易变电站、后缘有新建的自来水厂及大量民房、电杆等建筑物，均未发现有滑移的痕迹，调查发现该滑坡目前的稳定性较高。 1）滑坡发生的原因分析 发生滑坡的因素主要有自然因素和人为因素。自然因素包括地形地貌、地层岩性、地质构造、地震、降雨等人为因素包括水利、交通及资源开发等工程项目的大量实施等。无论自然因素或人为因素都会破坏山体原有的力学平衡，使原已稳定的滑坡重新开始滑动，或者产生新的滑坡，滑坡的发生往往是人为因素与降雨量、地质环境条件相互作用的结果。 高速公路建设过程中的不合理的削坡导致自然斜坡抗滑力降低，同时一些削坡过程中的爆破震动使坡体结构发生变化，岩体结构更加疏松，
9、从而引发滑坡。滑坡的主要诱发因素为降雨，我国西南部属多雨地区，每年由降雨诱发的滑坡占总数的绝大部分，滑坡发生时会掩埋公路、砸坏路基及公路桥、中断交通，造成行车事故、引起人身伤亡，滑坡严重威胁西南山区的高速公路交通安全。 2）滑坡监测的目的和内容 加强高速公路沿线滑坡的监测、预报是高速公路防灾减灾的重要手段。通过对地质不良地段的地表位移进行监测，可以分析滑坡体形变情况与规律，进而结合地质资料进行滑坡变形趋势预报，为滑坡防治提供科学依据。滑坡监测是滑坡防治和预报工作中的重要环节，滑坡监测包括滑坡体地表滑移痕迹的目视调查、滑坡体地表位移变形监测、滑坡体内部岩层倾斜变形监测、滑坡体深层应力应变监测和外
10、部环境监测，如降雨量、地下水位监测等等。而地表位移变形监测是对滑坡体上的监测点进行不同周期重复监测，根据这些监测点坐标的变化，可了解滑坡体几何形变的情况及其随时间发展变化的规律，它是滑坡变形监测的重要内容，也是判断滑坡是否稳定的重要依据。 3.2 GPS 滑坡监测网的技术设计 GPS 滑坡变形监测网设计的目的在于，用最经济的外业监测方案与合理的监测精度，来有效地确定变形。如果监测精度不高，就不能有效地发现粗差、抵抗粗差，就不可能灵敏地发现滑坡变形信息，也就无法满足高速公路滑坡安全监测的需要。但是，如果盲目追求过高的精度，以至于监测一次所需时间太长，会降低工作效率，增加监测成本，既不合理也没有必
11、要。 1）滑坡监测精度 根据西攀高速公路滑坡监测工程和测区地质情况，GPS 监测精度采用C 级标准，即固定误差 10mm，比例误差系数-6.利用 Trimble 4600LS 单频 GPS 接收机进行静态测量，该接收机平面精度可达 5mm 以内，高程精度可达 10mm 以内。 2）GPS 滑坡监测网设计 GPS 滑坡监测网的设计包括基准点设计和监测点设计，与常规的滑坡监测网相比，GPS 滑坡监测网有自己的特点: (l)GPS 网是非层次结构，可以一次布网。 (2)GPS 控制网精度与测时卫星几何分布有关，受控制网网型影响较小。 (3)GPS 网的监测量为 WGS-84 坐标下的基线向量，包含了
12、尺度和方位信息，只需要一个已知点的坐标即可确定控制网的平移量。 GPS 滑坡监测的基准点点位选择应遵循以下原则: (1)地质条件好，点位稳定，便于长期保存。 (2)适合进行 GPS 监测，无显著多路径效应。 GPS 滑坡监测的监测点点位的选择应遵循以下原则: (1)能有效反映滑坡变形特征。 (2)适合进行 GPS 监测。 3）GPS 监测的基本技术要求 GPS 滑坡监测的外业工作主要包括选点、埋石、监测及成果质量检核等。对滑坡体变形监测点的选择，除了满足 GPS 监测的要求外，应该将点位设在滑坡体上能反映变形特征的位置上。标石埋设必须坚固稳定、便于长期保存和使用。各类标石埋设好后应填写点之记，
13、方便外业监测使用。GPS 滑坡监测外业准备工作，主要有仪器设备的检验和拟定外业监测计划等。根据监测网的点位布设情况拟定外业监测计划，作为外业监测的依据。 4）监测者填写测量手簿。 GPS 测量能直接给出点的三维坐标，天线高的量取误差是高程误差的主要来源。外业监测时，应在天线互为 120o 方向上量取天线高，其互差小于 3mm 时取均值作为天线高。 3.3 GPS 滑坡监测数据处理 对 GPS 变形监测网 , 固定多个已知基准点的约束平差 , 会将已知基准点的误差引入 GPS 监测点。所以, 各期基线解算有了统一的位置基准后, GPS 基线向量网平差在每期中一般先做固定已知点的无约束平差更能反映
14、实际情况。在很难确定稳定的基准点的变形监测中,平差时主要采用秩亏自由网平差和拟稳平差方法。秩亏自由网平差成果和拟稳平差成果可以由经典自由网平差成果转换得到。因此, 在对稳定的基准点难以确定的 GPS 变形监测网平差计算时, 可以固定一个基准点, 加入抗差估计, 对全网进行经典自由网平差, 然后将平差成果转换为秩亏自由网平差成果和拟稳平差成果, 进行变形分析。 3.3.1 GPS 变形数据处理 1）西攀高速公路 GPS 滑坡监测网布设 米易变电站滑坡 GPS 变形监测网从 2004 年 8 月 4 日至 2006 年 8 月27 日共进行 11 期监测。该 GPS 变形监测网共设置 8 个 GP
15、S 点，其中 3 个基准点(强制对中墩)位于滑坡以外的相对稳定区域，5 个监测点(混凝土标石)位于滑坡体上，相邻监测点间平均距离 108m，基准点距滑坡体约800m，各 GPS 监测点布置见下图 图 3-1 米易变电站滑坡 GPS 变形监测网 3.3.2 GPS 滑坡监测网基准点稳定性分析 对 GPS 滑坡变形监测网进行周期性监测时，滑坡体的变形是相对于基准点的，只有当基准点稳定，所求监测点的位移才是真实位移，所以进行滑坡变形分析前必须进行基准点稳定性分析。当证明了基准点的稳定性，还需要区分各期监测点的坐标差异是监测误差还是点位的真实变形，这就需要对变形监测点进行稳定性分析。用不同期基准点间基
16、线重复监测值的较差与基线监测值的精度做对比，可以对基准点的稳定性进行分析。米易变电站滑坡基准点间不同期基线较差值平均为 3mm；小于 C级 GPS 监测网重复基线长度较差 2 的限差要求，可以判断米易变电站滑坡的基准点均稳定可靠。 1）米易滑坡沉降监测成果汇总与分析 滑坡变形可能的表现为，在平面上沿某方向的滑移，以及在竖直方向上的降沉，但沉降是主要的。对滑坡监测沉降数据进行分析，可以充分反映滑坡的稳定情况， 在米易滑坡沉降数据中，高程变化量为正数的 24 个，占总数的57%；高程变化量为负数 16 个，高程变化量为零的 2 个，共占总数的43%；符合偶然误差的分布规律，所有监测点累计沉降量平均
17、值为5.5mm，说明米易滑坡监测数据中的高程变化量主要由测量偶然误差构成，也说明了滑坡体目前处于稳定阶段。 2）米易变电站滑坡 GPS 监测点变形分析 根据 GPS 监测网的静态测量监测误差统计，米易滑坡监测中高程测量中误差为 8.2mm，点位中误差为4.6mm，如果仅考虑接收机的测量误差，可得到 GPS 监测点两期高程差中误差为17mm，坐标差的中误差应为10mm。 由于 GPS 滑坡变形监测点采用了普通标石，安置 GPS 天线须对中、整平，量取天线高。计算 GPS 监测点两期坐标差的中误差时应考虑 GPS天线的对中误差和天线的量高误差。 按普通光学仪器的安置和量高方法考虑，天线量高中误差为
18、3mm，GPS 天线对中中误差为2mm，则 GPS 监测点两期高程差的中误差为17.3mm，坐标差的中误差为10.2 mm。 取两倍中误差为 GPS 监测点两期坐标差的容许误差，则监测点两期坐标差的容许误差为21mm；高程差的容许误差为35mm。也就是说，只要 GPS 监测点两期坐标差和高程差没有超过容许误差，就不能认为 GPS滑坡监测点发生了变形。 通过对 GPS 监测点坐标变化数据统计，所有监测点在为期两年共 11期的 GPS 监测过程中基本稳定。有个别 GPS 监测点两期坐标差超限的情况，经现场调查证实为 GPS 天线对中偏差所致，如 M1 点的第六次监测值等。 3）米易变电站滑坡 GP
19、S 监测精度分析 米易变电站滑坡经两年的 GPS 监测，通过数据分析说明该处滑坡目前均相对稳定。在滑坡变形监测点稳定的情况下，则 GPS 监测点两期的坐标变化量仅由监测误差引起。由于滑坡各期 GPS 监测为等精度监测，可以用双监测值之差计算监测值的中误差，即验后点位或高程监测值的中误差可按下式计算为: m=（3-1） 式中:d坐标差；n坐标差个数。 据此计算米易变电站滑坡 GPS 监测中误差: 点位中误差=6.1mm； 高程中误差=7.4mm； 那么，坐标差的中误差=8.6mm； 高程差中误差=10.5mm。 可以看出，GPS 监测网的平差精度与验后精度基本一致。 总结 GPS 技术已经广泛应用于多种变形监测项目中，如水电工程中的大坝变形监测、库区的高边坡监测、大型滑坡的变形监测等。本文结合西攀高速公路 GPS 滑坡变形监测网的实测数据，对 GPS 滑坡变形监测网的设计、监测、数据处理、变形分析等进行了研究，得到以一下一些初步结论和认识： 1) GPS 技术可以取代常规滑坡监测方法用于滑坡监测。 2) GPS 滑坡监测网宜采用有更多检验条件的边连接网型，基准点宜采用固定基准，监测点的选择应能代表滑坡体的变化特征并埋设简易强制对中墩，应充分考虑地形对卫星的遮蔽，在监测前进行卫星的可见性预报。 3) GPS 滑坡监测的目的是得到监测点相邻两期的位置相对变化，为
