GPS RTK技術(shù)在滑坡動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

趙晉帥

（山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，山西太原030006）

我國(guó)是一個(gè)自然地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生的國(guó)家，由于國(guó)土資源遼闊，所以山體滑坡事故也很多，一旦山體滑坡出現(xiàn)，將嚴(yán)重威脅著我國(guó)人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全，造成房屋倒塌、生產(chǎn)設(shè)施損壞以及大量人員的傷亡，所以必須要采取有效的措施來(lái)對(duì)山體滑坡的動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)性的檢測(cè)。目前我國(guó)對(duì)于滑坡災(zāi)害的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性變形監(jiān)測(cè)水平，已經(jīng)有了很大程度的提高，現(xiàn)在應(yīng)用的是高精度的儀器測(cè)定法或是使用測(cè)量機(jī)器人來(lái)完成對(duì)滑坡的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)，不過(guò)關(guān)于GPS RIK技術(shù)在滑坡動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用文獻(xiàn)研究并不多，還需要進(jìn)一步考察，探究GPS RIK技術(shù)應(yīng)用在滑坡動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)中的可行性，希望GPS RIK技術(shù)可以實(shí)時(shí)性地跟蹤和監(jiān)測(cè)滑坡從穩(wěn)定到出現(xiàn)破壞狀態(tài)的過(guò)程[1-4]。

1 GPS RTK技術(shù)

一般的GPS技術(shù)，需要在測(cè)量以后進(jìn)行計(jì)算，才可以獲得一定精度，而RTK技術(shù)則可以在野外進(jìn)行實(shí)時(shí)性的測(cè)量，使用載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分即Real time kinematic的測(cè)量方法，通過(guò)GPS RTK技術(shù)的應(yīng)用，能夠更好地完成工程放樣、地形測(cè)圖等項(xiàng)目，大大提高了野外作業(yè)的測(cè)量效率。

GPS RTK技術(shù)是一種高度自動(dòng)化、集成化的實(shí)時(shí)測(cè)繪技術(shù)，作業(yè)效率非常高，很大程度上減少了測(cè)量所需的控制點(diǎn)及測(cè)儀器的移動(dòng)次數(shù)，只要一人操作就可以了，幾秒內(nèi)就可以獲得三維坐標(biāo)，作業(yè)速度非?？欤瑒趧?dòng)強(qiáng)度低，大大減少了人們的戶外作業(yè)量，具有操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，由南方測(cè)繪公司生產(chǎn)的RTK測(cè)量系統(tǒng)，不需要對(duì)基準(zhǔn)站進(jìn)行設(shè)置，只需要在流動(dòng)站上面移動(dòng)就可以獲得測(cè)量坐標(biāo)，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的輸入存儲(chǔ)和處理轉(zhuǎn)換、輸出方面的功能非常強(qiáng)大，可以同計(jì)算機(jī)及測(cè)量?jī)x器進(jìn)行實(shí)時(shí)性的信息傳輸。

RTK技術(shù)的實(shí)施關(guān)鍵可以由數(shù)據(jù)處理技術(shù)及傳輸技術(shù)來(lái)進(jìn)行。因?yàn)镽TK技術(shù)定位需要基準(zhǔn)站中的接收機(jī)能夠把實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的觀測(cè)數(shù)據(jù)，也就是偽距觀測(cè)值和相位觀測(cè)值，通過(guò)已知數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞絺鬟f給流動(dòng)站中的接收機(jī)。由于數(shù)據(jù)的傳輸量很大，基本上可以達(dá)到9 600波特率，因此只能以無(wú)線電傳輸?shù)姆绞絹?lái)進(jìn)行。

2 GPS RTK技術(shù)原理

RTK技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是在載波相位觀測(cè)基礎(chǔ)上開展起來(lái)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位技術(shù)，可以提供出測(cè)站點(diǎn)在坐標(biāo)系當(dāng)中的定位結(jié)果，精度為厘米級(jí)。基準(zhǔn)站可以經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)鏈把觀測(cè)到的數(shù)據(jù)和坐標(biāo)信息傳送到流動(dòng)站，這樣流動(dòng)站就可以把數(shù)據(jù)鏈接收到的觀測(cè)數(shù)據(jù)和GPS采集數(shù)據(jù)進(jìn)行偽距差分觀測(cè)值處理，不到1 s即可給出定位結(jié)果[5-7]。因此，流動(dòng)站可以是靜止的，也可以是運(yùn)動(dòng)的，可以在固定點(diǎn)上完成初始化，再進(jìn)行動(dòng)態(tài)作業(yè)，也可以動(dòng)態(tài)開機(jī)，在動(dòng)態(tài)下進(jìn)行整周模糊度搜索和計(jì)算。當(dāng)整周模糊解確定后，每一歷元都開始進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，最少要保持四顆衛(wèi)星的相位觀測(cè)跟蹤，流動(dòng)站就可以隨時(shí)給出動(dòng)態(tài)的定位結(jié)果。

3 滑坡動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案

本次滑坡動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)的物理模型試驗(yàn)場(chǎng)地將設(shè)在我單位院內(nèi)。

試驗(yàn)中所選取的滑坡物理模型的底部長(zhǎng)度大約是18 m，寬度是15 m，設(shè)計(jì)滑坡模型的頂部長(zhǎng)度為8 m，寬度也是8 m，設(shè)計(jì)前后緣的高度差是4 m，對(duì)滑坡模型進(jìn)行黃土填筑，而對(duì)滑坡的滑面可以進(jìn)行人工預(yù)制，設(shè)定滑坡模型的主要滑向是正東。

在此次滑坡動(dòng)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中，一共將布設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即W1、2、3、4、5，這5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)將位于滑坡模型堆載區(qū)的上方，并且在上面安設(shè)4臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)，外加1臺(tái)全站儀目標(biāo)棱鏡，將X5設(shè)為目標(biāo)棱鏡的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，X2設(shè)為GPS RIK接收機(jī)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，而X1、3、4監(jiān)測(cè)點(diǎn)上放置好GPS接收機(jī)天線，從而完成對(duì)滑坡模型的動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)，確保監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)可以被布設(shè)在距離滑坡坡體30 m以外的相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域。在實(shí)驗(yàn)中，將設(shè)計(jì)3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，分別是WA01、02、03，在基準(zhǔn)點(diǎn)上方將架設(shè)GPS接收機(jī)和GPS RIK基準(zhǔn)站接受機(jī)。

滑坡模型動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)將從早上8點(diǎn)開始，一直到下午6點(diǎn)鐘的時(shí)候，滑坡模型已經(jīng)發(fā)生了完全破壞，而且不再變形的時(shí)候即停止。在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)上方的GPS接收機(jī)和GPS RIK接收機(jī)的數(shù)據(jù)采集率都是1 s，可以很好地采集到滑坡在快速動(dòng)態(tài)變形時(shí)的三維信息。將采取人工操作的方式進(jìn)行全站儀的信息采集，采集的效果不是很好，每次采集需要耗費(fèi)30 s的時(shí)間。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

在滑坡模型動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)開始以后的2 h，滑坡相對(duì)來(lái)說(shuō)還比較穩(wěn)定，東方向和北方向上的變形程度不是很大，保持在了10 mm內(nèi)，垂直高度方向在2 h內(nèi)的變形程度也在20 mm以內(nèi)，但是在接下來(lái)的1.5 h中，滑坡模型在垂直方向上已經(jīng)開始有40 mm的變形量，不過(guò)此時(shí)的滑坡后緣還沒(méi)有出現(xiàn)特別明顯的裂縫，但總體來(lái)說(shuō)已經(jīng)出現(xiàn)了下滑趨勢(shì)，這和我們?cè)诨略囼?yàn)現(xiàn)場(chǎng)所看到的情況是比較相一致的，GPS RTK系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度在平面方向上大約是10 mm，在高程方向上的精度大約是20 mm。GPS RTK系統(tǒng)的滑坡監(jiān)測(cè)精度，見(jiàn)表1。

表1 1階段GPS RTK系統(tǒng)滑坡監(jiān)測(cè)精度/mm

在滑坡試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的2階段，也就是從下午2點(diǎn)開始，需要對(duì)滑坡進(jìn)行坡腳卸載，此后滑坡坡體將會(huì)出現(xiàn)非常明顯的變形和裂縫，而且會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)，先開始滑塌的是GPS TIK接收到的W2位置，塌垮的方向是北東向，從滑坡開始出現(xiàn)滑動(dòng)一直到破壞的這一階段滑坡在垂直方向上的變化已經(jīng)很明顯了，當(dāng)滑坡被破壞掉時(shí)，垂直方向上的變形量已經(jīng)達(dá)到了270 mm，不過(guò)平面變形量要相對(duì)小一些，只有30 mm左右的變形量，在東方向的變形量則大約是20 mm，北方向的變形量是10 mm左右，所以滑坡在滑塌時(shí)主要是向東傾斜。

表2 2階段GPS RTK系統(tǒng)滑坡監(jiān)測(cè)精度/mm

GPS RTK技術(shù)在滑坡動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)中的測(cè)量精度信息，見(jiàn)表2，同GPS RIK接收機(jī)所需要跟蹤到衛(wèi)星數(shù)量及PDOP值比較可知，GPS RIK技術(shù)的測(cè)量精度同能夠跟蹤并監(jiān)測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)量是有很大關(guān)系的，在滑坡變形的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，我們需要有足夠多的衛(wèi)星數(shù)量，至少應(yīng)該保證在7顆衛(wèi)星以上，這樣可以很好地提升GPS RIK技術(shù)的滑坡監(jiān)測(cè)精度，將平面精度控制在15 mm之內(nèi)，高程垂直精度控制在20 mm內(nèi)。

為了能夠確保GPS RIK技術(shù)在滑坡試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)結(jié)果的有效性，我們可以使用全站儀測(cè)量技術(shù)同GPS單歷元技術(shù)來(lái)進(jìn)一步觀察并監(jiān)測(cè)出滑坡變形的整個(gè)過(guò)程看，雖然全站儀的監(jiān)測(cè)頻率比較低，同時(shí)全站儀的兩個(gè)監(jiān)測(cè)位置還有2 m的距離，在滑坡變形過(guò)程中，滑坡體上會(huì)有很多的裂縫，所以導(dǎo)致滑坡在每個(gè)方向上的變形情況都是不一樣的，但是GPS RIK技術(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果同全站儀的監(jiān)測(cè)結(jié)果還是比較相接近的，同GPS RIK技術(shù)的監(jiān)測(cè)誤差大約在15 mm左右，證明GPS RIK技術(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果是非?？煽康?。

因?yàn)楸O(jiān)測(cè)技術(shù)的采樣頻率是一致的，所以即使不是在相同的監(jiān)測(cè)位置上，GPS單歷元定位技術(shù)監(jiān)測(cè)和GPS RTK系統(tǒng)在滑坡動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中的監(jiān)測(cè)結(jié)果還是非常相似的，這也就意味著，在6 000 s以前，滑坡測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的變形數(shù)據(jù)和變形變化趨勢(shì)是接近的，在最大位移上面，二者也幾乎相差無(wú)幾，也就證明了GPS RTK技術(shù)應(yīng)用在滑坡動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變形檢測(cè)中的監(jiān)測(cè)結(jié)果是非?？煽康?。

5 結(jié)論

通過(guò)本次的滑坡動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)可知，將GPS RTK技術(shù)應(yīng)用到滑坡的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中具有重要的實(shí)踐意義，只要符合監(jiān)測(cè)條件，保證基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量7顆以上，就可以讓GPS RTK系統(tǒng)正常運(yùn)行，確保GPS RTK技術(shù)的監(jiān)測(cè)精度可以在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，基本上可以保證GPS RTK系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果同全站儀的三維測(cè)量結(jié)果相一致，將平面精度控制在15 mm之內(nèi)，高程垂直精度控制在20 mm。