GPS用于三峡库区滑坡监测的研究
摘要：为探索GPS在三峡库区滑坡监测中的应用，项目组于1999年2～7月在库区12个滑坡体上，开展GPS观测时最佳时段、最佳时段长度、最佳截止高度角、最佳基准点数及分布，选用星历、解算软件、快速静态定位，GPS与GLONASS组合定位，不同气象参数等项试验与研究，获得一批有益的结论。实践证明，今后在三峡库区滑坡监测时，完全可用GPS代替常规的外观测量方法，且在精度、监测速度、时效性、效益等方面都有明显的优势。
关键词：GPS 三峡库区 滑坡监测 监测方法 精度分析
为了更好地开展长江三峡库区地质灾害的监测和防治，完善监测手段，形成高水平的立体综合监测网，推动动态监测，建立地质灾害化监测创造条件，作者于1999年2～7月，在三峡库区链子崖至巴东库段，布设60个GPS监测点，进行GPS滑坡监测试验，以探索三峡库区滑坡监测能否用GPS代替常规的监测方法，GPS用于三峡库区滑坡监测能达到什么样的精度，研究GPS观测时最佳时段、最佳时段长度、最佳截止高度角、最佳基准点数及分布等选择问题，同时针对滑坡监测短边的特性，还开展GPS接收机随机软件与用精密软件解算精度比较试验，不同接收机随机软件精度、速度、完善性等比较试验，采用精密星历与用广播星历解算精度比较试验，快速静态定位试验，用双系统与单系统定位精度比较试验，用实测气象参数与用标准气象参数对精度影响的试验。
通过三期实测试验与研究，证明在三峡库区滑坡监测时，完全可用GPS来代替常规的外观测量方法，且在精度、速度、时效性、效益等方面都优于常规方法。
1 试验区GPS点位的布设
GPS监测点分二级布设，即由基准网点和滑坡体监测网点组成。各崩滑体的选择，每个崩滑体监测点的选择及试验区基准网点布设，按以下原则。
1.1 崩滑体选择的原则 选择监测崩滑体，主要根据地质体的稳定性、危险性、危害性来考虑，具体原则为：崩滑体稳定性较差、危害严重、危岩体体积大于100万m3，滑坡体面积大于500万m3；位于城镇新址或其附近，已做过详勘和进行过治理；前缘高程低于180m，后缘高程高于180m及受库水位变化影响而易滑、易崩(岸坡再造)的斜坡。按以上原则，本次试验选择了链子崖危岩体等9个崩滑体和新滩等3个滑坡。
1.2 基准网点选择原则 基准网点一般选在距崩滑体50～1000m的稳定岩体上，且适合GPS观测。每个崩滑体应有二个基准点，且最好位于该崩滑体的两侧。邻近崩滑 体可共用同一基准点。按此原则，在链子崖至巴东库段50km试验区内选择了7个基准网点(图 1)。
|
|
1.3 监测网点选择原则 监测网点即为每个崩滑体的监测点，因此应根据崩滑体的形态特征、变形特征、动力因素及监测预报等具体要素(变形方位、变形量、变形速率、时空动态、施工动态、趋势等)确定点位，且这些点位能真实地反映灾害地质体变形敏感部位；每一崩滑体监测点数一般为3～8个，且能构成1～2条监测剖面；点位应位于阻滑段前缘、下滑段前后缘、索引段前缘和滑坡体的剪出口，且适合GPS观测。本试验网中监测点距基准点之距离平均为281m，最长为895m，最短为39m。
1.4 GPS观测墩 在每一基准点和监测点上，都建GPS观测墩，且设有强制对中装置，其要求同GPS测量规范。
2 GPS监测数据采集、处理及精度分析
2.1 起算点坐标获取及精度 为了获得试验区内高精度起算点的坐标(WGS-84)，选择链子岩基准点(LZY0)为起算点，与武汉、北京、西安3个GPS跟踪站联测16h，用GAM1T软件和IGS星历解算，基线解算的精度为：南北方向±2mm、东西方向±4mm、高程±11mm。因此，可以认为LZY0点有优于±6cm的WGS-84坐标，完全能满足监测网的起算坐标的精度要求。
2.2 基准网点观测及精度 用6台双频GPS接收机和一台单频双系统接收机，在7个基准网点上同步观测16h，观测时测定气象元素，数据处理采用Bernese Ver 4.0软件和IGS星历，各基准点的点位精度如表1。从表1可看出，基线长度小于3km时，基线分量绝对精度小于±3mm，其余相对精度优于1/300万。
2.3 监测网点观测及精度 用9台GPS接收机，对12个崩滑体分别于4月中旬、5月中旬、6月中旬逐一进行3期监测，每期观测时间约为6d，每天观测2～3个时段，每时段长为2～3h。对每一滑坡体观测时，其中2台GPS接收机安置在基准点上，其他置在监测点上。
经平差，若每一崩滑体的监测点由1个基准点计算，平面位移精度优于±6mm，垂直位移精度优于±10mm；若由2个基准点计算，则平面位移精度优于±2.5mm，垂直位移精度优于±3.2mm，见表2。
表1 各基准点位精度统计(单位：mm)
| 表2 变形监测精度统计(单位：mm)
| ||||||||||||||||||||||||||||
为验证以上精度，将三期测得的平面位移与常规大地测量方法结果进行比较，若视常规大地测量方法无误差，则GPS测出的平面位移外符合精度为：mx=±3.4mm、my=±3.82mm、mP=±5.11mm；若与钻孔法观测结果进行比较(视钻孔法无误差)，则GPS测出的平面位移外符合精度为：mx=±6.49mm、my=±4.62mm、mP=±7.97mm。(事实上，在三峡库区采用的常规大地测量法和钻孔法观测精度低于GPS精度，但这是验证GPS精度的唯一方法)。从而证明GPS观测的精度是可靠的。
3.1 最佳时段的试验 在监测期间，分别在上午、下午、晚上(18时～22时)3个时间段进行观测试验。当监测精度平面位移为±(3～6)mm，垂直位移为±(6～10)mm(这是滑坡监测的精度指标)，白天与晚上任何时段观测，均可达到精度要求。
3.2 最佳时段长度试验 以新滩第二期观测资料为例，对13条基线向量，3h观测值分解成1h、1.5h、2h、3h分别解算，结果列于表3。
从表3可看出，采用静态观测定位方法，时段长度1.5～2h为最佳。
3.3 不同截止高度角比较试验 对监测网中的45条基线，分别用15°、20°、25°截止高度角进行比较结果列于表4。
表3 不同时段长度的试算结果
| 表4 不同截止高度角计算结构比较
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
从表4可看出，在三峡库区，选用25°截止高度角效果最好，但需说明，截止高度角与测点周围地形有关，一般为20°。
3.4 1个基准点和2个基准点比较试验 从理论上讲一崩滑体的监测基准点最好为3个，但这样代价较大，鉴于滑坡监测的精度要求，本次试验选1个或2个基准点进行对 比试验，详见表5。
表5 从不同基准点所测定的形变监测点的坐标
形变监测点 | 起算基准点 | X/m | ΔX/mm | Y/m | ΔY/mm | Z/m | ΔZ/mm |
HGB1 | HGB0 | -1908996.2690 | 1 | 5126281.9780 | 6 | 3269852.8810 | 3 |
根据σ=([ΔΔ]/2n)1/2，可求出从1个基准点观测监测点的精度为：σx=±2.4mm、σy=±6.0mm、σh=±3.3mm，转换成平面坐标和高程(大地高)，即为σx=±0.5mm、σy=±4.3mm、σh=±5.8mm，σP=±4.3mm；若从2个基准点计算，则σx=±0.4mm、σy=±3.0mm、σh=±4.1mm，σP=±3.0mm。可见2个基准点比较有利，除精度能提高外，主要是可校核，且增加可靠性。
3.5 不同GPS接收机软件计算比较试验 选用目前国内广泛应用的4个GPS接 收机随机软件，分别对36条基线进行解算，结果列于表6。
表6 4种随机软件性能的比较
随机软件 | A | B | C | D |
计算时间(相同数据)/min | 15 | 20 | 20 | 20 |
从表6可看出A型号GPS接收机随机软件功能强，效果好。
3.6 监测网用GAMIT软件和IGS星历与随机软件和广播星历解算精度比较试验。 对45条基线解算结果列于表7。
表7 用精密星历和广播星历进行计算的结果比较
IGS精密星历(GAMIT软件) |
| 广播星历(随机软件) | ||||||||||||
RMS值/mm |
| Ratio值 |
| RMS值/mm |
| Ratio值 | ||||||||
最小值 | 最大值 | 平均值 |
| 最小值 | 最大值 | 平均值 |
| 最小值 | 最大值 | 平均值 |
| 最小值 | 最大值 | 平均值 |
4 | 6 | 5 |
| 2.0 | 16.5 | 5.12 |
| 4 | 6 | 5 |
| 2.0 | 16.5 | 5.13 |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表8 利用10min资料进行快速定位的结果
表9 利用20min资料进行快速定位的结果
表10 利用10min资料进行快速定位的结果
|
由表7可看出，由于监测点距基准点距离较短(都在1km以内)，故解算时可用随机软件和广播星历，但基准网点的解算，应采用精密星历和精密软件。
3.6 双系统接收机优越性试验 经在三峡库区实测试验，能同时接收GPS和GLONASS信号的接收机具有以下优点：(1) 可靠性好。由于三峡库区山高坡陡，遮挡严重，每颗卫星连续观测时间短，常出现整周模糊度无法固定，增加GLONASS卫星后，就有明显改善。(2) 精度有所改善。由于卫星数增加，几何图形改善，定位精度有改善。目前GLONASS健康卫星仅8～9颗，若24夥都正常工作，在三峡库区采用双系统接收机是有利的。
3.7 快速静态定位试验 用GAMIT软件，分别对4条边进行快速静态定位解算试验，结果列于表8～表10中。
从表7～表9可看出，在监测点上观测20min即可满足滑坡监测的精度要求。
3.8 实测气象系数与标准气象参数比较试验 经实际计算表明，因监测网边长较短，用实测气象参数基线解的精度和用标准气象参数基线解的精度无明显差别，故监测网点观测时可不测气象元素。实际解算表明基准网采用实测气象元素基线解精度有提高，因此对基准网观测时，应实测气象元素。
4 结论与建议
(1) 通过本次试验证实了利用GPS进行三峡库区崩滑监测是可行的。GPS具有全天侯，测站间无需通视，可同时测定三维位移，这是常规方法无法实现的。(2) 通过本次试验，初步解决了GPS在三峡库区滑坡监测时最佳时段、最佳时段长度、最佳截止高角、最佳基准点数、最佳随机软件，快速静态定位，采用什么星历等问题，这将有利于在全库区推广应用GPS方法。(3) 由于三峡库区条件特殊，试验区也有一定局限性，今后在全库区推广应用，还应进一步深入试验与研究，以便更好地应用GPS技术。(4) 应开展直接解算变形量软件的研制，使变形监测有专用软件，为实现库区滑坡监测自动化创造条件。
参 考 文 献：
[1] 徐绍铨，等.GPS测量原理及应用[M].武汉：武汉科技大学出版社，1998.
[2] 徐绍铨，等.长江三峡库区崩滑地质灾害GPS监测研究报告[R].北京：国土资源部长江三峡地质灾害防治指挥部，1999.