GPS技术在边坡变形监测中的应用

目录TOC\o"1-3"\h\u169221.引言 310991.1边坡变形监测的研究现状 3306871.2边坡变形监测研究的目的、任务及主要内容 3171161.2.1边坡变形监测的研究目的 3133521.2.2边坡变形监测的任务 4243661.2.3边坡变形监测的主要内容 4164602.工程实例－福州晋安新城体育馆边坡监测 565492.1测区概况 5282232.2测区基本情况及资料 529072.2.1测量规范 5278202.2.2测量任务书 5166412.2.3测区已有的测量资料 6134672.3监测网的布设及选点 6152822.4.监测实施步骤 796473.数据处理 7151353.1数据处理过程 8197193.2数据处理分析 11315764.参数选择比较与分析 13297474.1高度截止角比较 13118804.2起算点坐标精度 13166195.结束语 13306406.致谢语 141.引言由于我国大众对房子的需求旺盛导致房价的攀升，从而引起对建筑土地的旺盛需求。但我国适宜居住的地方又少之又少所以在适合人类居住的土地也相应的越来越少，所以愚公移山的真实实例接连发生，而福州晋安体育馆就是依山而建，开挖山体之后随之而来的是这些工程区域以及工程运行期间所形成的边坡安全变形监测问题。福州晋安新城体育馆位于鹤林片区横屿组团牛港山公园西南侧，总建筑面积2.6万平方米，建筑高度24米，地上建筑面积1.7万多平方米，地下建筑面积9000多平方米。本文在福州晋安体育馆边坡变形监测的基础上，介绍了边坡变形监测的任务和主要内容，根据福州边坡变形的实际情况,初步了解GPS变形监测网的设计，证明了GPS技术能够运用到边坡变形监测中，并且明确了最佳的观测参数。在边坡工程建设中，通过对边坡工程的安全监测，可以起到如下作用[1]：（1）评价边坡施工及其使用过程当中边坡的稳定性，且做到了体育馆变形监测的预测工作，对于正在处于变形或将要发生滑动的边坡体掌握它的变化过程，从而了解滑坡的特征信息。（2）为防止可能发生滑动和坍塌的地段做好应对方案，并采取相应的措施，以避免和减轻灾害损失。（3）实时观测已经发生的灾害和加固之后的滑坡，观测结果是评价已经处理的滑坡段效果的最好尺度。（4）为有关数据模拟计算提供参数。1.1边坡变形监测的研究现状随着社会的发展科技的进步人口数量的增加，交通也越来越便利，随之而来的就是人类对土地的开垦森林的破坏，水土流失也就越来越严重。而开垦山体又随之而来的就是山体滑坡等等现象的发生。所以边坡变形监测技术也飞速的发展，在边坡变形监测研究当中各国的研究者都提出了较好的监测方法，常用的变形监测方法有以下几类[1]：一是常规的测量方法(大地测量方法与摄影测量方法),二是物理学传感器方法。而常规测量方法具有精度高、数据可靠等优点，但是又因为工作量大、效率低，其他影响条件比较多，人力物力消耗量大且不能连续监测，且要观测点之间互相通视等这些限制着监测的正常进行。物理传感器主要是在局部的范围内对变形的地方进行监测此方法不能够满足边坡变形监测。摄影测量的飞速发展给变形监测实现自动化的可能性带来了希望，数字摄影测量为该技术在变形监测中的应用开拓了更加广泛的前景。但是，由于现在的摄影方法不是很完善要利用在变形监测中过程还是比较复杂的。现代GPS测量技术具有实时高精度的定位能力，并且可以实现连续监测，这项技术的应用对变形监测有着重要的作用，它以精度高，连续，实时，监测点之间无需通视等优越条件让它取代了多种传统的地面监测方法。1.2边坡变形监测研究的目的、任务及主要内容1.2.1边坡变形监测的研究目的边坡变形监测一直是我国在各个方面研究的重点，在矿产当中应用的更是广泛。研究变形监测的目的是为了对各省容易发生灾害隐患的边坡以及在各个施工当中容易发生滑坡的边坡进行实时监测，以保证广大人民的安全；再者通过监测过程中积累的有用数据，为以后的研究以及分析作更加全面的参考。但是由于边坡监测常常受到地形及地理条件的限制，没有办法及时进行全面监测得到有效的实验数据，从而给研究带来很大困难，同时因为费时费力，要消耗大量的财力物力，所以给监测带来极大难度。因此，本文着重介绍采用何种方法有助于解决这些问题，以期可以既快速又节约成本的进行边坡监测，为边坡监测解决实际性的问题。1.2.2边坡变形监测的任务（1）为即将发生变形的边坡的预警，以确保证施工人员及设施的安全，在边坡变形处于稳定时，组织相应施工人员施工；（2）给施工人员提供可靠地监测资料来确定处于危险的边坡变形及其影响范围，以制定防灾、减灾措施；（3）对于福州晋安体育馆边坡，提供信息以便变动实施方案，甚至修改设计；（4）在施工方提出处理方案时，为方案的准确实施提供安全监测，并对其处理的方案效果提出正确的评价。1.2.3边坡变形监测的主要内容1.2.3.1选定变形监测基准点边坡监测点的选择方案直接影响到GPS数据的稳定性，所以要求监测点要稳定且不受外界的影响，除此之外，在选监测点的时候，不但要考虑体育馆边坡监测的迫切程度，还要考虑到在体育馆完工之后的变形监测的需要，因此要将监测点建立在稳定的基岩上。观测点应布置在下列地段：在地形比较复杂的条件下，例如在断层、风化带、岩土松动地段；被地下水侵泡冲刷地段；处于边坡治理的地段。基线的条数一般是由滑坡的范围所决定的，在本案例当中大致分布在中央部分、大至垂直于体育馆边坡走向布置一条，在滑坡的两侧在布置多条。1.2.3.2GPS变形监测网的设计GPS监测网的方案设计以及实施是对体育馆边坡进行监测的重中之重。所以要根据不同的监测要求选择适合等级要求的监测网以及对应的测点坐标。测点的设计方案是监测网建立和实施的重要内容，要根据体育馆的实际情况，适当选择原来就有的测点，四等三角点及体育馆重点监测部位的新测点作为重点的监测点。观测点要在测点埋设稳定之后才能进行观测，观测时首先要将控制点与体育馆的基本控制点进行联测，在观测时要注意以下几点[2]：（1）预警期观测：为了确保边坡是否正常滑动，要跟当地实际情况来制定周期性的观测，当下沉量达到20毫米时，就要加强观测周期，说明这是有滑动的趋势，需要进行全面的监测。（2）滑动期观测：这是出于比较危险的阶段所以要根据具体的滑动情况来定测量周期，一般采用一个月两次水准测量，一次全面测量。如发现较大的裂缝就要每周都要观测。（3）滑坡后观测：若滑动之后就要进行测点的全面检测而且要记录时间，并要绘制出滑动区域图。1.2.3.3GPS监测及其坐标转换本案例选用的是GPS双频接收机，首先在监测点上架设仪器，并准备进行长时间的观测。两小时以上的观测时长作为重点观测点的监测，重点监测的点要有两个或者两个以上的观测时段，一般的监测点有一个观测时段即可且时段为一小时。84坐标系统是GPS常采用的坐标系统，在这个过程中可以不采用转换坐标，通过对结果的处理就可以得带差值或者位移量。如要将GPS测点绘制到工程测绘图的控制点时，这时就需要将系统的转换，也就将84坐标系统转换成体育馆采用的地方坐标系，以建立两者之间的联系，便可分析得到以往的变化发展势[2]。2.工程实例－福州晋安新城体育馆边坡监测2.1测区概况福州晋安新城体育馆位于鹤林片区横屿组团牛港山公园西南侧，总建筑面积2.6万平方米，建筑高度24米，地上建筑面积1.7万多平方米，地下建筑面积9000多平方米。这里地形比较复杂，植被茂密，多为墓地，进行布点比较困难，且测区没有以往测量资料，山体土质比较松散，对于监测有一定的困难。如图3-1所示为福州晋安新城现场图图2-1福州晋安新城现场图2.2测区基本情况及资料2.2.1测量规范本案例当中GPS技术设计的主要是根据国家测绘管理部门或行业制定的技术法规GPS测量规范，如2001年国家质量技术监督局发布的《全球定位系统测量规范》，1998年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》，以及各部委根据部门GPS工作的实际情况制定的其他GPS测量规程或细则。2.2.2测量任务书本案例中测量任务书是测量施工单位上级主管部门或合同甲方下达的技术要求文件。这种文件是指令性的，它规定了测量任务的范围、目的、精度和密度要求，提交成果资料的项目和时间，完成任务的经济指标等,本项目主要才山区进行，根据福州市建设规划部的要求，测区控制网采用边联式布网。仪器采用中海达HD8200X双频接收机该仪器主要精度指标为平面精度为±5mm+1ppm，垂直精度为±10mm+1ppm，作用距离50km。本次采用了4台接收机工作。由于测区比较偏僻所以没有已测成果，所用控制网只能跟D级控制点进行联测。本次GPS方案设计时，首先依据测量任务书提出的GPS网的精度、密度和经济指标，再结合规范（规程）规定并现场踏勘具体确定各点间的连接方法，各点设站观测的次数、时段长短等布网观测方案。2.2.3测区已有的测量资料该测区是位于福州市郊外的一处山林当中，所以以往测量的资料只有5秒级的测量点没有测量成果图。已有的测量点如下表：表2-1福州晋安新城体育馆已有测量点福州晋安新城体育馆已有测量基准点点号XYH备注OPOI305985794.35374892.48145.57OPOI315974465.88379845.89128.23OPOI325847387.29428567.5689.342.3监测网的布设及选点本案例在图形测网的设计中和第一期的测量工作中都有考虑到增强网型结构，监测网中共设了八个平面监测点，分别表为I01～I08，并且沿着边坡分布，共组成了四个大地四边形，高程控制网共布设5个测点A1、L1、L2、L3、A2其中A1、A2两个测点是位于边坡之外，处于稳定状态，若周边没有较大变动下，基本上可视为固定参考点，最终确定的设计方案如图3-2所示。图2-2平面监测网布点图本案例运用了GPS技术对福州晋安新城体育馆边坡进行了全面监测，得到了一定量的数据，并通过比较与分析,确定了在改工程中的最佳观测参数。利用GPS进行位移监测，通常有两个方案方法：第一个建立没有人看守的观测系统，并用软件控制，就可以得到实时的监测报告。第二个方案是用多台接收机，周期性的进行观测，并对数据处理之后得到报告。第一个方案能进行实时的监测而且多处于自动化，但是相对的费用也比较高。第二个就需要高强度的劳动力，需要人工来处理，但费用较省，当监测点较多时，优点比较明显。本案例福州晋安新城体育馆边坡监测则运用了第二个方案节省了多余的开支。监测点GPS监测点GPS监测点GPS监测点GPS监测点GPS监测点GPS基准点GPS基准点GPS体育馆GPS监测点数据采集器（有线）观测数据采集器基准点GPS数据采集器（无线）服务器状态、总控、变形分析数据库终端数据处理平差计算变形显示图2-3福州晋安新城体育馆边坡变形GPS监测系统总体结构2.4.监测实施步骤1.根据测点布设的位置跟设计的监测网以及测区经、纬度和作业的要求日期来编制GPS卫星的可见表，并根据设计资料选择适合的高度截止角，以及图形强度因子。2.每个等级的GPS测量都要求符合国家测绘管理部门要求的规定具体要求参考《全球定位系统测量规范》。3.记录当天观测的天气情况，例如：下雨、晴天、多云等等情况。4.在基准点上安置接收机并对其进行对中整平，了然后量取天线高将对中误差降到最低，并记录到观测手簿5.在记录手簿要认真仔细，并且要当场完成，不允许观测结束之后再进行补记和涂改，完成后当场认真核对看是否有记录错误之处。6.接收机完成数据接收后要及时的输入到电脑中，并进行存档，不得随意改动，数据采集完之后进行数据处理及分析。3.数据处理数据处理的大概思路：总共有两期数据可对比监测数据，若在边坡比较稳定的情况下、要研究控制网内的测点，可将两个在边坡之外稳定的测点作为基准点，将控制网进行基线解算和网平差，将测点的坐标及精度结果输出；以第一期的基点A1、A2为稳定点；并跟第二期的数据进行对比，并且对各个测点的精度检查是否在合理范围内，若超出了控制限差，就要对数据做进一步的处理，处理之后跟第一期处理的L1、L2、L3测点的坐标比较，比较两期观测中边坡总体的位移，并对边坡的稳定性进行分析。在每个测点进行观测时能够接收到的卫星数都大于4颗，仪器全部设置10秒采样间隔，接受机的天线统一采用脚架并将安置在点位的垂线方向上，然后仪器居中。然后将比例因子设为1，坐标用84北京坐标系统，最后用软件处理，处理之后基线的标差小于限差，处理结果合格。为了提高观测的数据精度我们采用了下面几个措施：1）在卫星的选择上每次观测的卫星都不少于4颗。2）在GDOP值选择上本案例选择6为参考基数，GDOP值越小就表明测站和卫星星座所构成的图形是比较好的，GDOP值在观测中越达到最佳值就表明观测的成果越好。3）在量取天线高时，本案例直接量取到天线中心的参考点。GPS在观测时是不需要各点间通视，所以在采集过程中并不需要人员的看守这样大大减少了工作量。3.1数据处理过程打开软件建立工程，显示出如下界面：图3-1数据处理界面导入数据，并进行数据结算的网平差处理，结果为如图3-2图3-2网平差处理图基线处理经过对基线向量的解算并考虑到观测时信号不稳定以及观测粗差将对基线产生影响所以解算完成要进行相应的分析及检核。基线处理图如3-3下图所示：图3-3第一期数据处理图处理完毕，在图上分析并进行对比处理，以基线L3—A1为例，查看L3—A1基线的载波相位双差残差，找出误差比较大的时段，并进行筛选，就可以得到精度更高的GPS监测数据。图形残差和图型曲线都是数值较小而且平滑的，表明此次观测的是比较成功的，符合监测的要求。网平差自由网平差是检查GPS基线向量是否符合精度以及向量之间有无系统误差，而且平差必须是在WGS-84坐标下进行的。如下表（4-1）所示是平差结果，从表中可以看出，各项误差都在毫米级所以符合测量要求此次测量成果是合格的。表3-1自由网平差报告点号East误差值North误差值备注A1578365.215m0.004m3966440.469m0.003mA2578932.910m0.006m3967970.833m0.002mL1579345.321m0.007m3968125.359m0.006mL2578209.314m0.003m3967889.269m0.004mL3578169.343m0.002m3967663.774m0.000m对上述平差结果进行精度分析，如下图（3-4）所示：网参考因子为1说明先验误差跟后验误差是匹配的；X方监测为95%说明了网平差是符合要求的，且通过自由度说明多余观测值较多是符合要求的。图3-4平差结果用同样的方法对第二期数据进行处理：图3-5第二期数据处理图3.2数据处理分析经软件处理之后，可得到如下数据并对其进行分析比较，从而分析边坡变形。表3-2第一、二期数据对比表坐标标志点East（m）North（m）Elves（m）A1第一期568365.2153966440.4691334.082第二期568365.2153966440.4691334.082差值0.000.000.00A2第一期578932.9103967970.8331233.725第二期578932.9103967970.8331233.725差值0.000.000.00L1第一期579345.3213968125.3591231.698第二期579345.3223968125.3611231.697差值-0.001-0.0020.01L2第一期578209.3143967889.2691231.693第二期578209.3173967889.2701231.695差值-0.003-0.001-0.002L3第一期578169.3433967663.7741231.684第二期578169.3453967663.7751231.687差值-0.002-0.001-0.003将数据在84坐标下进行比较：表3-3第一、二期坐标对比表坐标标志点LatLonElves（m）A1第一期26°49’01.78542”101°47’00.20334”1201.067第二期26°49’01.79058”101°47’00.14788”1201.506差值-0.00516″0.00556″0.439A2第一期26°49’15.77142”101°47’13.48728”1198.724第二期26°49’15.77662”101°47’13.43182”1199.161差值-0.00520″0.05546″-0.437L1第一期26°49’20.77974”101°46’55.82173”1196.694第二期26°49’20.78496”101°46’55.76623”1197.133差值0.00522″0.05550″-0.039L2第一期26°49’16.35054”101°46’50.90506”1196.687第二期26°49’16.35573”101°46’50.84959”1197.128差值-0.00519″0.00547″-0.441L3第一期26°49’09.02198”101°46’49.47170”1196.673第二期26°49’09.02714”101°46’49.41628”1197.114差值-0.00516″0.05542″-0.431通过上述图表可得：在这两次的观测中，第一期的为自由控制网，第二期是在54坐标系中平差得到的结果在此基础上A1、A2为基准点的控制网平差，这两次观测的坐标值都不小于3mm，就表明边坡是处于比较稳定的阶段并没有明显的滑动，若大于3mm就要对边坡滑动采取一定的措施。为什么在84坐标系中A1、A2两点的观测差值不为0，那是由于在84坐标系中向54坐标系投影时产生了误差，所以得到了不同程度到的差值，本案例同时也说明转换坐标时投影误差是不可以忽略的。4.参数选择比较与分析4.1高度截止角比较在本案例中选用了、、三种高度截止角，并对其进行基线解算，通过对比可知，在本案例当中对GPS高度角进行设置，得出选用20°高度截止角效果最好。具体数据如下表所示：表4-1（高度截止角为15度）基线名同步时长高度截止角方差比中误差相对误差A1—A2180min15.01.330.0231/37467A1—L1180min15.01.590.0351/39232表4-2（高度截止角为20度）基线名同步时长高度截止角方差比中误差相对误差A1—A2180min20.05.300.0131/64903A1—L1180min20.03.920.0151/57355表4-3（高度截止角为25度）基线名同步时长高度截止角方差比中误差相对误差A1—A2180min25.01.380.0331/37457A1—L1180min25.01.650.0231/393224.2起算点坐标精度以基准点I01的单点定位坐标作为起算点，并进行精密基线的解算，通过与非常精确的地心坐标的联测结果比较，得出结论：起算点的坐标联测非常精确的地心坐标就能够提高基线解算的精确度，起算点的坐标联测精确的地心坐标对与基线解算结果的影响是不容忽视的[14]。5.结束语GPS技术以快速、精准、实时