GPS结合GPRS在滑坡体变形数据采集中的应用

李元元 张维科 张文君 向 丹 金宇伟

(1.西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010；2.宜宾市工业职业技术学校 四川宜宾 644001)



GPS结合GPRS在滑坡体变形数据采集中的应用

李元元1张维科1张文君1向 丹2金宇伟1

(1.西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010；2.宜宾市工业职业技术学校 四川宜宾 644001)

介绍了GPS结合GPRS滑坡变形数据采集法的工作原理。以四川省都江堰市塔子坪滑坡为例，结合实地观测数据验证了该方法用于滑坡监测的可行性。通过与常用方法对比，阐述了GPS结合GPRS法的优势。实践证明，该滑坡监测方法时效性强、监测精度高、效率高。

GPS GPRS 滑坡 变形数据采集

滑坡是一种严重的地质灾害。我国是滑坡多发的国家之一。近年来，随着我国经济建设的蓬勃发展，铁路、公路、水利、矿产资源开发等大量工程设施不断兴建以及自然环境不断变化。受这些因素影响，滑坡灾害频繁发生，引发了大量的人员伤亡和财产损失。如我国西南某山区，每年由于泥石流滑坡等自然灾害造成的人员死亡都在200人以上，造成直接经济损失高达10亿元，其相应的间接经济损失更是在100亿元以上[1]。因此滑坡监测对于国民经济建设和社会稳定具有重大意义。减少、防治滑坡，除了加大对其形成机理和防治措施的研究之外，建立一种可行、高效的监测数据采集系统也是十分重要的[2]。传统的滑坡监测手段较多，如精密大地测量法、宏观地质监测法、InSAR法等，但由于这些方法都局限于某个时间点在现场的观察结果，不能实时全天候掌握滑坡的渐变情况，而且成本较高、对现场考察人员的专业技术水平要求高[3]。本文在介绍塔子坪滑坡变形数据采集系统工作原理的同时，通过对观测数据的分析，验证该方法的可行性。

1 GPS结合GPRS滑坡变形数据采集系统

目前基于GPRS网络的远程数据采集技术已经很成熟了，基于GPS差分定位测量原理与方法，结合高速计算机技术、太阳能技术与GPRS网络，使得滑坡位移的远程、实时、高精度的全天候自动化监测成为现实[4]。一个完整的GPS结合GPRS滑坡变形数据采集系统由GPS数据采集模块和GPRS数据传输模块组成。

1.1 GPS数据采集模块

GPS数据采集模块基于GPS相对静态定位原理设计。其工作原理如图1所示。将基准站安置在滑坡体外地基稳定的点上，监测点固定在滑坡体上[5]。基准站和监测点均通过同一组卫星进行观测。基准站通过数据链将其观测的载波相位数据、伪距数据、基准站的已知坐标等传送给监测点。监测点通过数据链接收来自基准站的数据，并在系统内实时差分处理，得到监测点毫米级定位结果[6]。

图1 GPS数据采集模块工作原理图Fig.1 The working principle of GPS data acquisition module

1.2 GPRS数据传输模块

GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的广域无线IP连接。其核心网络采用IP技术，能向用户提供Internet所能提供的一切功能。如果用户拥有一个电话号码，也将会拥有一个固定或动态分配的IP地址，通过IP地址便能方便地实现与Internet公网的无缝连接。在每个GPS监测设备中均加入GPRS无线模块，GPS数据采集设备采集的原始数据便可通过GPRS网络实时、稳定地传输至监控终端，同时监测设备终端也能通过GPRS网络及时地响应监控终端发送的控制指令。GPRS数据传输模块原理如图2所示。

图2 GPRS数据传输模块原理Fig.2 GPRS data transmission module principle

2 GPS结合GPRS在塔子坪滑坡的应用

2.1 滑坡体介绍

该滑坡体位于四川省都江堰市虹口乡东南部。滑坡地貌属白沙河谷右岸斜坡地貌，滑坡体主要以土层为主夹杂碎石。经过多年的整修、加固，目前该滑坡体已经相对稳定。但5·12地震和4·20地震发生后，山体受损严重，坡体堆积物结构松散。加之该区降水量较多，在雨水及上部汇水的冲刷等不利因素的影响下，将对整个滑坡区的稳定性造成影响，可能诱发滑坡整体失稳。

2.2 滑坡监测网布设

根据塔子坪滑坡体的特点，共布设4个点。在当地村书记家楼顶上布设基准点，基准点编号为base。监测区共布设3个监测点，分别在滑坡的底部、中部、上部上布设，编号分别为GPS01，GPS02，GPS03。监测点的布设如图3所示。

2.3 监测设备安装

塔子坪滑坡当地人员复杂，设备防盗、安全问题无法得到保障，而整个监测系统又必须全天候、实时工作。因此在每个监测点上都设有4.5 m高的观测墩，同时还设计了用于保护设备的机箱和防雷装置。此外，综合考虑塔子坪滑坡地处偏僻、无电力线直达的实际情况和成本因素，采用了以太阳能供电为主、蓄电池为辅的供电方式。

图3 基准站监测点位置的布点图Fig.3 Base station monitoring point distribution map

2.4 数据采集传输

监测设备安装完成后，GPS数据采集设备持续、稳定、可靠地采集各个监测点的原始测量数据，设置好相应GPRS无线传输模块参数后(模块参数设置见表1)，该模块将每隔10 s由中国移动GPRS网络发送到Internet公网网络。然后通过域名解析，监控中心便可从公网Internet获取观测数据进行分析。

2.5 数据分析

选取3个监测点在2014年8月12日上午11时和2014年10月12日上午11时的GPS观测数据，和大致同时间用全站仪测量得到的数据进行对比，监测点观测数据见表2。

表1 GPRS传输模块参数设置Table 1 Settings parameters of GPRS transmission module

表2 监测点观测数据Table 2 The observed data of monitoring points

通过对GPS观测数据和全站仪观测数据进行对比，我们可以看出GPS差分定位技术结合GPRS网络远程数据采集系统所得到的结果和全站仪得到的结果基本相同，虽然全站仪具体的观测时间和GPS相比没有那么准确，但对于整个滑坡来说可以忽略，由此可说明此方法可以用于滑坡监测。

然后我们再通过数据软件选取GPS02监测点在2014年9月13日的数据进行分析，得到GPS02监测点一天中每间隔3 h的位移变化曲线，曲线见图4。从图4我们可以看到GPS02监测点在一天中的实时位移变化量，说明此方法可以实现滑坡体的实时监测分析。

图4 2014年9月13日GPS02矢量偏移曲线Fig.4 The vector offset curve of GPS02 in September 13, 2014

通过对表2数据中的两个间隔点的GPS观测数据进行分析(分析结果见表3)，我们发现滑坡体形变的平面位移、垂直形变量均为毫米级，说明该滑坡体经加固整修后，已经相对稳定，验证了该方法可以用于滑坡监测。

表3 形变量分析结果Table 3 Deformation analysis results

3 GPS结合GPRS法的优势

3.1 常用滑坡变形数据采集方法对比

目前常用的方法主要有精密大地测量法、宏观地质监测法和InSAR法。其优缺点如表4所示。

3.2 GPS结合GPRS法的优势

随着科学技术的飞速发展，滑坡变形数据采集的方法也逐步向自动化、全天候、实时化、高精度及远程化的方向发展。由表4可知上述几种常用的方法均有一定的局限性。采用GPS结合GPRS法可弥补其缺点，具有以下显著优势：(1)可以全天候观测，智能化、自动化采集数据，工作量小、劳动强度低。GPS测量本身就具有定位精度高、观测时间短、全天候作业、自动化、操作简单的特点[7]；(2)数据精度高，真实地反映滑坡体的动态变化趋势。GPS工程精密定位应用实践已经证明，GPS相对定位的精度的解其平面位置误差小于1 mm[8]；(3)可以进行远距离传输和监控，更适用于危险地区的滑坡监测，无需人员进入危险的滑坡地区观测。采用GPRS技术，可进行远距离数据传输和监控，这对于危险地区滑坡监测更为有利；(4)数据实时传输、质量稳定、可靠，且传输安全。GPRS技术具有实时在线、传输速率快等优点，在传输过程中减小了数据丢失、延迟的影响[9]；(5)建设、运营成本低廉，经济性强。GPRS数据传输计费方式是按流量计费，运行成本较低。

表4 常用滑坡变形数据采集方法的优缺点Table 4 The advantages and disadvantages of the common data collection method of landslide deformation

4 结论

通过实地应用验证了GPS结合GPRS用于滑坡体变形数据采集是可行的，可以满足滑坡体变形数据采集的要求。相对于其他常用采集方法，该方法具有全天候、高精度、远距离实时监控、数据稳定、成本低廉等优势，非常适用于滑坡监测。同时，该方法也有以下一些不足之处仍需改进：(1)在GPRS网络传输数据过程中，由于是远距离数据传输，如何进一步降低数据的丢包率，提高数据的可靠性；(2)在系统稳定性方面仍需做大量的测试，以进一步提高GPS结合GPRS滑坡变形数据采集系统的稳定性。

[1] 殷坤龙，韩再生，李志中.国际滑坡研究的新进展 [J]. 水文地质工程地质，2000 , 27(5)：1-3.

[2] 郑鑫，刘男男. 滑坡的形成机理与其安全防护措施[J]. 黑龙江科技信息，2011, (13)：27-27.

[3] 唐亚明，张茂省，薛强，等.滑坡监测预警国内外研究现状及评述 [J]. 地质评论，2012,58(3)：533-541.

[4] 魏雄，王仁波.基于GPS/GPRS的滑坡监测系统 [J]. 仪器仪表学报，2008, 29(11)：2456-2460.

[5] 过静珺, 杨久龙, 丁志刚, 等. GPS在滑坡监测应用中的研究 [J]. 地质力学学报, 2004, (1)：65-70.

[6] 徐绍铨.GPS测量原理及应用 [M].武汉：武汉大学出版社，2008.

[7] 彭欢，黄帮芝，杨永. 滑坡监测技术方法研究 [J]. 资源环境与工程，2012,26(1)：45-50.

[8] 黄丁发, 熊永良, 周乐韬, 等. GPS卫星导航定位技术与方法 [M]. 北京：科学出版社, 2009. 90-114.

[9] 魏志坚. 试论GPRS水文监控系统的特点及其在水文监测中的应用 [J]. 黑龙江科技信息，2011，1(1)：243-243.

Application of GPS Combined with GPRS in Data Acquisition of Landslide Deformation

LI Yuan-yuan1, ZHANG Wei-ke1, ZHANG Wen-jun1, XIANG Dan2, JIN Yu-wei1

(1.SchoolofEnvironmentalEngineeringandResources,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010，Sichuan,China;2.YibinCityIndustrialOccupationTechnicalSchool,Yibin644001,Sichuan,China)

The working principle of GPS combined with GPRS data acquisition method of landslide deformation was introduced. In Dujiangyan City, Sichuan Province TA Zi Ping landslide as an example, the feasibility of landslide monitoring is verified combined with field observation data. By contrast with common methods, the advantages of GPS in combination with GPRS method were expounded. The practice proved that, the method of strong timeliness, high monitoring precision, high efficiency, and is very suitable for landslide monitoring.

GPS; GPRS; Landslide; Deformation data acquisition

2014-11-15

“十二五”国家科技支撑计划(2011BAK12B02)。

李元元(1990—), 男，硕士研究生。E-mail：1165197557@qq.com.通讯作者：张文君(1970—)，男，博士，教授，硕士生导师。E-mail:zhangwenjun@swust.edu.cn

P694

A

1671-8755(2015)02-0046-05