基于GPS快速定位技术的滑坡灾害动态变形监测

刘　骥

(瓦房店市河道管理处，辽宁 瓦房店　116300)



基于GPS快速定位技术的滑坡灾害动态变形监测

刘骥

(瓦房店市河道管理处，辽宁 瓦房店116300)

GPS快速定位技术在现代地质灾害预防和治理中正在发挥越来越显著的作用。本文首先对滑坡监测精度的计算方法、影响因素进行了讨论，并对滑坡级别、滑坡速度与监测精度要求的关系进行了归纳。然后对当前主流GPS快速定位技术的类型、原理及特点进行了总结和阐述。最后通过三阶段的滑坡动态实时变形监测实验，对GPS-RTK技术的精度和可靠性进行了探讨。结果表明：GPS-RTK技术在滑坡灾害动态监测方面具有技术可靠性，能够用于对4级以上的滑坡灾害进行监测。

GPS快速定位技术；GPS-RTK技术；滑坡灾害；地质灾害防治

受山地地质破损、地表土层疏松、降雨过于集中、地表植被破坏以及其他因素的影响，滑坡灾害在我国的发生频率较高。据统计，我国每年滑坡灾害在10000件左右，造成了极大的人员伤亡及经济损失。在发生滑坡灾害后，尽管当地政府及社会力量积极进行救援，然而全国各地频发的事故仍然让人反思，在滑坡等自然灾害面前，人们需要采取何种措施来有效应对，从而将损害降低到最小[1]。事实上，滑坡灾害之所以会造成严重的破坏，除了自然因素，还与灾害监测技术落后、不能提前发现隐患并及时采取防治措施有关。本文将基于GPS快速定位技术，就如何有效地对滑坡灾害动态变形进行监测展开研究，希望对改进滑坡灾害监测技术和防治水平有积极作用。

1　滑坡监测的精度

滑坡是一种地质滑移现象，它是指斜坡岩土体在剪应力作用下沿着剪切破坏面所发生的地质灾害。在对滑坡变形进行监测时，监测精度会受到滑坡体变形速度、复测周期以及位移中误差等因素等影响。经过大量统计研究，提出了影响滑坡变形监测精度三因素之间的关系[2]：

式中σΔx、σΔy和σΔz——x轴、y轴和z轴方向上的滑坡监测精度；

Δtx、Δty和Δtz——x轴、y轴和z轴方向上的滑坡监测周期；

vx、vy和vz——x轴、y轴和z轴方向上的变形速度。

由上述公式可知，当滑坡变形速度保持不变时，越是缩短监测周期，监测效果就越依赖于监测精度的提升；当监测周期保持不变时，越是提高变形速度，监测效果就越不依赖于监测精度的提高；当变形速度越小时，监测效果就越依赖于复测周期与监测精度。

滑坡速度与滑坡级别直接相关，且决定着人们面对滑坡应该采取的反应类型[3]。由下表可知，人类只能对5级、5级以下的滑坡采取反应措施。对于4级、5级滑坡，人们需要采取疏散的对策；对于6级、7级的滑坡，人类通常不能响应，因而只能够提前预测。可见，为了更好地应对高级滑坡，需要随时做好监测，尤其需要提升监测精度。例如，如果要有效、及时地应对5级滑坡，监测精度需要能够精确到分钟级；对于6级滑坡，监测精度需要能够精确到秒钟级。

滑坡级别及运动速度分类表

2　GPS快速定位技术

当前，工程界主流GPS快速定位技术包括GPS-RTK技术、GPS单历元定位技术和GPS实时精密单点定位技术。各自的工作原理及特点如下[4]：

a. GPS-RTK技术。GPS-RTK技术的工作原理是，用户站一方面接收来自基准站的GPS卫星数据，另一方面接收来自基准站的站坐标以及无线电观测数据，通过对两组数据链进行对比处理，能够将三维坐标信息提供给用户，并且数据的精度能够达到cm级。

b. GPS单历元定位技术。GPS单历元定位技术又被称为单时刻定位技术，它是指在观测某一个时点的GPS数据后，立即将变形量或者三维坐标信息输出给用户[5]。该技术具有采样频率高(能够达到秒级)、环境适应性强(GPS信号中断频繁、卫星服务少等)等优点，因而在工程变形监测中应用较为广泛。

c.GPS实时精密单点定位技术。与GPS单历元定位技术类似，GPS实时精密单点定位技术的工作原理相同，所运用的模型也相同[6]。区别在于：后者数据处理时会运用已经获得的全部卫星数据和观测数据；借助IGS的精密钟差，可以对所有观测点进行精密定位。然而，该技术具有一个显著缺点，即定位精度相对较低，因此在工程测量中的应用通常是辅助性的。

3　滑坡动态实时变形监测

3.1滑坡监测试验方案

该试验的目的是：对黄土滑坡的动态变形特征进行测量，并对GPS-RTK技术的可靠性进行评价。使用的方法是：运用GPS-RTK技术对黄土坡体的变形全过程进行动态监测，并与GPS单历元定位技术的监测结果进行对比。使用的物理模型参数为：顶部长度12cm，宽度12cm；底部长度24cm，宽度22cm；黄土填充于框架之中；滑面的朝向为正北。在试验中，使用了6个WJ天线以替代卫星作用。

3.2监测试验结果分析

a.第一阶段的试验结果。第一阶段不施加任何外力，也不做其他任何干涉，如图1所示，在试验开始后的6500s内，RTK监测所得到的滑坡三维变形不显著。其中，东向、北向的变形量小于10mm，高程变形量也未超过25mm。可见，滑梯在这段时间内十分稳定。

图1　RTK监测某滑坡三维变形的试验结果(第一阶段)

在6500～1200s时间段内，其东向、北向的变形量仍然十分小，不过高程变形量已经超过60mm。此时坡体仍然较为稳定，没有形成显著的坡体裂缝。

b.第二阶段的试验结果。在第二阶段，试验中的坡脚被去除，坡体变形趋势逐渐明显。如图2所示，在试验开始3500s后，坡体开始向东北向出现滑移趋势，然而变形量未超过25mm。然而，在试验开始400s后，滑坡面出现裂缝，导致坡体的高程变形量快速加大；到6000s时，高程变形量已超过260mm。从试验中可以发现，东向滑面破坏程度相对北门更为严重，因此东面坡体变形量更显著。

图2　RTK 监测某滑坡三维变形的试验结果(第二阶段)

c.第三阶段的试验结果。在第三阶段，利用GPS单历元定位技术对坡体变形进行监测，在去掉坡脚后便不再施加任何外力或者干涉。GPS单历元定位技术监测结果如图3所示。在试验开始后第1600历元，高程变形量、北向变形量及东向变形量都开始显著加速。尤其是在试验开始后第5400历元，高程变形量超过270mm。在试验开始后第5800历元，高程变形量已经无法被天线接收。此时，坡体已经在东北向垮塌。将图3和图2进行对比可以发现，GPS-RTK技术与GPS单历元定位技术的变形量动态监测结果十分一致。

3.3结果分析

从上述三个试验阶段的监测结果可知：

a.在卫星正常、数据链传输系统正常的条件下，GPS-RTK技术的监测结果精度能够被控制在15mm以内，因而能够对坡体变形量进行可靠监测。

b.在坡脚稳固的情况下，坡体变形的速度很慢。在坡脚被破坏后，滑面的倾斜程度、倾斜方向以及滑面的完整程度等会影响坡体的滑移趋向以及滑移速度。

c.通过将GPS-RTK技术与GPS单历元定位技术的监测结果进行对比，可以发现二者的监测一致性较高，表明GPS-RTK技术的结果是可靠的。

d.通过与表中的数据进行对比，可以发现，GPS-RTK技术能够用于4级以上的滑坡灾害监测。其动态监测的精度能够达到15mm(高程方向)和10mm(平面方向)。

4　结　语

为了提升现代滑坡灾害的防治水平，必须充分利用现代监测方法和监测工具。经过试验分析，在卫星及无线数据设备充足的前提下，GPS-RTK技术能够对滑坡的变形量进行精确的动态监测，其精度能够达到10mm(平面方向)及15mm(高程方向)。然而，在监测实践中，还可以运用GPS单历元定位技术等进行补充和对比，也可以单独使用这些监测技术。具体选择时，需要根据卫星条件、气候和地质条件等进行综合分析；另外，在监测过程中，需要在坡脚等关键坡体处设置更多的无线天线，对其进行更全面、精确的监测，以便及时发现滑坡预兆，从而为灾害预防和应对提供宝贵的时间。

[1]卢书强,易庆林,易武,等.三峡库区树坪滑坡变形失稳机制分析[J].岩土力学,2014(4):1123-1130.

[2]杨伟,高菊容,王和鑫.特大地质滑坡原因分析及处理措施[J].水利技术监督,2014(4):47-49.

[3]王玉孝,赵敬川.免棱镜全站仪在某滑坡变形监测中的应用[J].水电能源科学,2013(8):81-83.

[4]高培.滑坡灾害与工程治理探讨[J].水利建设与管理,2009(4):58-60,11.

[5]张子凤.努尔加水库地质灾害危害性分析及建议[J].中国水能及电气化,2014(6):27-30.

[6]阮彦晟,陈晓鹏.官地水电站金厂坝古滑坡体地表变形统计分析[J].中国水能及电气化,2014(8):32-35.

The dynamic deformation monitoring of landslide disaster based on GPS rapid positioning technology

LIU Ji

(WafangdianRiverManagementOffice,Wafangdian116300,China)

GPS rapid positioning technology plays a more and more significant role in modern geological disaster prevention and control. In the paper, the calculation method and influence factors of landslide monitoring precision are firstly discussed. The relationship among landslide level, landslide speed and monitoring accuracy requirement is concluded. Then, the types, principles and characteristics of current mainstream GPS rapid positioning technology are summarized and described. Finally, the precision and reliability of GPS-RTK technology are discussed through three-stage landslide dynamic real-time deformation monitoring experiment. The results show that GPS-RTK technology has technical reliability in the aspect of landslide disaster dynamic monitoring, which can be used for monitoring landslide disaster higher than level IV.

GPS rapid positioning technology; GPS-RTK technology; landslide disaster; geological disaster prevention and control

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.04.009

P642

A

1673-8241(2016)04- 0034- 04