GPS RTK技术在滑坡动态实时变形监测中的应用

赵晋帅

（山西省煤炭地质水文勘查研究院，山西太原030006）

我国是一个自然地质灾害频繁发生的国家，由于国土资源辽阔，所以山体滑坡事故也很多，一旦山体滑坡出现，将严重威胁着我国人民的生命及财产安全，造成房屋倒塌、生产设施损坏以及大量人员的伤亡，所以必须要采取有效的措施来对山体滑坡的动态变化情况进行实时性的检测。目前我国对于滑坡灾害的动态实时性变形监测水平，已经有了很大程度的提高，现在应用的是高精度的仪器测定法或是使用测量机器人来完成对滑坡的动态实时变形监测，不过关于GPS RIK技术在滑坡动态变形监测中的应用文献研究并不多，还需要进一步考察，探究GPS RIK技术应用在滑坡动态实时变形监测中的可行性，希望GPS RIK技术可以实时性地跟踪和监测滑坡从稳定到出现破坏状态的过程[1-4]。

1 GPS RTK技术

一般的GPS技术，需要在测量以后进行计算，才可以获得一定精度，而RTK技术则可以在野外进行实时性的测量，使用载波相位动态实时差分即Real time kinematic的测量方法，通过GPS RTK技术的应用，能够更好地完成工程放样、地形测图等项目，大大提高了野外作业的测量效率。

GPS RTK技术是一种高度自动化、集成化的实时测绘技术，作业效率非常高，很大程度上减少了测量所需的控制点及测仪器的移动次数，只要一人操作就可以了，几秒内就可以获得三维坐标，作业速度非常快，劳动强度低，大大减少了人们的户外作业量，具有操作简单，数据处理能力强的优势特点，由南方测绘公司生产的RTK测量系统，不需要对基准站进行设置，只需要在流动站上面移动就可以获得测量坐标，在监测数据的输入存储和处理转换、输出方面的功能非常强大，可以同计算机及测量仪器进行实时性的信息传输。

RTK技术的实施关键可以由数据处理技术及传输技术来进行。因为RTK技术定位需要基准站中的接收机能够把实时监测到的观测数据，也就是伪距观测值和相位观测值，通过已知数据传输的方式传递给流动站中的接收机。由于数据的传输量很大，基本上可以达到9 600波特率，因此只能以无线电传输的方式来进行。

2 GPS RTK技术原理

RTK技术实质上就是在载波相位观测基础上开展起来的动态实时定位技术，可以提供出测站点在坐标系当中的定位结果，精度为厘米级。基准站可以经过数据链把观测到的数据和坐标信息传送到流动站，这样流动站就可以把数据链接收到的观测数据和GPS采集数据进行伪距差分观测值处理，不到1 s即可给出定位结果[5-7]。因此，流动站可以是静止的，也可以是运动的，可以在固定点上完成初始化，再进行动态作业，也可以动态开机，在动态下进行整周模糊度搜索和计算。当整周模糊解确定后，每一历元都开始进行实时处理，最少要保持四颗卫星的相位观测跟踪，流动站就可以随时给出动态的定位结果。

3 滑坡动态实时变形监测试验方案

本次滑坡动态实时变形监测的物理模型试验场地将设在我单位院内。

试验中所选取的滑坡物理模型的底部长度大约是18 m，宽度是15 m，设计滑坡模型的顶部长度为8 m，宽度也是8 m，设计前后缘的高度差是4 m，对滑坡模型进行黄土填筑，而对滑坡的滑面可以进行人工预制，设定滑坡模型的主要滑向是正东。

在此次滑坡动实时变形监测试验中，一共将布设5个监测点，即W1、2、3、4、5，这5个监测点将位于滑坡模型堆载区的上方，并且在上面安设4台GPS信号接收机，外加1台全站仪目标棱镜，将X5设为目标棱镜的监测点，X2设为GPS RIK接收机的监测点位置，而X1、3、4监测点上放置好GPS接收机天线，从而完成对滑坡模型的动态连续监测，确保监测的基准点可以被布设在距离滑坡坡体30 m以外的相对稳定区域。在实验中，将设计3个基准点，分别是WA01、02、03，在基准点上方将架设GPS接收机和GPS RIK基准站接受机。

滑坡模型动态实时监测试验将从早上8点开始，一直到下午6点钟的时候，滑坡模型已经发生了完全破坏，而且不再变形的时候即停止。在实时监测过程中，各监测点和基准点上方的GPS接收机和GPS RIK接收机的数据采集率都是1 s，可以很好地采集到滑坡在快速动态变形时的三维信息。将采取人工操作的方式进行全站仪的信息采集，采集的效果不是很好，每次采集需要耗费30 s的时间。

4 试验结果分析

在滑坡模型动态实时监测试验开始以后的2 h，滑坡相对来说还比较稳定，东方向和北方向上的变形程度不是很大，保持在了10 mm内，垂直高度方向在2 h内的变形程度也在20 mm以内，但是在接下来的1.5 h中，滑坡模型在垂直方向上已经开始有40 mm的变形量，不过此时的滑坡后缘还没有出现特别明显的裂缝，但总体来说已经出现了下滑趋势，这和我们在滑坡试验现场所看到的情况是比较相一致的，GPS RTK系统监测精度在平面方向上大约是10 mm，在高程方向上的精度大约是20 mm。GPS RTK系统的滑坡监测精度，见表1。

表1 1阶段GPS RTK系统滑坡监测精度/mm

在滑坡试验监测的2阶段，也就是从下午2点开始，需要对滑坡进行坡脚卸载，此后滑坡坡体将会出现非常明显的变形和裂缝，而且会出现滑动，先开始滑塌的是GPS TIK接收到的W2位置，塌垮的方向是北东向，从滑坡开始出现滑动一直到破坏的这一阶段滑坡在垂直方向上的变化已经很明显了，当滑坡被破坏掉时，垂直方向上的变形量已经达到了270 mm，不过平面变形量要相对小一些，只有30 mm左右的变形量，在东方向的变形量则大约是20 mm，北方向的变形量是10 mm左右，所以滑坡在滑塌时主要是向东倾斜。

表2 2阶段GPS RTK系统滑坡监测精度/mm

GPS RTK技术在滑坡动态实时变形监测中的测量精度信息，见表2，同GPS RIK接收机所需要跟踪到卫星数量及PDOP值比较可知，GPS RIK技术的测量精度同能够跟踪并监测到的卫星数量是有很大关系的，在滑坡变形的实时动态监测中，我们需要有足够多的卫星数量，至少应该保证在7颗卫星以上，这样可以很好地提升GPS RIK技术的滑坡监测精度，将平面精度控制在15 mm之内，高程垂直精度控制在20 mm内。

为了能够确保GPS RIK技术在滑坡试验中监测结果的有效性，我们可以使用全站仪测量技术同GPS单历元技术来进一步观察并监测出滑坡变形的整个过程看，虽然全站仪的监测频率比较低，同时全站仪的两个监测位置还有2 m的距离，在滑坡变形过程中，滑坡体上会有很多的裂缝，所以导致滑坡在每个方向上的变形情况都是不一样的，但是GPS RIK技术的监测结果同全站仪的监测结果还是比较相接近的，同GPS RIK技术的监测误差大约在15 mm左右，证明GPS RIK技术的监测结果是非常可靠的。

因为监测技术的采样频率是一致的，所以即使不是在相同的监测位置上，GPS单历元定位技术监测和GPS RTK系统在滑坡动态实时变形监测实验中的监测结果还是非常相似的，这也就意味着，在6 000 s以前，滑坡测量监测点上的变形数据和变形变化趋势是接近的，在最大位移上面，二者也几乎相差无几，也就证明了GPS RTK技术应用在滑坡动态实时变形检测中的监测结果是非常可靠的。

5 结论

通过本次的滑坡动态实时变形监测试验可知，将GPS RTK技术应用到滑坡的动态监测项目中具有重要的实践意义，只要符合监测条件，保证基准站和流动站的观测卫星数量7颗以上，就可以让GPS RTK系统正常运行，确保GPS RTK技术的监测精度可以在监测范围内，基本上可以保证GPS RTK系统的监测结果同全站仪的三维测量结果相一致，将平面精度控制在15 mm之内，高程垂直精度控制在20 mm。