GNSS技术在城市边坡监测中的应用

熊寄然

（重庆悦来投资集团有限公司，重庆 401120）

0 引言

我国是地质灾害频发的国家，而滑坡是一种常见、多发的地质灾害现象，被认为是仅次于地震的第二大地质灾害。据统计，我国共发育有大型滑坡140余处，较大滑坡2212处以上[1]。

滑坡广泛被认为是在一定环境下斜坡岩土体在重力的作用下，由于受到内、外因素的影响，使其沿着坡体内一个（或几个）软弱面（带）发生的剪切下滑现象[2]。近几年，我国地质灾害频发，滑坡、泥石流等地质灾害严重威胁到人民的生命财产安全。如何对已知的、有滑坡趋势的滑坡体进行监测，掌握其稳定性状态并及时进行预警，是一项急切的任务。

GNSS作为现代大地测量的一种高技术手段，具有高精度、高可靠性、高效率、自动化程度高以及劳动强度低等特点。利用GNSS对滑坡体监测，从理论到实际，都已通过若干实验检验，其完全可以作为一种新的监测技术应用到工程实际中去。本文以重庆悦来场馆边坡GNSS监测为例，介绍了GNSS技术在滑坡监测中的应用以及使用Trimble Business Center（以下简称TBC）软件对GNSS数据的解算过程。

1 工程概况

重庆悦来场馆边坡位于重庆市悦来国际博览中心西侧，为高填方边坡，边坡高差约50m，长度约1200m。

该边坡处于嘉陵江东岸，为建设重庆国际博览中心场馆土石方平场时形成的高填方边坡，由于填方量巨大，土体尚未完成固结沉降，通过边坡顶部滨江路面出现的局部裂缝显示，受雨水冲刷及嘉陵江周边水体影响，填土的物理力学性质降低，该边坡存在滑坡的迹象，开展边坡实时监测是必要的。特别在江水水位抬高后，填方土体在地下水作用下，物理力学性质降低，以及在水压力作用下，可能产生顺层基岩滑坡。

2 GNSS测量原理

GNSS的全称是全球导航卫星系统 （Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等。

各个导航卫星系统主要包括三部分：地面控制中心、导航卫星、GPS接收设备。主要功能：定位、导航、授时。

GNSS测量原理为，通过伪距或载波相位测量方式测定卫星与接收机设备之间的距离，通过一系列算法和计算模型剔除电离层、卫星钟差、接收机钟差等因素的影响，从而获得高精度星地距。再通过GNSS基线网平差，得到mm级点位精度成果。目前已广泛应用于大范围滑坡体的位移监测。

GNSS监测与传统全站仪监测相比，具有高效、快速、实时、大范围、自动化等优点，全站仪监测要求点位通视，距离限制较短。因此，在大范围的滑坡监测中，GNSS自动化监测是首选。

2.3 RANK基因甲基化与新疆汉族、维吾尔族、哈萨克族老年男性高密度脂蛋白胆固醇相关性 在新疆维吾尔族、哈萨克族老年男性中，对照组RANK基因CpG岛甲基化率低于病例组，差异有统计学意义（P＜0.05）；在汉族老年男性中，对照组RANK基因CpG岛甲基化率低于病例组，差异无统计学意义（P＜0.05）。见表3。

3 GNSS监测网设计

GNSS监测网点的设计包括基准点的设计和监测点的设计[3]，GNSS监测网基准点点位的确定原则要充分考虑到：

①地质条件好，点位稳定；

② 适合GNSS观测条件，并无显著多路径效应；

③尽可能选用经实践证明点位稳定的原滑坡区域内的基准网点。因原基准点都经过地质勘探，且建有稳固的观测墩，便于稳定性分析。

GNSS滑坡监测的监测点点位的选定应该能适合GNSS观测条件，并有效地反映滑坡变形的特征。具体地说，滑坡监测点应沿滑坡主滑线布设；监测点周围障碍物的高度角要小于15°；监测点应远离大功率无线电发射源和高压输电线，以避免周围磁场对GNSS信号的干扰。

鉴于悦来场馆边坡存在的高差较大、植被茂密、山体坡度大的特点，在设计监测网时充分考虑到植被、水体等容易产生的多路径影响，故布设了四个基准点。这些基准点位于离边坡3km左右的稳定岩体上，其中PM11-PM08基线之间距离最长（3.5km），PJ01-PJ02基线之间距离最短（200m），另外有一个用于加密控制网的点PJ01（图1）。变形监测点位于滑坡体变形明显的敏感部位，共设15个监测点，分别为PJ01—PJ15。所有点位均埋设测量墩，采用强制对中装置，测量墩上设置天线指向标志。为减少仪器误差的影响，对于每个点只用同一台仪器进行观测，天线指向与标志对齐，精密测量天线高。

图1 GNSS基线网图形

4 数据处理

4.1 GNSS数据

数据选用2018年8月、2018年11月、2019年2月三期GNSS数据，使用的仪器为8台Trimble R8型接收机。

观测方法为，对作为基准站的PM11和PM08两点连续观测，其余4台接收机接收数据时，保证和监测点、基准站构成同步环。因此，每天只能完成两个基准站和4个监测点的观测。完成PJ01—PJ15点的观测任务需要四天时间，第五天对前期观测数据不好的点补测。

4.2 解算软件

软件使用TBC对监测数据进行解算。平差使用武汉大学CosaGPS软件。运用精度评定和可靠性检验，保证平差结果的质量。

4.3 数据解算

全部GNSS数据导入TBC之后，首先对每个点进行检查，检查各个点的天线高，查看点位的内可靠性，剔除观测数据中的错误点号。

GNSS基线解算主要参数设置：①卫星钟差的模型改正使用广播星历中的钟差参数[4]；②根据由伪距观测值计算出的接收机钟差进行钟差的模型改正；③电离层折射影响用模型改正，并通过双差观测值来削弱；④对流层折射根据标准大气模型用Hopfield模型改正；⑤卫星截止高度角15°，数据采样率均为15s；⑥DOP值、方位角、高度角存储率为数据率的20%；⑦周跳的修复，根据滑坡短基线的特点，采用L1、L2双差拟合的方法自动修复周跳；若采用上述方法仍然得不到固定解，则在“结果”栏中，分析该监测点残差，再返回到“GNSS处理”栏，选择消除电离层（L3）[5]，再解算就可得到好的结果；⑧为避免起始坐标偏差的影响，在每期解算中，起始点坐标均采用TM30精密测得的结果。

采用PM11、PM08再加一个监测点构成同步环（三角形）解算，如：PM11-PM08-PJ01、PM11-PM08-PJ02等。这样就可以减弱监测点本身由于信号差带来的影响，增强同步环的图形强度，从而得到各个监测点的最优基线解。

解算完基线后再到“平差”栏中对基线网平差、闭合环进行计算，在网平差报告里可分析基线向量和残差等指标，在闭合环报告里可得到闭合环的精度。

经过无约束平差后再经过基准/投影进行坐标转换，得到地方坐标系下的坐标。

5 解算结果与分析

5.1 GNSS监测成果分析

通过对第2、3期监测成果对比分析，可得到各点位在X、Y方向上变形量均在mm级，在H方向变形量稍大，量级约cm级，整体而言，在X、Y方向上精度优于H方向。各监测点位移量如表1所示。

5.2 GNSS与全站仪监测成果对比分析

为了验证GNSS监测成果的可靠性，在GNSS监测点位上架设自动化全站仪实施同点位监测。选取其中的监测点位PJ02、PM08、PM11三个点位的坐标成果进行对比，成果对比如表2所示。

表1 监测点位移量

表2 GNSS与全站仪精度对比

从表1对比可以得到：第二期相对第一期在平面上的位移量最大为16mm，最小为0，高程方面最大11mm，最小1mm；第三期相对第二期在平面上的位移量最大为16mm，最小为1mm，高程方面最大6mm，最小0。监测点在X、Y、H方向的位移量如图2—图4所示。从表2 GNSS与全站仪监测精度对比可以得到：GNSS监测精度与全站仪相当，且成果稳定性较好。根据《工程测量规范》[6]的规定，平面和高程完全符合规范的规定，说明边坡是相对稳定的。

图2 监测点X方向位移量

图3 监测点Y方向位移量

图4 监测点H方向位移量

6 结语

通过对重庆悦来会展场地边坡的三期GNSS监测数据进行分析，可以得到：GNSS监测技术精度与全站仪监测精度接近，在诸如大范围、长距离边坡监测中可替代全站仪。GNSS监测的高精度、高可靠性、高效率是值得肯定的。

但GNSS监测系统也存在自身设备及监测系统的局限性，如：GNSS接收机必须安装在较开阔的位置，以便于接收到足够的卫星信号解算监测点变形量。

为了解决GNSS监测系统局限性问题，工程上可将GNSS监测系统结合自动全站仪，将GNSS设备无法实施的位置用全站仪实施监测。