基于精密单点定位技术的滑坡变形监测

缪德都

(山东省鲁南地质工程勘察院，山东 济宁 272000)

滑坡是自然灾害现象之一，对人类的生命财产安全有着严重的威胁，且滑坡具有分布广、发生频繁、突发性强、危害性大以及受降水影响较大等特点，因此对滑坡进行实时的监测是保证人类生命财产安全的重要内容[1-2]。我国地域辽阔，地貌种类多而复杂，特别是西南地区受降雨影响滑坡灾害发生频繁，因此采用科学的手段对其进行监测是目前研究的重点[3-4]。传统的滑坡变形监测手段主要有三角水准测量、全站仪测量、摄影测量以及GPS差分测量等，上述监测技术手段受视线遮挡、环境、天气以及观测信号影响较大，并且耗时耗力，对于环境较差以及无信号的山区则监测十分困难[5]。随着全球定位技术的不断发展，精密单点定位技术不断被应用于变形监测领域，该技术不仅克服了传统变形监测技术手段的缺点，而且操作简单，不像差分GPS技术一样需要信号连接，特别是三频精密单点定位精度可以达到毫米级，可以满足一般建筑物变形监测的精度要求[6-8]。为对滑坡造成的危害进行及时预防，国内很多学者利用不同技术手段对我国的部分滑坡进行了监测分析，文献[9]结合多种技术手段对滑坡进行变形监测，发现在监测时间段内滑坡稳定，全站仪可以作为主要监测手段进行长期监测，RTK与加速度计能快速捕捉滑坡的坍塌；文献[10]利用测量机器人对黄土滑坡进行变形监测，发现测量机器人的实测平均精度优于4 mm，满足测量精度要求，是今后滑坡变形监测的一种有效技术手段；文献[11]利用GBInSAR技术对河流滑坡进行变形监测，发现加固带的滑坡变形在1 mm以内，其它地方变形在4 mm以内，GBInSAR技术可以快速、有效地获取河流滑坡整体形变信息及形变的演化过程。为进一步对我国滑坡进行变形监测，本文利用GPS三频精密单点定位技术对国内某滑坡进行变形监测，并分析了滑坡环境下的精密单点定位精度以及滑坡三维变形情况。

1 三频精密单点定位原理

精密单点定位是利用单台接收机，采用伪距与载波相位观测值，结合IGS机构发布的精密星历与钟差产品，实现高精度定位的新技术。三频精密单点定位模型主要有三频无电离层两两组合、三频消电离层组合和三频非组合模型等，本文主要介绍三频消电离层组合模型。

1.1 三频消电离层组合模型

三频消电离层组合模型与双频无电离层组合类似，仅需构造一个三频线性组合，无需额外的偏差参数，其线性观测方程如下：

(1)

式中,

(2)

1.2 随机模型

观测值的精度通常量化为与卫星高度角、信噪比有关的函数形式，三频消电离层组合随机模型如下：

∑IF-L1L2+L2L5=

(3)

(4)

式中，下标为3表示频率L5；A和A′分别为无电离层组合和三频消电离层组合设计的矩阵。

2 实测案例分析

本次所监测的滑坡位于我国西南地区，该地区属于亚热带季风气候，并且夏季多雨，容易造成滑坡灾害的发生。该滑坡四周树木茂盛，视线遮挡严重，同时周围1 km以内无稳定地区可以架设GPS基准站，因此无法利用全站仪以及GPS差分技术对其进行监测，本文利用GPS三频精密单点定位技术。本次监测在滑坡区域布设两台GPS接收机，接收机架设在之前砌好的观测墩上，所采用的GPS接收机类型是天宝R9接收机，截止高度角设置为12°，采样频率设置为1 s，监测时间为20 h。

在进行数据处理分析时，由于在监测最后两个小时受天气的影响，数据质量不好，因此删除了后两个小时的监测数据，只对前18个小时的观测数据进行处理分析。首先利用TBC软件联合最近的CORS站解算得到这两个监测点的静态坐标，以解算得到的静态坐标作为真值，通过精密单点定位解算得到的单历元坐标值与真值做差，即可得到每个监测点的三维坐标位移变化量。

首先对滑坡环境下的GPS卫星可见数与DOP值进行分析，因为卫星可见数与DOP是决定定位精度的重要因素。其中DOP是指卫星与接收机空间几何布局的影响造成的伪距误差与用户位置误差间的比例系数，DOP值越小证明卫星空间分布位置越好，定位精度越高。DOP值主要包括：几何精度衰减因子(GDOP)、位置精度衰减因子(PDOP)、水平精度衰减因子(HDOP)和垂直精度衰减因子(VDOP)。

如图1所示，在检测时间段内，GPS卫星可见数在6～10颗之间，大于定位最低需要4颗卫星的要求，完全满足定位的需要。如图2所示，VDOP值在0～2之间，GDOP值、PDOP值与HDOP值在1～4之间，而GDOP值最大。

图1 卫星可见数

图2 DOP值

在分析精密单点定位的性能时，主要分析监测点E、N和U三个方向的误差序列、收敛时间以及模糊度固定率。

图3 D1点精密单点定位序列

如图3所示，D1点在监测开始0～2.5 h之内波动很大，之后开始稳定。为保证监测结果的准确性，对其收敛性进行检查，通常认为在连续20个历元的定位偏差都在10 cm以内，则认为当前历元收敛。对D1点分析发现，大约2.5 h之后开始收敛，并且E方向、N方向与U方向可以收敛至1 cm以内。如图4所示，D2点与D1点一样，在监测开始0～2.5 h之内波动很大，之后开始稳定。为保证监测结果的准确性，对其收敛性进行检查，通常认为在连续20个历元的定位偏差都在10 cm以内，则认为当前历元收敛。对D1点分析发现，大约2.5 h之后开始收敛，并且E方向、N方向与U方向可以收敛至1 cm以内。

图4 D2点精密单点定位序列

进一步对两个监测的RMS值、具体的收敛时间以及模糊度固定率进行统计。

表1 监测点精度统计

如表1所示，两个监测点GPS三频精密单点水平方向RMS值在1 cm左右，竖直方向的RMS值在2 cm左右。对于收敛时间，水平方向的收敛时间在150 min左右，竖直方向的收敛时间在170 min左右，而两个监测点的模糊度固定率在98%及以上。

图5 D1点三维变形序列

图6 D2点三维变形序列

为了对监测点处的滑坡变形情况进行分析，本文选取了完全收敛之后的9个小时即监测开始后3～12 h的监测数据与真值做差来分析E、N和U三个方向的滑坡变形情况。

如图5所示，D1点E方向的动态变形在4 mm以内，N方向的动态变形在4 mm以内，U方向的动态变形在3 mm以内；如图6所示，D2点E方向的动态变形在3 mm以内，N方向的动态变形在3 mm以内，U方向的动态变形在3 mm以内。

3 结 论

为对我国滑坡进行及时的监测与预防，本文利用GPS三频精密单点定位技术对我国西南某地滑坡进行变形监测，经研究发现：

(1)滑坡环境下GPS三频精密单点定位水平向在观测150 min左右之后开始收敛，竖直向在监测170 min左右开始收敛，收敛之后误差在1 cm以内，且模糊度固定率在98%以上。

(2)滑坡环境下GPS三频精密单点水平向定位精度可以达到1 cm左右，竖直向定位精度可以达到1 cm。

(3)截取GPS三频精密单点定位完全收敛时段内的观测数据可以分析出滑坡动态变形位移，水平向与竖直向的动态位移变形在3 mm左右，可以为较差环境下的变形监测提供一种新的技术手段。

虽然精密单点定位精度受精密星历与钟差产品精度的影响，相信随着精密单点定位各项误差改正模型的不断优化以及精密单星历与钟差精度的不断提高，在今后精密单点定位技术将会被广泛应用于高精度变形监测之中。