GPS用于三峽庫(kù)區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)的研究

1、GPS用于三峽庫(kù)區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)的研究    摘要：為探索GPS在三峽庫(kù)區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，項(xiàng)目組于1999年27月在庫(kù)區(qū)12個(gè)滑坡體上，開(kāi)展GPS觀測(cè)時(shí)最佳時(shí)段、最佳時(shí)段長(zhǎng)度、最佳截止高度角、最佳基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)及分布，選用星歷、解算軟件、快速靜態(tài)定位，GPS與GLONASS組合定位，不同氣象參數(shù)等項(xiàng)試驗(yàn)與研究，獲得一批有益的結(jié)論。實(shí)踐證明，今后在三峽庫(kù)區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)時(shí)，完全可用GPS代替常規(guī)的外觀測(cè)量方法，且在精度、監(jiān)測(cè)速度、時(shí)效性、效益等方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。 關(guān)鍵詞：GPS 三峽庫(kù)區(qū) 滑坡監(jiān)測(cè) 監(jiān)測(cè)方法 精度分析&#

2、160; 為了更好地開(kāi)展長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和防治，完善監(jiān)測(cè)手段，形成高水平的立體綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)，推動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，建立地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造條件，作者于1999年27月，在三峽庫(kù)區(qū)鏈子崖至巴東庫(kù)段，布設(shè)60個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行GPS滑坡監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，以探索三峽庫(kù)區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)能否用GPS代替常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法，GPS用于三峽庫(kù)區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)能達(dá)到什么樣的精度，研究GPS觀測(cè)時(shí)最佳時(shí)段、最佳時(shí)段長(zhǎng)度、最佳截止高度角、最佳基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)及分布等選擇問(wèn)題，同時(shí)針對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)短邊的特性，還開(kāi)展GPS接收機(jī)隨機(jī)軟件與用精密軟件解算精度比較試驗(yàn)，不同接收機(jī)隨機(jī)軟件精度、速度、完善性等比較試驗(yàn)，采用精密星歷與用廣播星

3、歷解算精度比較試驗(yàn)，快速靜態(tài)定位試驗(yàn)，用雙系統(tǒng)與單系統(tǒng)定位精度比較試驗(yàn)，用實(shí)測(cè)氣象參數(shù)與用標(biāo)準(zhǔn)氣象參數(shù)對(duì)精度影響的試驗(yàn)。通過(guò)三期實(shí)測(cè)試驗(yàn)與研究，證明在三峽庫(kù)區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)時(shí)，完全可用GPS來(lái)代替常規(guī)的外觀測(cè)量方法，且在精度、速度、時(shí)效性、效益等方面都優(yōu)于常規(guī)方法。1 試驗(yàn)區(qū)GPS點(diǎn)位的布設(shè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)分二級(jí)布設(shè)，即由基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)和滑坡體監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)組成。各崩滑體的選擇，每個(gè)崩滑體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇及試驗(yàn)區(qū)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)，按以下原則。1.1 崩滑體選擇的原則 選擇監(jiān)測(cè)崩滑體，主要根據(jù)地質(zhì)體的穩(wěn)定性、危險(xiǎn)性、危害性來(lái)考慮，具體原則為：崩滑體穩(wěn)定性較差、危害嚴(yán)重、危巖體體積大于100萬(wàn)m3

4、，滑坡體面積大于500萬(wàn)m3；位于城鎮(zhèn)新址或其附近，已做過(guò)詳勘和進(jìn)行過(guò)治理；前緣高程低于180m，后緣高程高于180m及受庫(kù)水位變化影響而易滑、易崩(岸坡再造)的斜坡。按以上原則，本次試驗(yàn)選擇了鏈子崖危巖體等9個(gè)崩滑體和新灘等3個(gè)滑坡。1.2 基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)選擇原則 基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)一般選在距崩滑體501000m的穩(wěn)定巖體上，且適合GPS觀測(cè)。每個(gè)崩滑體應(yīng)有二個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，且最好位于該崩滑體的兩側(cè)。鄰近崩滑 體可共用同一基準(zhǔn)點(diǎn)。按此原則，在鏈子崖至巴東庫(kù)段50km試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選擇了7個(gè)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)(圖 1)。圖1 鏈子崖至巴東庫(kù)段崩滑地質(zhì)災(zāi)害GPS監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)布置示意圖1

5、.3 監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)選擇原則 監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)即為每個(gè)崩滑體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因此應(yīng)根據(jù)崩滑體的形態(tài)特征、變形特征、動(dòng)力因素及監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)等具體要素(變形方位、變形量、變形速率、時(shí)空動(dòng)態(tài)、施工動(dòng)態(tài)、發(fā)展趨勢(shì)等)確定點(diǎn)位，且這些點(diǎn)位能真實(shí)地反映災(zāi)害地質(zhì)體變形敏感部位；每一崩滑體監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)一般為38個(gè)，且能構(gòu)成12條監(jiān)測(cè)剖面；點(diǎn)位應(yīng)位于阻滑段前緣、下滑段前后緣、索引段前緣和滑坡體的剪出口，且適合GPS觀測(cè)。本試驗(yàn)網(wǎng)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)距基準(zhǔn)點(diǎn)之距離平均為281m，最長(zhǎng)為895m，最短為39m。1.4 GPS觀測(cè)墩 在每一基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，都建GPS觀測(cè)墩，且設(shè)有強(qiáng)制對(duì)中裝置，其要求同GPS測(cè)量規(guī)范

6、。2 GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、處理及精度分析2.1 起算點(diǎn)坐標(biāo)獲取及精度 為了獲得試驗(yàn)區(qū)內(nèi)高精度起算點(diǎn)的坐標(biāo)(WGS-84)，選擇鏈子巖基準(zhǔn)點(diǎn)(LZY0)為起算點(diǎn)，與武漢、北京、西安3個(gè)GPS跟蹤站聯(lián)測(cè)16h，用GAM1T軟件和IGS星歷解算，基線解算的精度為：南北方向±2mm、東西方向±4mm、高程±11mm。因此，可以認(rèn)為L(zhǎng)ZY0點(diǎn)有優(yōu)于±6cm的WGS-84坐標(biāo)，完全能滿足監(jiān)測(cè)網(wǎng)的起算坐標(biāo)的精度要求。2.2 基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)觀測(cè)及精度 用6臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)和一臺(tái)單頻雙系統(tǒng)接收機(jī)，在7個(gè)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)上同步觀測(cè)16h

7、，觀測(cè)時(shí)測(cè)定氣象元素，數(shù)據(jù)處理采用Bernese Ver 4.0軟件和IGS星歷，各基準(zhǔn)點(diǎn)的點(diǎn)位精度如表1。從表1可看出，基線長(zhǎng)度小于3km時(shí)，基線分量絕對(duì)精度小于±3mm，其余相對(duì)精度優(yōu)于1/300萬(wàn)。2.3 監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)觀測(cè)及精度 用9臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)12個(gè)崩滑體分別于4月中旬、5月中旬、6月中旬逐一進(jìn)行3期監(jiān)測(cè)，每期觀測(cè)時(shí)間約為6d，每天觀測(cè)23個(gè)時(shí)段，每時(shí)段長(zhǎng)為23h。對(duì)每一滑坡體觀測(cè)時(shí)，其中2臺(tái)GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)點(diǎn)上，其他置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上。經(jīng)平差計(jì)算，若每一崩滑體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)由1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算，平面位移精度優(yōu)于±6mm，垂直位移精度

8、優(yōu)于±10mm；若由2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算，則平面位移精度優(yōu)于±2.5mm，垂直位移精度優(yōu)于±3.2mm，見(jiàn)表2。表1 各基準(zhǔn)點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)(單位：mm)點(diǎn)號(hào)mxmymzBZMOGXTOHGBOHG1BZG3B1.41.51.42.02.12.92.92.83.94.11.81.81.72.22.2  注：7個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)中有1個(gè)點(diǎn)（LZYO）為起算點(diǎn)、有1個(gè)點(diǎn)觀測(cè)時(shí)采用的是單頻接收機(jī)，故表中僅列出5點(diǎn)。表2 變形監(jiān)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)(單位：mm)塊體名稱監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量各塊體3期形變量精度平均值xyHP黃土坡黃蠟石趙樹(shù)嶺八字門(mén)渡水頭鏈子崖新灘平均值85

9、1133870.30.3000.60.100.22.92.12.32.23.12.72.22.53.92.73.12.83.73.82.73.24.93.43.93.64.94.73.54.1為驗(yàn)證以上精度，將三期測(cè)得的平面位移與常規(guī)大地測(cè)量方法結(jié)果進(jìn)行比較，若視常規(guī)大地測(cè)量方法無(wú)誤差，則GPS測(cè)出的平面位移外符合精度為：mx=±3.4mm、my=±3.82mm、mP=±5.11mm；若與鉆孔法觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較(視鉆孔法無(wú)誤差)，則GPS測(cè)出的平面位移外符合精度為：mx=±6.49mm、my=±4.62mm、mP=±7.97mm。(事

10、實(shí)上，在三峽庫(kù)區(qū)采用的常規(guī)大地測(cè)量法和鉆孔法觀測(cè)精度低于GPS精度，但這是驗(yàn)證GPS精度的唯一方法)。從而證明GPS觀測(cè)的精度是可靠的。3 各項(xiàng)試驗(yàn)與研究3.1 最佳時(shí)段的試驗(yàn) 在監(jiān)測(cè)期間，分別在上午、下午、晚上(18時(shí)22時(shí))3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)。當(dāng)監(jiān)測(cè)精度平面位移為±(36)mm，垂直位移為±(610)mm(這是滑坡監(jiān)測(cè)的精度指標(biāo))，白天與晚上任何時(shí)段觀測(cè)，均可達(dá)到精度要求。3.2 最佳時(shí)段長(zhǎng)度試驗(yàn) 以新灘第二期觀測(cè)資料為例，對(duì)13條基線向量，3h觀測(cè)值分解成1h、1.5h、2h、3h分別解算，結(jié)果列于表3。從表3可看

11、出，采用靜態(tài)觀測(cè)定位方法，時(shí)段長(zhǎng)度1.52h為最佳。3.3 不同截止高度角比較試驗(yàn) 對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的45條基線，分別用15°、20°、25°截止高度角進(jìn)行比較計(jì)算結(jié)果列于表4。表3 不同時(shí)段長(zhǎng)度的試算結(jié)果時(shí)段長(zhǎng)度/hRMS/mm(中誤差)Ratio值浮點(diǎn)解的個(gè)數(shù)最小值最大平均值最小值最大平均值11.5235456121310198.47.36.59.21.91.61.91.621.439.864.730.29.415.922.413.10111表4 不同截止高度角計(jì)算結(jié)構(gòu)比較截止監(jiān)測(cè)點(diǎn)RMS/mm(中誤差)Ratio值最小值最大

12、值平均值最小值最大值平均值15°20°25°4446555.044.874.732.02.02.016.516.66.85.125.465.55從表4可看出，在三峽庫(kù)區(qū)，選用25°截止高度角效果最好，但需說(shuō)明，截止高度角與測(cè)點(diǎn)周?chē)匦斡嘘P(guān)，一般為20°。3.4 1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)比較試驗(yàn) 從理論上講一崩滑體的監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)最好為3個(gè)，但這樣代價(jià)較大，鑒于滑坡監(jiān)測(cè)的精度要求，本次試驗(yàn)選1個(gè)或2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行對(duì) 比試驗(yàn)，詳見(jiàn)表5。表5 從不同基準(zhǔn)點(diǎn)所測(cè)定的形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)起算基準(zhǔn)點(diǎn)X/mX/mmY/m

13、Y/mmZ/mZ/mmHGB1HGB4HGB5HGB6HGB7HGB0HGBBHGBOHGBBHGB0HGBBHGBOHGBBHGBOHGBB-1908996.2690-1908996.2700-1909002.1000-1909002.1010-1909009.2460-1909009.2430-19093190260-1909290.6920-1909290.692011-3-705126281.97805126281.98405126308.68805126308.68705126317.26005126317.25005126225.88605126225.

14、87105126267.70605126267.70606-1-10-1503269852.88103269852.88403269668.73703269668.73803269513.00403269512.99503269198.25303269198.25603269097.78903269097.792031-933根據(jù)=(/2n)1/2，可求出從1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的精度為：x=±2.4mm、y=±6.0mm、h=±3.3mm，轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)和高程(大地高)，即為x=±0.5mm、y=±4.3mm、h=±5.8mm，P=&

15、#177;4.3mm；若從2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算，則x=±0.4mm、y=±3.0mm、h=±4.1mm，P=±3.0mm?？梢?jiàn)2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)比較有利，除精度能提高外，主要是可校核，且增加可靠性。3.5 不同GPS接收機(jī)軟件計(jì)算比較試驗(yàn) 選用目前國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的4個(gè)GPS接 收機(jī)隨機(jī)軟件，分別對(duì)36條基線進(jìn)行解算，結(jié)果列于表6。表6 4種隨機(jī)軟件性能的比較隨機(jī)軟件ABCD計(jì)算時(shí)間(相同數(shù)據(jù))/min是否提供Ratio值是否提供RMS值同步環(huán)檢驗(yàn)異步環(huán)檢驗(yàn)?zāi)芊裉崛≡嘉募芊裉崛INES文件能否提供質(zhì)量控制參數(shù)能否提供殘差圖能否

16、提供基線信息是否能進(jìn)行網(wǎng)平差參數(shù)控制15十分方便十分方便非常豐富20比較方便比較方便比較豐富20×不能進(jìn)行不能進(jìn)行×比較豐富20能進(jìn)行不能進(jìn)行×比較豐富從表6可看出A型號(hào)GPS接收機(jī)隨機(jī)軟件功能強(qiáng)，效果好。3.6 監(jiān)測(cè)網(wǎng)用GAMIT軟件和IGS星歷與隨機(jī)軟件和廣播星歷解算精度比較試驗(yàn)。 對(duì)45條基線解算結(jié)果列于表7。表7 用精密星歷和廣播星歷進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果比較IGS精密星歷(GAMIT軟件)廣播星歷(隨機(jī)軟件)RMS值/mmRatio值RMS值/mmRatio值最小值最大值平均值最小值最大值平均值最小值最大值平均值最小值最大值平均值4

17、652.016.55.124652.016.55.13    表8 利用10min資料進(jìn)行快速定位的結(jié)果基線名稱邊長(zhǎng)S/mmx/mmy/mmh/mms/mmBZMO-BZM1BZMO-BZM3BZM1-BZM3平均值4214461032.03.32.02.41.81.91.61.85.75.54.85.31.62.71.72.0表9 利用20min資料進(jìn)行快速定位的結(jié)果基線名稱邊長(zhǎng)S/mmx/mmy/mmh/mms/mmBZMO-BZM1BZMO-BZM3BZM1-BZM3平均值4214461031.71.60.61.30.91.91

18、.21.31.65.55.24.11.72.21.31.7表10 利用10min資料進(jìn)行快速定位的結(jié)果基線名稱邊長(zhǎng)S/mmx/mmy/mmh/mms/mmBGBO-HGB411944.82.69.12.8由表7可看出，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)距基準(zhǔn)點(diǎn)距離較短(都在1km以內(nèi))，故解算時(shí)可用隨機(jī)軟件和廣播星歷，但基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)的解算，應(yīng)采用精密星歷和精密軟件。3.6 雙系統(tǒng)接收機(jī)優(yōu)越性試驗(yàn) 經(jīng)在三峽庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)試驗(yàn)，能同時(shí)接收GPS和GLONASS信號(hào)的接收機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 可靠性好。由于三峽庫(kù)區(qū)山高坡陡，遮擋嚴(yán)重，每顆衛(wèi)星連續(xù)觀測(cè)時(shí)間短，常出現(xiàn)整周模糊度無(wú)法固定，增加GLONASS衛(wèi)星后，就有明顯改善。(2) 精度有所改善。由于衛(wèi)星數(shù)增加，幾何圖形改善，定位精度有改善。目前GLONASS健康衛(wèi)星僅89顆，若24夥都正常工作，在三峽庫(kù)區(qū)采用雙系統(tǒng)接收機(jī)是有利的。3.7 快速靜態(tài)定位試驗(yàn) 用GAMIT軟件，分別對(duì)4條邊進(jìn)行快速靜態(tài)定位解算試驗(yàn)，結(jié)果列于表8表10中。從表7