gps在三峽庫區(qū)滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用

gps在三峽庫區(qū)滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用

為了更好地監(jiān)測和防治長江三角氣田的災(zāi)害，完善監(jiān)測手段，建立高水平三維綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)動態(tài)監(jiān)測，建設(shè)現(xiàn)代地質(zhì)勘察網(wǎng)絡(luò)，作者于1999年2月至7月在湖北省庫庫區(qū)建立了60個(gè)gps監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行了gps斜坡監(jiān)測。為了研究gps在西藏的應(yīng)用是否可以取代傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，獲得了驗(yàn)證。為了研究gps在西藏的斜坡監(jiān)測中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了最佳觀測時(shí)間、最佳間隔、最佳起點(diǎn)高度、最佳基本點(diǎn)的數(shù)量和分布，并研究了聯(lián)合gps機(jī)及其高精度軟件的解算精度。不同數(shù)量的隨機(jī)軟件的精度、速度和性能進(jìn)行了比較。不同數(shù)量的隨機(jī)軟件的精度、速度和性能進(jìn)行了比較。采用高精度星歷和廣播發(fā)送星歷解算精度進(jìn)行比較，進(jìn)行快速靜態(tài)定位試驗(yàn)，采用系統(tǒng)和單系統(tǒng)定位精度進(jìn)行比較試驗(yàn)，并對測量儀器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的精度影響進(jìn)行驗(yàn)證。通過三期實(shí)測試驗(yàn)與研究,證明在三峽庫區(qū)滑坡監(jiān)測時(shí),完全可用GPS來代替常規(guī)的外觀測量方法,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測試區(qū)的gps點(diǎn)配置GPS監(jiān)測點(diǎn)分二級布設(shè),即由基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)和滑坡體監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)組成。各崩滑體的選擇,每個(gè)崩滑體監(jiān)測點(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滑坡體及邊坡選擇監(jiān)測崩滑體,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m3,滑坡體面積大于500萬m3;位于城鎮(zhèn)新址或其附近,已做過詳勘和進(jìn)行過治理;前緣高程低于180m,后緣高程高于180m及受庫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。1.2gps基準(zhǔn)點(diǎn)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)一般選在距崩滑體50～1000m的穩(wěn)定巖體上,且適合GPS觀測。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,在鏈子崖至巴東庫段50km試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選擇了7個(gè)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)(圖1)。1.3確定崩滑體監(jiān)測位點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)即為每個(gè)崩滑體的監(jiān)測點(diǎn),因此應(yīng)根據(jù)崩滑體的形態(tài)特征、變形特征、動力因素及監(jiān)測預(yù)報(bào)等具體要素(變形方位、變形量、變形速率、時(shí)空動態(tài)、施工動態(tài)、發(fā)展趨勢等)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)測點(diǎn)數(shù)一般為3～8個(gè),且能構(gòu)成1～2條監(jiān)測剖面;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。本試驗(yàn)網(wǎng)中監(jiān)測點(diǎn)距基準(zhǔn)點(diǎn)之距離平均為281m,最長為895m,最短為39m。1.4gps觀察在每一基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)上,都建GPS觀測墩,且設(shè)有強(qiáng)制對中裝置,其要求同GPS測量規(guī)范。2gps數(shù)據(jù)的采集、處理和精度分析2.1gps比測和分析為了獲得試驗(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LZY0點(diǎn)有優(yōu)于±6cm的WGS-84坐標(biāo),完全能滿足監(jiān)測網(wǎng)的起算坐標(biāo)的精度要求。2.2觀測基準(zhǔn)點(diǎn)和位點(diǎn)精度用6臺雙頻GPS接收機(jī)和一臺單頻雙系統(tǒng)接收機(jī),在7個(gè)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)上同步觀測16h,觀測時(shí)測定氣象元素,數(shù)據(jù)處理采用BerneseVer4.0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,基線長度小于3km時(shí),基線分量絕對精度小于±3mm,其余相對精度優(yōu)于1/300萬。2.3觀測精度驗(yàn)證用9臺GPS接收機(jī),對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,每期觀測時(shí)間約為6d,每天觀測2～3個(gè)時(shí)段,每時(shí)段長為2～3h。對每一滑坡體觀測時(shí),其中2臺GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)點(diǎn)上,其他置在監(jiān)測點(diǎn)上。經(jīng)平差計(jì)算,若每一崩滑體的監(jiān)測點(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,見表2。為驗(yàn)證以上精度,將三期測得的平面位移與常規(guī)大地測量方法結(jié)果進(jìn)行比較,若視常規(guī)大地測量方法無誤差,則GPS測出的平面位移外符合精度為:mx=±3.4mm、my=±3.82mm、mP=±5.11mm;若與鉆孔法觀測結(jié)果進(jìn)行比較(視鉆孔法無誤差),則GPS測出的平面位移外符合精度為:mx=±6.49mm、my=±4.62mm、mp=±7.97mm。(事實(shí)上,在三峽庫區(qū)采用的常規(guī)大地測量法和鉆孔法觀測精度低于GPS精度,但這是驗(yàn)證GPS精度的唯一方法)。從而證明GPS觀測的精度是可靠的。3不同的實(shí)驗(yàn)和研究3.1觀測試驗(yàn)時(shí)間在監(jiān)測期間,分別在上午、下午、晚上(18時(shí)～22時(shí))3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行觀測試驗(yàn)。當(dāng)監(jiān)測精度平面位移為±(3～6)mm,垂直位移為±(6～10)mm(這是滑坡監(jiān)測的精度指標(biāo)),白天與晚上任何時(shí)段觀測,均可達(dá)到精度要求。3.2觀測值的解算以新灘第二期觀測資料為例,對13條基線向量,3h觀測值分解成1h、1.5h、2h、3h分別解算,結(jié)果列于表3。從表3可看出,采用靜態(tài)觀測定位方法,時(shí)段長度1.5～2h為最佳。3.3截止高度角對監(jiān)測網(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。從表4可看出,在三峽庫區(qū),選用25°截止高度角效果最好,但需說明,截止高度角與測點(diǎn)周圍地形有關(guān),一般為20°。3.41[]/2n2e監(jiān)測點(diǎn)精度從理論上講一崩滑體的監(jiān)測基準(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)行對比試驗(yàn),詳見表5。根據(jù)σ=([ΔΔ]/2n)1/2,可求出從1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)觀測監(jiān)測點(diǎn)的精度為:σx=±2.4mm、σy=±6.0mm、σh=±3.3mm,轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)和高程(大地高),即為σx=±0.5mm、σy=±4.3mm、σh=±5.8mm,σp=±4.3mm;若從2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算,則σx=±0.4mm、σy=±3.0mm、σh=±4.1mm,σp=±3.0mm?？梢?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。3.5gps熱計(jì)算法解算GPS接收機(jī)軟件計(jì)算比較試驗(yàn)選用目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的4個(gè)GPS接收機(jī)隨機(jī)軟件,分別對36條基線進(jìn)行解算,結(jié)果列于表6。從表6可看出A型號GPS接收機(jī)隨機(jī)軟件功能強(qiáng),效果好。3.6隨機(jī)軟件和廣播星歷由表7可看出,由于監(jiān)測點(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。3.6gl根本改善經(jīng)在三峽庫區(qū)實(shí)測試驗(yàn),能同時(shí)接收GPS和GLONASS信號的接收機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)可靠性好。由于三峽庫區(qū)山高坡陡,遮擋嚴(yán)重,每顆衛(wèi)星連續(xù)觀測時(shí)間短,常出現(xiàn)整周模糊度無法固定,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8～9顆,若24夥都正常工作,在三峽庫區(qū)采用雙系統(tǒng)接收機(jī)是有利的。3.7靜態(tài)定位解算試驗(yàn)用GAMIT軟件,分別對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～表9可看出,在監(jiān)測點(diǎn)上觀測20min即可滿足滑坡監(jiān)測的精度要求。3.8監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)元素測定的可變性原因經(jīng)實(shí)際計(jì)算表明,因監(jiān)測網(wǎng)邊長較短,用實(shí)測氣象參數(shù)基線解的精度和用標(biāo)準(zhǔn)氣象參數(shù)基線解的精度無明顯差別,故監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)觀測時(shí)可不測氣象元素。實(shí)際解算表明基準(zhǔn)網(wǎng)采用實(shí)測氣象元素基線解精度有提高,因此對基準(zhǔn)網(wǎng)觀測時(shí),應(yīng)實(shí)測氣象元素。4試驗(yàn)研究建議(1)通過本次試驗(yàn)證實(shí)了利用GPS進(jìn)行三峽庫區(qū)崩滑監(jiān)測是可行的。GPS具有全天侯,測站間無需通視,可同時(shí)測定三維位移,這是常規(guī)方法無法實(shí)現(xiàn)的。(2)通過本次試驗(yàn),初步解決了GPS在三峽庫區(qū)滑坡監(jiān)測時(shí)最佳時(shí)段、最佳時(shí)段長度、最佳截止高角、最佳基