GPS技術(shù)在邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

目錄TOC\o"1-3"\h\u169221.引言 310991.1邊坡變形監(jiān)測的研究現(xiàn)狀 3306871.2邊坡變形監(jiān)測研究的目的、任務(wù)及主要內(nèi)容 3171161.2.1邊坡變形監(jiān)測的研究目的 3133521.2.2邊坡變形監(jiān)測的任務(wù) 4243661.2.3邊坡變形監(jiān)測的主要內(nèi)容 4164602.工程實例－福州晉安新城體育館邊坡監(jiān)測 565492.1測區(qū)概況 5282232.2測區(qū)基本情況及資料 529072.2.1測量規(guī)范 5278202.2.2測量任務(wù)書 5166412.2.3測區(qū)已有的測量資料 6134672.3監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)及選點 6152822.4.監(jiān)測實施步驟 796473.數(shù)據(jù)處理 7151353.1數(shù)據(jù)處理過程 8197193.2數(shù)據(jù)處理分析 11315764.參數(shù)選擇比較與分析 13297474.1高度截止角比較 13118804.2起算點坐標精度 13166195.結(jié)束語 13306406.致謝語 141.引言由于我國大眾對房子的需求旺盛導(dǎo)致房價的攀升，從而引起對建筑土地的旺盛需求。但我國適宜居住的地方又少之又少所以在適合人類居住的土地也相應(yīng)的越來越少，所以愚公移山的真實實例接連發(fā)生，而福州晉安體育館就是依山而建，開挖山體之后隨之而來的是這些工程區(qū)域以及工程運行期間所形成的邊坡安全變形監(jiān)測問題。福州晉安新城體育館位于鶴林片區(qū)橫嶼組團牛港山公園西南側(cè)，總建筑面積2.6萬平方米，建筑高度24米，地上建筑面積1.7萬多平方米，地下建筑面積9000多平方米。本文在福州晉安體育館邊坡變形監(jiān)測的基礎(chǔ)上，介紹了邊坡變形監(jiān)測的任務(wù)和主要內(nèi)容，根據(jù)福州邊坡變形的實際情況,初步了解GPS變形監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計，證明了GPS技術(shù)能夠運用到邊坡變形監(jiān)測中，并且明確了最佳的觀測參數(shù)。在邊坡工程建設(shè)中，通過對邊坡工程的安全監(jiān)測，可以起到如下作用[1]：（1）評價邊坡施工及其使用過程當(dāng)中邊坡的穩(wěn)定性，且做到了體育館變形監(jiān)測的預(yù)測工作，對于正在處于變形或?qū)⒁l(fā)生滑動的邊坡體掌握它的變化過程，從而了解滑坡的特征信息。（2）為防止可能發(fā)生滑動和坍塌的地段做好應(yīng)對方案，并采取相應(yīng)的措施，以避免和減輕災(zāi)害損失。（3）實時觀測已經(jīng)發(fā)生的災(zāi)害和加固之后的滑坡，觀測結(jié)果是評價已經(jīng)處理的滑坡段效果的最好尺度。（4）為有關(guān)數(shù)據(jù)模擬計算提供參數(shù)。1.1邊坡變形監(jiān)測的研究現(xiàn)狀隨著社會的發(fā)展科技的進步人口數(shù)量的增加，交通也越來越便利，隨之而來的就是人類對土地的開墾森林的破壞，水土流失也就越來越嚴重。而開墾山體又隨之而來的就是山體滑坡等等現(xiàn)象的發(fā)生。所以邊坡變形監(jiān)測技術(shù)也飛速的發(fā)展，在邊坡變形監(jiān)測研究當(dāng)中各國的研究者都提出了較好的監(jiān)測方法，常用的變形監(jiān)測方法有以下幾類[1]：一是常規(guī)的測量方法(大地測量方法與攝影測量方法),二是物理學(xué)傳感器方法。而常規(guī)測量方法具有精度高、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點，但是又因為工作量大、效率低，其他影響條件比較多，人力物力消耗量大且不能連續(xù)監(jiān)測，且要觀測點之間互相通視等這些限制著監(jiān)測的正常進行。物理傳感器主要是在局部的范圍內(nèi)對變形的地方進行監(jiān)測此方法不能夠滿足邊坡變形監(jiān)測。攝影測量的飛速發(fā)展給變形監(jiān)測實現(xiàn)自動化的可能性帶來了希望，數(shù)字攝影測量為該技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用開拓了更加廣泛的前景。但是，由于現(xiàn)在的攝影方法不是很完善要利用在變形監(jiān)測中過程還是比較復(fù)雜的?，F(xiàn)代GPS測量技術(shù)具有實時高精度的定位能力，并且可以實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，這項技術(shù)的應(yīng)用對變形監(jiān)測有著重要的作用，它以精度高，連續(xù)，實時，監(jiān)測點之間無需通視等優(yōu)越條件讓它取代了多種傳統(tǒng)的地面監(jiān)測方法。1.2邊坡變形監(jiān)測研究的目的、任務(wù)及主要內(nèi)容1.2.1邊坡變形監(jiān)測的研究目的邊坡變形監(jiān)測一直是我國在各個方面研究的重點，在礦產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)用的更是廣泛。研究變形監(jiān)測的目的是為了對各省容易發(fā)生災(zāi)害隱患的邊坡以及在各個施工當(dāng)中容易發(fā)生滑坡的邊坡進行實時監(jiān)測，以保證廣大人民的安全；再者通過監(jiān)測過程中積累的有用數(shù)據(jù)，為以后的研究以及分析作更加全面的參考。但是由于邊坡監(jiān)測常常受到地形及地理條件的限制，沒有辦法及時進行全面監(jiān)測得到有效的實驗數(shù)據(jù)，從而給研究帶來很大困難，同時因為費時費力，要消耗大量的財力物力，所以給監(jiān)測帶來極大難度。因此，本文著重介紹采用何種方法有助于解決這些問題，以期可以既快速又節(jié)約成本的進行邊坡監(jiān)測，為邊坡監(jiān)測解決實際性的問題。1.2.2邊坡變形監(jiān)測的任務(wù)（1）為即將發(fā)生變形的邊坡的預(yù)警，以確保證施工人員及設(shè)施的安全，在邊坡變形處于穩(wěn)定時，組織相應(yīng)施工人員施工；（2）給施工人員提供可靠地監(jiān)測資料來確定處于危險的邊坡變形及其影響范圍，以制定防災(zāi)、減災(zāi)措施；（3）對于福州晉安體育館邊坡，提供信息以便變動實施方案，甚至修改設(shè)計；（4）在施工方提出處理方案時，為方案的準確實施提供安全監(jiān)測，并對其處理的方案效果提出正確的評價。1.2.3邊坡變形監(jiān)測的主要內(nèi)容1.2.3.1選定變形監(jiān)測基準點邊坡監(jiān)測點的選擇方案直接影響到GPS數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，所以要求監(jiān)測點要穩(wěn)定且不受外界的影響，除此之外，在選監(jiān)測點的時候，不但要考慮體育館邊坡監(jiān)測的迫切程度，還要考慮到在體育館完工之后的變形監(jiān)測的需要，因此要將監(jiān)測點建立在穩(wěn)定的基巖上。觀測點應(yīng)布置在下列地段：在地形比較復(fù)雜的條件下，例如在斷層、風(fēng)化帶、巖土松動地段；被地下水侵泡沖刷地段；處于邊坡治理的地段?；€的條數(shù)一般是由滑坡的范圍所決定的，在本案例當(dāng)中大致分布在中央部分、大至垂直于體育館邊坡走向布置一條，在滑坡的兩側(cè)在布置多條。1.2.3.2GPS變形監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計GPS監(jiān)測網(wǎng)的方案設(shè)計以及實施是對體育館邊坡進行監(jiān)測的重中之重。所以要根據(jù)不同的監(jiān)測要求選擇適合等級要求的監(jiān)測網(wǎng)以及對應(yīng)的測點坐標。測點的設(shè)計方案是監(jiān)測網(wǎng)建立和實施的重要內(nèi)容，要根據(jù)體育館的實際情況，適當(dāng)選擇原來就有的測點，四等三角點及體育館重點監(jiān)測部位的新測點作為重點的監(jiān)測點。觀測點要在測點埋設(shè)穩(wěn)定之后才能進行觀測，觀測時首先要將控制點與體育館的基本控制點進行聯(lián)測，在觀測時要注意以下幾點[2]：（1）預(yù)警期觀測：為了確保邊坡是否正常滑動，要跟當(dāng)?shù)貙嶋H情況來制定周期性的觀測，當(dāng)下沉量達到20毫米時，就要加強觀測周期，說明這是有滑動的趨勢，需要進行全面的監(jiān)測。（2）滑動期觀測：這是出于比較危險的階段所以要根據(jù)具體的滑動情況來定測量周期，一般采用一個月兩次水準測量，一次全面測量。如發(fā)現(xiàn)較大的裂縫就要每周都要觀測。（3）滑坡后觀測：若滑動之后就要進行測點的全面檢測而且要記錄時間，并要繪制出滑動區(qū)域圖。1.2.3.3GPS監(jiān)測及其坐標轉(zhuǎn)換本案例選用的是GPS雙頻接收機，首先在監(jiān)測點上架設(shè)儀器，并準備進行長時間的觀測。兩小時以上的觀測時長作為重點觀測點的監(jiān)測，重點監(jiān)測的點要有兩個或者兩個以上的觀測時段，一般的監(jiān)測點有一個觀測時段即可且時段為一小時。84坐標系統(tǒng)是GPS常采用的坐標系統(tǒng)，在這個過程中可以不采用轉(zhuǎn)換坐標，通過對結(jié)果的處理就可以得帶差值或者位移量。如要將GPS測點繪制到工程測繪圖的控制點時，這時就需要將系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，也就將84坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成體育館采用的地方坐標系，以建立兩者之間的聯(lián)系，便可分析得到以往的變化發(fā)展勢[2]。2.工程實例－福州晉安新城體育館邊坡監(jiān)測2.1測區(qū)概況福州晉安新城體育館位于鶴林片區(qū)橫嶼組團牛港山公園西南側(cè)，總建筑面積2.6萬平方米，建筑高度24米，地上建筑面積1.7萬多平方米，地下建筑面積9000多平方米。這里地形比較復(fù)雜，植被茂密，多為墓地，進行布點比較困難，且測區(qū)沒有以往測量資料，山體土質(zhì)比較松散，對于監(jiān)測有一定的困難。如圖3-1所示為福州晉安新城現(xiàn)場圖圖2-1福州晉安新城現(xiàn)場圖2.2測區(qū)基本情況及資料2.2.1測量規(guī)范本案例當(dāng)中GPS技術(shù)設(shè)計的主要是根據(jù)國家測繪管理部門或行業(yè)制定的技術(shù)法規(guī)GPS測量規(guī)范，如2001年國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范》，1998年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標準《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》，以及各部委根據(jù)部門GPS工作的實際情況制定的其他GPS測量規(guī)程或細則。2.2.2測量任務(wù)書本案例中測量任務(wù)書是測量施工單位上級主管部門或合同甲方下達的技術(shù)要求文件。這種文件是指令性的，它規(guī)定了測量任務(wù)的范圍、目的、精度和密度要求，提交成果資料的項目和時間，完成任務(wù)的經(jīng)濟指標等,本項目主要才山區(qū)進行，根據(jù)福州市建設(shè)規(guī)劃部的要求，測區(qū)控制網(wǎng)采用邊聯(lián)式布網(wǎng)。儀器采用中海達HD8200X雙頻接收機該儀器主要精度指標為平面精度為±5mm+1ppm，垂直精度為±10mm+1ppm，作用距離50km。本次采用了4臺接收機工作。由于測區(qū)比較偏僻所以沒有已測成果，所用控制網(wǎng)只能跟D級控制點進行聯(lián)測。本次GPS方案設(shè)計時，首先依據(jù)測量任務(wù)書提出的GPS網(wǎng)的精度、密度和經(jīng)濟指標，再結(jié)合規(guī)范（規(guī)程）規(guī)定并現(xiàn)場踏勘具體確定各點間的連接方法，各點設(shè)站觀測的次數(shù)、時段長短等布網(wǎng)觀測方案。2.2.3測區(qū)已有的測量資料該測區(qū)是位于福州市郊外的一處山林當(dāng)中，所以以往測量的資料只有5秒級的測量點沒有測量成果圖。已有的測量點如下表：表2-1福州晉安新城體育館已有測量點福州晉安新城體育館已有測量基準點點號XYH備注OPOI305985794.35374892.48145.57OPOI315974465.88379845.89128.23OPOI325847387.29428567.5689.342.3監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)及選點本案例在圖形測網(wǎng)的設(shè)計中和第一期的測量工作中都有考慮到增強網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，監(jiān)測網(wǎng)中共設(shè)了八個平面監(jiān)測點，分別表為I01～I08，并且沿著邊坡分布，共組成了四個大地四邊形，高程控制網(wǎng)共布設(shè)5個測點A1、L1、L2、L3、A2其中A1、A2兩個測點是位于邊坡之外，處于穩(wěn)定狀態(tài)，若周邊沒有較大變動下，基本上可視為固定參考點，最終確定的設(shè)計方案如圖3-2所示。圖2-2平面監(jiān)測網(wǎng)布點圖本案例運用了GPS技術(shù)對福州晉安新城體育館邊坡進行了全面監(jiān)測，得到了一定量的數(shù)據(jù)，并通過比較與分析,確定了在改工程中的最佳觀測參數(shù)。利用GPS進行位移監(jiān)測，通常有兩個方案方法：第一個建立沒有人看守的觀測系統(tǒng)，并用軟件控制，就可以得到實時的監(jiān)測報告。第二個方案是用多臺接收機，周期性的進行觀測，并對數(shù)據(jù)處理之后得到報告。第一個方案能進行實時的監(jiān)測而且多處于自動化，但是相對的費用也比較高。第二個就需要高強度的勞動力，需要人工來處理，但費用較省，當(dāng)監(jiān)測點較多時，優(yōu)點比較明顯。本案例福州晉安新城體育館邊坡監(jiān)測則運用了第二個方案節(jié)省了多余的開支。監(jiān)測點GPS監(jiān)測點GPS監(jiān)測點GPS監(jiān)測點GPS監(jiān)測點GPS監(jiān)測點GPS基準點GPS基準點GPS體育館GPS監(jiān)測點數(shù)據(jù)采集器（有線）觀測數(shù)據(jù)采集器基準點GPS數(shù)據(jù)采集器（無線）服務(wù)器狀態(tài)、總控、變形分析數(shù)據(jù)庫終端數(shù)據(jù)處理平差計算變形顯示圖2-3福州晉安新城體育館邊坡變形GPS監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.4.監(jiān)測實施步驟1.根據(jù)測點布設(shè)的位置跟設(shè)計的監(jiān)測網(wǎng)以及測區(qū)經(jīng)、緯度和作業(yè)的要求日期來編制GPS衛(wèi)星的可見表，并根據(jù)設(shè)計資料選擇適合的高度截止角，以及圖形強度因子。2.每個等級的GPS測量都要求符合國家測繪管理部門要求的規(guī)定具體要求參考《全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范》。3.記錄當(dāng)天觀測的天氣情況，例如：下雨、晴天、多云等等情況。4.在基準點上安置接收機并對其進行對中整平，了然后量取天線高將對中誤差降到最低，并記錄到觀測手簿5.在記錄手簿要認真仔細，并且要當(dāng)場完成，不允許觀測結(jié)束之后再進行補記和涂改，完成后當(dāng)場認真核對看是否有記錄錯誤之處。6.接收機完成數(shù)據(jù)接收后要及時的輸入到電腦中，并進行存檔，不得隨意改動，數(shù)據(jù)采集完之后進行數(shù)據(jù)處理及分析。3.數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理的大概思路：總共有兩期數(shù)據(jù)可對比監(jiān)測數(shù)據(jù)，若在邊坡比較穩(wěn)定的情況下、要研究控制網(wǎng)內(nèi)的測點，可將兩個在邊坡之外穩(wěn)定的測點作為基準點，將控制網(wǎng)進行基線解算和網(wǎng)平差，將測點的坐標及精度結(jié)果輸出；以第一期的基點A1、A2為穩(wěn)定點；并跟第二期的數(shù)據(jù)進行對比，并且對各個測點的精度檢查是否在合理范圍內(nèi)，若超出了控制限差，就要對數(shù)據(jù)做進一步的處理，處理之后跟第一期處理的L1、L2、L3測點的坐標比較，比較兩期觀測中邊坡總體的位移，并對邊坡的穩(wěn)定性進行分析。在每個測點進行觀測時能夠接收到的衛(wèi)星數(shù)都大于4顆，儀器全部設(shè)置10秒采樣間隔，接受機的天線統(tǒng)一采用腳架并將安置在點位的垂線方向上，然后儀器居中。然后將比例因子設(shè)為1，坐標用84北京坐標系統(tǒng)，最后用軟件處理，處理之后基線的標差小于限差，處理結(jié)果合格。為了提高觀測的數(shù)據(jù)精度我們采用了下面幾個措施：1）在衛(wèi)星的選擇上每次觀測的衛(wèi)星都不少于4顆。2）在GDOP值選擇上本案例選擇6為參考基數(shù)，GDOP值越小就表明測站和衛(wèi)星星座所構(gòu)成的圖形是比較好的，GDOP值在觀測中越達到最佳值就表明觀測的成果越好。3）在量取天線高時，本案例直接量取到天線中心的參考點。GPS在觀測時是不需要各點間通視，所以在采集過程中并不需要人員的看守這樣大大減少了工作量。3.1數(shù)據(jù)處理過程打開軟件建立工程，顯示出如下界面：圖3-1數(shù)據(jù)處理界面導(dǎo)入數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)結(jié)算的網(wǎng)平差處理，結(jié)果為如圖3-2圖3-2網(wǎng)平差處理圖基線處理經(jīng)過對基線向量的解算并考慮到觀測時信號不穩(wěn)定以及觀測粗差將對基線產(chǎn)生影響所以解算完成要進行相應(yīng)的分析及檢核?；€處理圖如3-3下圖所示：圖3-3第一期數(shù)據(jù)處理圖處理完畢，在圖上分析并進行對比處理，以基線L3—A1為例，查看L3—A1基線的載波相位雙差殘差，找出誤差比較大的時段，并進行篩選，就可以得到精度更高的GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖形殘差和圖型曲線都是數(shù)值較小而且平滑的，表明此次觀測的是比較成功的，符合監(jiān)測的要求。網(wǎng)平差自由網(wǎng)平差是檢查GPS基線向量是否符合精度以及向量之間有無系統(tǒng)誤差，而且平差必須是在WGS-84坐標下進行的。如下表（4-1）所示是平差結(jié)果，從表中可以看出，各項誤差都在毫米級所以符合測量要求此次測量成果是合格的。表3-1自由網(wǎng)平差報告點號East誤差值North誤差值備注A1578365.215m0.004m3966440.469m0.003mA2578932.910m0.006m3967970.833m0.002mL1579345.321m0.007m3968125.359m0.006mL2578209.314m0.003m3967889.269m0.004mL3578169.343m0.002m3967663.774m0.000m對上述平差結(jié)果進行精度分析，如下圖（3-4）所示：網(wǎng)參考因子為1說明先驗誤差跟后驗誤差是匹配的；X方監(jiān)測為95%說明了網(wǎng)平差是符合要求的，且通過自由度說明多余觀測值較多是符合要求的。圖3-4平差結(jié)果用同樣的方法對第二期數(shù)據(jù)進行處理：圖3-5第二期數(shù)據(jù)處理圖3.2數(shù)據(jù)處理分析經(jīng)軟件處理之后，可得到如下數(shù)據(jù)并對其進行分析比較，從而分析邊坡變形。表3-2第一、二期數(shù)據(jù)對比表坐標標志點East（m）North（m）Elves（m）A1第一期568365.2153966440.4691334.082第二期568365.2153966440.4691334.082差值0.000.000.00A2第一期578932.9103967970.8331233.725第二期578932.9103967970.8331233.725差值0.000.000.00L1第一期579345.3213968125.3591231.698第二期579345.3223968125.3611231.697差值-0.001-0.0020.01L2第一期578209.3143967889.2691231.693第二期578209.3173967889.2701231.695差值-0.003-0.001-0.002L3第一期578169.3433967663.7741231.684第二期578169.3453967663.7751231.687差值-0.002-0.001-0.003將數(shù)據(jù)在84坐標下進行比較：表3-3第一、二期坐標對比表坐標標志點LatLonElves（m）A1第一期26°49’01.78542”101°47’00.20334”1201.067第二期26°49’01.79058”101°47’00.14788”1201.506差值-0.00516″0.00556″0.439A2第一期26°49’15.77142”101°47’13.48728”1198.724第二期26°49’15.77662”101°47’13.43182”1199.161差值-0.00520″0.05546″-0.437L1第一期26°49’20.77974”101°46’55.82173”1196.694第二期26°49’20.78496”101°46’55.76623”1197.133差值0.00522″0.05550″-0.039L2第一期26°49’16.35054”101°46’50.90506”1196.687第二期26°49’16.35573”101°46’50.84959”1197.128差值-0.00519″0.00547″-0.441L3第一期26°49’09.02198”101°46’49.47170”1196.673第二期26°49’09.02714”101°46’49.41628”1197.114差值-0.00516″0.05542″-0.431通過上述圖表可得：在這兩次的觀測中，第一期的為自由控制網(wǎng)，第二期是在54坐標系中平差得到的結(jié)果在此基礎(chǔ)上A1、A2為基準點的控制網(wǎng)平差，這兩次觀測的坐標值都不小于3mm，就表明邊坡是處于比較穩(wěn)定的階段并沒有明顯的滑動，若大于3mm就要對邊坡滑動采取一定的措施。為什么在84坐標系中A1、A2兩點的觀測差值不為0，那是由于在84坐標系中向54坐標系投影時產(chǎn)生了誤差，所以得到了不同程度到的差值，本案例同時也說明轉(zhuǎn)換坐標時投影誤差是不可以忽略的。4.參數(shù)選擇比較與分析4.1高度截止角比較在本案例中選用了、、三種高度截止角，并對其進行基線解算，通過對比可知，在本案例當(dāng)中對GPS高度角進行設(shè)置，得出選用20°高度截止角效果最好。具體數(shù)據(jù)如下表所示：表4-1（高度截止角為15度）基線名同步時長高度截止角方差比中誤差相對誤差A(yù)1—A2180min15.01.330.0231/37467A1—L1180min15.01.590.0351/39232表4-2（高度截止角為20度）基線名同步時長高度截止角方差比中誤差相對誤差A(yù)1—A2180min20.05.300.0131/64903A1—L1180min20.03.920.0151/57355表4-3（高度截止角為25度）基線名同步時長高度截止角方差比中誤差相對誤差A(yù)1—A2180min25.01.380.0331/37457A1—L1180min25.01.650.0231/393224.2起算點坐標精度以基準點I01的單點定位坐標作為起算點，并進行精密基線的解算，通過與非常精確的地心坐標的聯(lián)測結(jié)果比較，得出結(jié)論：起算點的坐標聯(lián)測非常精確的地心坐標就能夠提高基線解算的精確度，起算點的坐標聯(lián)測精確的地心坐標對與基線解算結(jié)果的影響是不容忽視的[14]。5.結(jié)束語GPS技術(shù)以快速、精準、實時