GPS滑坡位移监测精度影响因素简析

张仲林，叶振南，李 强，邓 兵

（1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，保定 071051； 2. 中国地质大学（北京），北京 100083）

GPS滑坡位移监测精度影响因素简析

张仲林1，叶振南2，李 强1，邓 兵1

（1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，保定 071051； 2. 中国地质大学（北京），北京 100083）

GPS位移监测技术已被广泛用于滑坡地质灾害监测预警工作中。三峡库区典型滑坡以GPS监测数据、野外踏勘和深部位移等资料为基础，对GPS监测影响进行研究，结果表明：监测点尤其是基准点被遮挡，采集到的数据存在严重误差，对滑坡变形分析影响巨大。

GPS技术；滑坡监测；野外环境；监测精度

0 引言

滑坡是一种严重的地质灾害，仅三峡库区二期蓄水导致较大的滑坡、崩塌体有1153处，变形体299处。其中发生1085处滑坡，299处沿岸变形体[1-3]。为了保障安全，必须对危险滑坡进行监测预警工作。目前滑坡变形监测的主要仪器有经纬仪、位移传感器、加速度传感器、激光仪等，选择GPS滑坡位移监测占多数。

1 GPS滑坡位移监测原理简介

1.1 GPS系统组成及原理

GPS系统由3部分组成：空间、地面监控和用户接收部分。GPS卫星星座由24颗高约20200km的卫星群组成，其中21颗工作卫星和3颗备用卫星，均匀分布在6个地心轨道平面内，每颗轨道4颗卫星。各轨道平面与地球赤道面的倾角为55°，各轨道平面之间的交角为60°，卫星运行的轨道周期为11小时58分，保证在任何时间和地点地平线上可以接收到4～11颗卫星发送出的信号。空间部分的功能是主要执行地面监控站的指令，接收和储存由地面监控站发来的导航信息；同时向GPS用户播送导航电文，提供导航和定位信息；通过高精度卫星钟向用户提供精密的时间标准[11]。

GPS 卫星定位监测滑坡位移的基本原理[12]是：利用GPS 接收机在某一时刻同时接收3 颗（或3 颗以上）的GPS 卫星信号，利用这些信息测量出测站点至3 颗（或3颗以上）GPS 卫星的距离，并计算出该时刻GPS 卫星的三维坐标，根据距离交汇原理解算出测站点的三维坐标。然而，由于卫星和接收机的时钟误差，GPS 卫星定位测量应至少对4颗卫星进行观测来进行定位计算。图1可确定4个距离观测方程。

式中：i=1、2、3、4；

C 为GPS 信号的传播速度；

（Xi,Yi,Zi）为卫星的轨道坐标；

ti为各个卫星的时钟差；

ρi为各个卫星到测站点接收机天线的距离；

待测点坐标（X,Y,Z）和接收机时钟差t 为未知数。

图1 对四颗卫星进行监测

1.2 GPS滑坡位移监测基本原理[4,5,9]

滑坡监测内容包括∶滑坡体与地表水平位移的监测；地表的垂直位移监测；监测区内建筑物的沉降观测。

(1)滑坡GPS监测网的布设

GPS 监测网由基准网和变形网构成，GPS监测网的布设包括基准点和监测点的布设。在基准网控制下，比较滑坡监测点各期观测量与首期观测值的坐标差值，即可判断滑坡稳定性。GPS 滑坡监测基准点点位的布置要求地质条件好，点位稳定；适合GPS 观测条件，并无显著多路径效应；尽可能选用经实践证明点位稳定的基准网点。基准点需要经地质勘探，且建有稳固的观测墩，便于稳定性分析。而监测点点位的选定应该能适合GPS观测条件，并有效的反映滑坡变形的特征。具体地说，监测点要能反映滑坡体整体变形方向、变形量，又要能反映滑坡体范围变形速率；同时每个点还要考虑接收卫星信号情况，测点上空不要有大面积遮挡物。

(2)GPS滑坡监测模式

GPS用于变形监测的作业方式可分为周期性和连续性两种模式( Episodic and Continuous Mode)。当形变体的变形速率相当缓慢(如地壳运动, 处于缓慢变形阶段的滑坡体位移等), 在局部时间域和空间域内可以认为稳定不动时, 可利用GPS进行周期性变形监测, 监测频率视具体情况可为数月、一年或甚至数年之久。此时采用GPS静态相对定位方法测量, 将2台以上GPS接收机安置在观测点上同步观测一段时间, 观测时段长度和时段个数依监测精度的要求而定。连续性变形监测指的是采用固定监测仪器进行长时间的数据采集, 获得变形数据系列, 此时监测数据是连续的, 具有较高的时间分辨率。根据变形体的不同特征, GPS连续性监测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测, 一般要求变形响应的实时性。

(3)GPS数据处理方法

GPS数据处理多采用高精度GPS 数据处理软件进行,其对数据的处理包括两个方面：一是对GPS原始数据进行处理后获得同步观测网的基线解; 二是对各同步观测网的解进行整体平差和分析, 获得GPS网的整体解。数据处理的重点都在于对同步网的基线处理,而在网的平差分析方面, 特别是多个子网的系统误差分析、粗差分析及随机误差处理方面,目前还没有很理想的方法。

2 GPS滑坡位移监测精度影响因素分析

三峡库区从二期蓄水开始，就普遍使用了GPS对长江两岸的滑坡进行监测。然而二期蓄水至今已经10年有余，随着时间的推移，各滑坡监测点周围环境也发生了很大的变化：（1）监测点周边树木的生长对监测点透视区的遮挡（图2）；（2）人类工程活动（建筑路基或房屋等修建），部分监测点被建筑物遮挡甚至已经被损坏（图3）。

图2 监测点被果树遮挡

图3 被建筑遮挡和移动

2.1 遮挡监测点对精度影响

以清溪河滑坡GPS滑坡位移监测系统WS04-02点和WS04-05监测点为研究对象，进行位移监测精度影响对比分析。清溪河滑坡位于巫山县巫峡镇跳石村3组,滑坡长度345m，宽度460m，面积15.8万m2,滑坡的坡度50°，是一个典型的崩塌型滑坡。在滑坡体上一共建设了7个监测点,在滑坡体外建设了2个基准点,共9个监测点对清溪河滑坡体地表实施GPS监测,监测频率每月一次,主汛期每月两次,每次监测时间为两小时左右。在该滑坡中，监测点WS04-02 和WS04-05被树木遮挡的较严重，两个点接收卫星信号质量很差。后期经过数据处理得到GPS数据处理的基线图如图4，WS04-02点和WS04-05点与邻近监测点累计水平位移随时间变化曲线如图5。

从图4可以看出，WS04-02点和WS04-05点的周围基线上，都有警告的小旗，说明该点位因遮挡影响，卫星信号相对较弱，造成基线解算时误差较大，基线解算未通过，必须经过二次精化处理，即使是第二次精化处理，有时解算可以通过，影响较严重时解算通不过，只能将其删除，这样导致监测精度大大下降，严重影响后期数据处理及数据准确性。

图4 GPS数据初步处理基线图

由图5可以看出，监测点WS04-06和WS04-07未受树木遮挡，位移曲线比较稳定，水平累计位移量随时间发展平稳的增加，较好反映了滑坡位移量随时间发展变化趋势，总体上较好的符合滑坡变形的真实情况。监测点WS04-02和WS04-05受到树木遮挡比较严重，与WS04-06 和WS04-07相比，曲线总体起伏较大，GPS接收机对信号的接收受遮挡影响，处理后的监测数据存在一定的误差，不能很好的反应滑坡体点位的变形趋势，需要进一步处理来进行变形分析。WS04-02和WS04-05曲线前半部分相对稳定，误差较小；随时间的推移起伏逐渐增大，误差也随之增大。分析其主要原因是由于前期树木低矮，对监测点遮挡程度较轻，对接收信号影响较小；树木随时间推移逐渐长大，对监测点的遮挡越来越严重，对接收信号的影响越大，导致处理后的监测数据起伏增大，误差也随之升高，树木等对监测点遮挡越严重，造成的误差也就越大。

图5 监测点WS04-02和WS04-05与邻近监测点累计水平位移曲线对比图

2.2 遮挡基准点对精度影响

选择巫山县大屋场滑坡作为研究对象，该滑坡位于大溪乡开峡村12组，滑坡长度800m,宽度600m,总面积48 万m2,滑坡坡度18°。监测频率每月一次,主汛期每月两次,每次监测时间为两小时左右。滑坡体上共布置了11个监测点，其中WS10-10受到树木的遮挡比较严重。在监测初期以WS10-10为基准点时，基线第一次处理情况如图6。

图6 大屋场滑坡初期处理基线图

从图6可以看出，在多个地方都出现了警告旗，这说明基准点受到树木遮盖对整体监测数据的处理影响较大，处理结果存在较大误差。为了解决上述问题在2011年12月，把基准点换成了无遮挡的WS10-11点为基准点，处理得到的累计水平位移随时间变化的曲线如图7。

图7 大屋场滑坡累计水平位移曲线

从图7中可以看出，在2011年12月更换基准点以前，各个监测点的累计水平位移曲线起伏较大，监测数据误差较大；在2011年12月更换基准点以后，所有监测曲线的起伏都有很大程度的减小，曲线趋于平稳，滑坡处于缓慢蠕滑变形阶段，通过地表勘查和钻孔倾斜仪数据对比分析，证明GPS后期监测数据和推断符合滑坡实际情况，说明更换基准点后，GPS监测恢复了正常状态。

在监测点周围修筑路基、房屋等建筑物时，同样会使监测点受到遮挡，导致监测精度的降低。如果监测点在此过程中遭到移动或损坏，对监测精度的影响更加严重。首先，GPS滑坡监测网系统遭到损坏，达不到预期监测效果；其次，监测点数据的缺失为数据处理增加了困难，监测精度降低；当被损坏的监测点处在关键位置时，通过监测点之间的对比分析得到的滑坡主滑方向、最大位移等参数会出现偏差，最终导致监测网无法正常有效地发挥监测预警作用，需要进一步选点重新修建监测桩才能满足监测精度及效果。

3 结论

（1）GPS监测技术具有连续、实时、高精度、全天候测量、测站间无需通视、同时测量三维位移和自动化程度高等优点，随着GPS仪器功能的增强和完善、价格降低以及各种解算模型的完善，与传统技术相比具有较高的优越性，在滑坡监测预警中起到了关键的作用。滑坡监测系统精度的高低，直接影响滑坡的监测效果，注重监测精度的影响，找出遮挡等主要影响因素，及时处理，提高监测精度对进一步分析滑坡变形及影响起着关键作用。

（2）当GPS监测点周围有树木、房屋以及围墙等建筑物遮挡时，尤其是当被遮挡的监测点作为基准点时，整个监测系统中所有的监测点都会受到影响，处理得到的监测数据与基线图存在误差，需要进一步处理甚至删除数据，监测精度随之降低，严重影响后期数据处理和变形分析等，因此要保证监测点位周围的透视性良好，出现问题及时解决，保证数据采集的正常性。

3）在滑坡上建立GPS监测系统时要充分考虑监测点位的布置，尤其是基准点周围的环境条件，充分考虑树木、房屋建筑等遮挡隐患；同时加大在群众中的宣传工作，提高滑坡体上的村民对监测设施的认识，使他们自觉保护监测设施，避免在监测设施周围种树及进行施工建筑，从而保证GPS监测系统的监测精度，使之发挥最大功效，保证人民生命财产安全。

[1] 刘 辉,何春桂,张安兵等.GPS 技术在三峡库区滑坡监测中的应用[J].长江科学院院报,2008,25(4)∶33～35.

[2] 陈红卫,杨红生.GPS 技术在滑坡监测中的应用[J].测绘与空间地理信息,2012,35(1)∶145～149.

[3] 俞得响,邹双朝.GPS 技术在滑坡变形监测中的应用[J].地理空间信息,2009,7(1),55～58.

[4] 张建坤,黄声享,李翅,陈强. GPS 技术在滑坡变形监测中的应用[J].地理空间信息,2009,110(6).

[5] 程 军.GPS滑坡监测设计与应用[J].通信技术,2009,10(42)∶1 47～1 49.

[6] 韦 明.滑坡监测工程中GPS 测量技术探讨[J].中国高新技术企业,2010,148(13)∶49～50.

[7] 文海家,张永兴,柳 源.滑坡预报国内外研究动态及发展趋势[J].中国地质灾害与防治学报,2004,25(1)∶1～5.

[8] 时荣环. G P S 测量的主要误差及其在滑坡监测中的对策[J].科技资讯,2011,NO11∶33.

[9] 胡友健,梁新美,许成功. 论GPS变形监测技术的现状与发展趋势[J].测绘科学，2006,31（5）：155～158.

[10]叶 青,赵全麟. 三峡工程库区滑坡监测几个问题的探讨[J].人民长江,2000,31(6)∶7～9.

[11] 张 勤,李家权.GPS 测量原理及应用[M].北京∶科学出版社,2006∶5～7.

[12] 吴朝阳,许志华. GPS 测量原理及应用简介[J].理工科研,2009.6(上旬刊).

Analysis on Affecting Factors of the Precision during GPS Landslide Deformation
Monitoring

ZHANG Zhonglin1，YE Zhennan2，LI Qiang1，DENG Bing1

(1. Center for Hydrogeology and Environmental Geology of CGS，Baoding 071051；2.China University of Geosciences，Beijing 100083)

GPS deformation monitoring technology has been widely applied to landslide monitoring and early warning. After the monitoring system was established, the precision would be seriously affected when the monitoring stations are covered by trees or buildings over time. Take typical landslides in Three Gorges Area as an example, the factors affecting the precision during GPS landslide monitoring is analyzed based on monitoring data of GPS, fi eld reconnaissance and deep displacement data. The result shows that when the monitoring stations, especially for the datum stations, are covered, the data gathered will be unreliable, which will serious affect the data processing and analysis on the deformation trend of the landslide. In order to ensure the normal operation of the monitoring system on the whole, the problems identified must be solved timely.

GPS technology；Landslide monitoring；Filed environment；Monitoring precision。

P694

A

1007-1903（2013）02-0009-04

陇东地区地质灾害详细调查（1212010814012）

张仲林（1964- ），男，北京人，工程师，本科，长期从事水文地质、工程地质、地质灾害防治方面的调查与研究工作。

邮箱：yang5359535@126.com