浅析露天边坡变形监测技术

□ 王忠玮 朱青美 孙发丰

（三亚水文地质工程地质勘察院，海南 三亚 572000）

0.引言

由于人们对矿产资源的需求量不断提升，露天采矿的项目也在不断增加。但是采矿区的地势较为复杂，存在着许多陡峭、露天的边坡，这种边坡会受周围环境的影响逐渐变化成滑坡。滑坡是一种十分危险的地理灾害，严重影响到了人们的财产安全和生命安全。所以，我们需要对边坡采取严密地监控措施，分析其周边岩石变动的规律，预测其形成滑坡的可能性，并且可以通过分析监测数据，明确滑坡的发展动态和形势，方便日后采取有效的安全措施，确保采矿工作能够安全、顺利地进行。

1.边坡工程监测的方法

1.1 全站仪

全站仪监测法具有高精度、高速度、自动化程度高、操作简单、节省人力的优点，能够自动进行监测目标，而且获得的监测信息量通常较多。这一技术能够适用于不同变形阶段的位移监测；受地形通视条件限制，适用于变形速度较大的滑坡水平位移以及危岩陡壁处或者裂缝的变化监测。全站仪容易受气候条件影响。

1.2 测量机器人

测量机器人监测系统，具有能够自动识别监测对象的ATR功能，可以自动搜寻、确定目标，实行不同距离和角度的全自动化测量，以此优化传统的变形监测方案，完善传统的变形监测理论，减少监测人员的工作量。

1.3 GPS监测技术

精装度高、投入速度快，操作便捷简单，能够实行全天候的监测，不受通视条件以及地形的限制，当前该项技术实施成本较高，但是未来的发展前景较为客观。GPS监测技术能够适用于边坡体不同变形阶段地表三维位移监测。

1.4 传感器

传感器是一种监测装置，可以感受到被测量信息，然后将这一信息依照规定的规律转换成电信号或者其他类型的型号进行输出，从而使得信息的输送、整理、存储、显示和控制的需求得到满足。传感器能够获得大量人类肉眼所无法直接观察到的信息，所以将传感器应用于边坡监测，能够获得更加丰富的形象，更够优化数据的精确度，实现监测效果的突破。

1.5 近景摄影测量

近景摄影测量方法是指非接触测量的方法，其可以对变薄的变形状况进行测量，主要是要在边坡体的附近选择相关的控点和检测点，绕后对边坡进行拍摄，从而获取相关的影像数据。近景测量还可以用到建筑物的倾斜和沉降、建筑物的变形以及开裂，并且可以对开裂的宽度进行测量，从而获取相关的变形信息。

1.6 三维激光扫描

三维激光扫描仪是一种非接触式主动测量系统，可进行大面积高密度空间三维数据的采集，具有点位测量精度高、采集空间点的密度大、速度快等特点，且融合了激光反射强度和物体色彩等信息。三维激光扫描仪通过脉冲测距法获得测距观测值，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值。对于边坡（特别是高边坡）可以进行无接触的大范围的扫描，最终通过不同观测时期的数据进行边坡的稳定性分析。

2.常规方法与GPS技术在变形监测应用上的比较

常规大地测量与GPS变形监测技术相比：可以适用于不同的监测精度、不同的监测环境和不同的监测体，并且可以提供绝对变形信息。但外业工作量比较大，无法全天候作业，布点容易受到地形条件的影响,测站间需要互相通视，难以实现自动化监测。

近景摄影测量与GPS变形监测技术相比：适用于不规则、规则物体的变形监测,能够迅速地记录下相关信息，且相片上的信息完整丰富，有利于进行变形的对比分析。监测工作快速、安全、简便。但因为拍摄距离的限制，而且多数的测量机构没有摄影测量所需要的仪器，摄影测量技术在变形监测中还没有达到普遍的应用。

GPS以其操作简便、高精度、高效率、全天候、实时、自动化程度高等优点，已经广泛被人们所使用。GPS变形监测主要应用在以下几个方面：第一，在滑坡监测方面，GPS可以解决很多常规性问题，是掌握山体滑坡变形的重要手段。第二，该系统可对大型的构筑物进行监测，具有速度快、精度高、操作容易、不易受外界影响等特点，而且可以全天候的测出被测物体的三维坐标变化，实时的掌握被测物体的三维点位变化规律，为大型建筑物的安全运营、维护保养提供可靠的信息。第三，GPS技术不仅可以实现大坝滑坡的变形监测，而且能够将这种监测自动化。

3.GPS技术在露天边坡变形监测中的应用

3.1 监测的主要内容

3.1.1 选定变形监测基准点

露天边坡的变形监测点的挑选将会对监测结果带来重大的影响，这需要实际监测点既具有代表意义，又能够排除一切外部因素的干扰。而且，在选定露天边坡的监测点时，既要分析目前矿区的边坡地理状况，又要考虑到具体边坡的变形需求，要把监测点的位置设定在相对稳定的地方。

3.1.2 GPS变形监测网的设计

由于GPS同步观测不需要点之间相互通视，因此GPS大大增加了GPS网形设计的灵活性。

根据不同的精度要求，GPS网的网形布局一般有点连式、边连式、网连式及边点混合连接几种方式。GPS观测中，3台或3台以上GPS接收机同步观测所得到的基线向量叫做同步环，不是同步观测所得到的基线向量叫做异步环。

点连式是指相邻的同步观测图形之间只有一个公共点相连接，以这种方式布设的变形监测网几何图形强度较低，而且有较少的异步环甚至没有，通常不单独使用这种方法布设监测网。

边连式是指相邻的同步观测图形之间只有一条公共基线连接。这种布网方式，几何图形强度较高，有较强的可靠性，而且会有足够的异步环供网形精度监测，所以在GPS布设监测网时，多数采用边连式的方法。

网连式是指相邻同步图形之间有两个以上的公共点连接，这种方式需要4台以上的接收机。这种布网图形有很强的几何强度和较高的可靠性，异步环也较多，但是这种布网方式的缺点是：会花费大量的时间、经费，适用于高精度的变形监测。

边点混合连接式是指组成GPS网，既能保证网的几何强度，提高网的可靠性，又能减少外业工作量，减少成本，是一种比较靠谱的布网方式。

设计出的GPS网形，根据网型结构和接收机的精度指标，能够预算出所设计网形的精度，求出最弱点点位中误差。考虑到还有观测时段数，最后优化出能满足工作的最佳方案。

3.1.3 GPS监测及其坐标转换

边坡的数据收集一般使用的信号接收器为单频双频GPS接收器，将其安装在监测的基点部位，然后对基点展开长时间的持续监测，再用另一台接收器安装到其他监测区域。监测时间的安排是：核心监测点为每次2小时，而且需要安排多个监测时间段；普通的监测点为每次1小时，监测的时间段通常也是1个。监测获得的数据可以自行分析，统计出对应的基线向量，然后对其结果进行仔细研究和分析，对那些变化值超过限定标准的位置要进行再次测量。

3.1.4 监测结果的数据处理和变形分析

GPS监测系统使用的坐标系为WGS-84，经常使用的数据模式为椭球高程、纬度和经度等。在对露天边坡变形进行监测时不需要对坐标进行转换，可以直接通过将不同阶段的观测数值进行对比就能够计算出相对的变化量和差值。不过若是在GPS测量系统创建的前期，必须要用常规测量技术来计算监测得到的数值，或者可以把GPS监测点看做采矿工程的地理地质测绘图纸的探测点，这只需要将两者的坐标体系进行转换，把GPS系统使用的WGS-84坐标体系变成采矿行业经常使用的地方坐标系即可，搭建出两者之间的关联关系，就能够对采矿地区的露天边坡的变化状态进行分析。

3.2 监测露天矿山边坡变形状况的GPS系统

露天边坡的GPS自动监测系统主要由数据收集、传递以及加工3大功能模块构成（如图1所示）。数据收集，GPS系统的数据收集按照内容的不同可以将其划分为监测点和基准点两大块，而且需要使用3台GPS接收器来支持其正常运转。通常为了使监测的精准度有所保证，会在边坡的监测部位安装2个接收器；数据传输，按照露天边坡的现场环境传递GPS收集的数据，通常使用无线传输和有限传输相结合的方式；数据加工，由于露天边坡的位置地点十分重要，而且具有一定的危险性质，所以需要对其采取持续的观察和间断性的观察两种监测模式。GPS自动监测系统所收集到的边坡数据可以通过接收机来将其传递至控制中心进行数据处理和分析，并将这些处理后的结构进行妥善的存储。GPS系统能够全自动的发挥其监测功能，使用卫星每2个小时对监测到的数据进行分析和研究，对边坡的整体状态进行深层次的透析。

4.结束语

GPS技术对于露天边坡的监测而言具有十分重要的作用，随着科技的发展和不断进步，GPS技术的使用成本会不断降低，也能在露天边坡的变形监测中得到更加广泛的使用。因此，人们应当加大力度了解和研究GPS技术在露天边坡监测工作中的应用方法。通过介绍露天边坡中GPS技术变形监测系统的构建、变形监测方法以及监测结果的数据处理和变形分析等，希望能够为相关产业掌握GPS技术的应用提供帮助。