gps大地高在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的土地變形測(cè)量中，通常使用水平測(cè)量法測(cè)量高度變化，并使用三角形網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)線法和視線法以及經(jīng)緯儀測(cè)量平面位置的變化。實(shí)踐證明,傳統(tǒng)的大地形變測(cè)量工作的精度、工作效率嚴(yán)重地受到地形條件的限制,而且監(jiān)測(cè)范圍較小,提供的僅僅是變形體上離散點(diǎn)的變形狀態(tài)。隨著精密電子測(cè)量?jī)x器的出現(xiàn),特別是全站儀和GPS的出現(xiàn),為提高測(cè)量精度和工作效率創(chuàng)造了優(yōu)越的條件。GPS作為現(xiàn)代大地測(cè)量的一種技術(shù)手段,可以實(shí)現(xiàn)三維大地測(cè)量,進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)及實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化,作業(yè)簡(jiǎn)單方便,具有高精度、高效率、自動(dòng)化程度高和勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。目前,已在滑坡、地面沉降、地震、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用。筆者在研究了幾種常用的高程系統(tǒng)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上,提出將GPS定位技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)滑坡體的垂直運(yùn)動(dòng),并研究了GPS所測(cè)得的大地高在滑坡監(jiān)測(cè)中的精度及實(shí)際應(yīng)用的效果,得出了一些有益的結(jié)論。1gps測(cè)量方法在滑坡監(jiān)測(cè)中,GPS定位技術(shù)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用,但主要是用于監(jiān)測(cè)滑坡體的水平運(yùn)動(dòng)。而對(duì)于滑坡體的垂直運(yùn)動(dòng),一般仍沿用傳統(tǒng)的精密水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行。因?yàn)镚PS測(cè)量是在WGS-84地心坐標(biāo)系中進(jìn)行的,所提供的高程為相對(duì)于WGS-84橢球的大地高HGPS,它是一個(gè)幾何量,沒(méi)有物理上的意義,除了個(gè)別特殊用途外,要把GPS大地高轉(zhuǎn)換為我國(guó)使用的正常高Hnormal或在實(shí)際工程中應(yīng)用的正高Horthometric,即海拔高。GPS測(cè)量在平面位置上的精度已經(jīng)達(dá)到了10-8～10-9,但在滑坡監(jiān)測(cè)中是否能使用GPS所測(cè)得的大地高來(lái)反映滑坡體微量的垂直運(yùn)動(dòng)呢?如果能用,精度又如何呢?可以從幾種常用的高程系統(tǒng)及其關(guān)系展開(kāi)分析。1.1一些常見(jiàn)的高系統(tǒng)及其關(guān)系1.1.1點(diǎn)上的蛋糕高是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng),地面某點(diǎn)的大地高H定義為由地面點(diǎn)沿通過(guò)該點(diǎn)的橢球法線到橢球面的距離,稱為以該橢球面為基準(zhǔn)面的大地高H,如圖1中所示地面點(diǎn)P的大地高為PP′。GPS定位測(cè)量獲得的是WGS-84橢球大地坐標(biāo)系上的成果,也就是說(shuō)GPS測(cè)量求得是點(diǎn)相對(duì)于WGS-84橢球的大地高H。由大地高的定義可知,它是一個(gè)幾何量,不具有物理意義,對(duì)于不同橢球所定義的大地坐標(biāo)系,也構(gòu)成不同的大地高系統(tǒng)。1.1.2正高的計(jì)算式是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng),地面某點(diǎn)的正高Hg定義為由地面點(diǎn)沿鉛垂線至大地水準(zhǔn)面的距離。大地水準(zhǔn)面是一族重力等位面(水準(zhǔn)面)中的一個(gè),由于水準(zhǔn)面之間的不平行,所以過(guò)一點(diǎn)并與水準(zhǔn)面相垂直的鉛垂線,實(shí)際上是一條曲線,正高的計(jì)算式為Hg=1gm∫HggdH(1)Ηg=1gm∫ΗggdΗ(1)式中:gm為由地面點(diǎn)沿鉛垂線至大地水準(zhǔn)面的平均重力加速度,g為各測(cè)站相應(yīng)的重力值,dH為水準(zhǔn)測(cè)量各測(cè)站的觀測(cè)高差。由于gm無(wú)法直接測(cè)定,所以嚴(yán)格說(shuō)來(lái),正高是不能精確確定的。因?yàn)檎呤且源蟮厮疁?zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng),因而具有明確的物理意義。大地水準(zhǔn)面至橢球面的距離P′P″(見(jiàn)圖1)為大地水準(zhǔn)面差距(N)N=H?Hg(2)Ν=Η-Ηg(2)1.1.3平均正常重力由于正高實(shí)際上無(wú)法精確求定,為了實(shí)用上方便,人們建立了正常高系統(tǒng),其定義為Hr=1rm∫HrgdH(3)Ηr=1rm∫ΗrgdΗ(3)式中:rm為由地面點(diǎn)垂線至似大地水準(zhǔn)面之間的平均正常重力值。可見(jiàn)正常高是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng),是可以精密確定的,同樣具有明顯的物理意義,因而在各項(xiàng)工程技術(shù)方面有著非常廣泛的應(yīng)用。任意一點(diǎn)的大地水準(zhǔn)面與似大地水準(zhǔn)面之間的差值,由(1)與(3)式可得Hr?Hg=gm?rmgmHr(4)Ηr-Ηg=gm-rmgmΗr(4)式中:(gm-rm)為重力異常,在高山和海底重力異常相差較大,可達(dá)數(shù)米,在平原地區(qū)僅為數(shù)厘米,而在海平面上兩者重合。似大地水準(zhǔn)面與橢球面之間的差距稱為高程異常ζ(見(jiàn)圖1中的P′Pue087)ζ=H?Hr(5)ζ=Η-Ηr(5)1.1.4正高與uh的關(guān)系大地高與正常高之間的關(guān)系H=Hr+ζ(6)Η=Ηr+ζ(6)大地高=正常高+高程異常(見(jiàn)圖1)。大地高與正高之間的關(guān)系H=Hg+N(7)Η=Ηg+Ν(7)大地高=正高+大地水準(zhǔn)面差距(見(jiàn)圖1)?？梢?jiàn),由GPS可測(cè)定地面點(diǎn)的大地高,如能求出此點(diǎn)的高程異常ζ或大地水準(zhǔn)面差距N,即可求出此地面點(diǎn)的正高或正常高。1.2同一部分上的期國(guó)土高之差滑坡體上某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直形變量d定義為此點(diǎn)上的兩期正常高之差所以滑坡體的垂直形變量d也可表示為同一點(diǎn)上的兩期大地高之差d=H2?H1(10)d=Η2-Η1(10)因此,某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于某個(gè)監(jiān)測(cè)周期的地面垂直運(yùn)動(dòng)量,同樣可表示為兩期監(jiān)測(cè)結(jié)果所獲得的大地高之差。這說(shuō)明GPS定位技術(shù)用于監(jiān)測(cè)滑坡體的垂直運(yùn)動(dòng)在理論和實(shí)踐上都是可行的。2觀測(cè)時(shí)間、方法和措施根據(jù)滑坡監(jiān)測(cè)的精度和技術(shù)要求,在某滑坡區(qū)域選定了監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)和變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),并且布設(shè)了滑坡變形監(jiān)測(cè)的GPS網(wǎng)。此后,使用了四臺(tái)大地型的AshtechZ-12GPS接收機(jī)(帶扼流圈天線)和一臺(tái)高精度的Ni002型自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀,分別于2000年11月、2001年8月、2001年12月進(jìn)行了3期GPS測(cè)量和水準(zhǔn)測(cè)量聯(lián)合監(jiān)測(cè)滑坡體垂直運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。GPS測(cè)量的技術(shù)方案為:觀測(cè)衛(wèi)星高度角≥15°;數(shù)據(jù)采樣間隔15″;有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≥4;觀測(cè)時(shí)段數(shù)目≥2;PDOP值≤5;每時(shí)段觀測(cè)時(shí)間基準(zhǔn)網(wǎng)-180min;監(jiān)測(cè)網(wǎng)-120min。由于邊長(zhǎng)較短(不超過(guò)600m),采用雙差模型可以有效地消除或削弱衛(wèi)星星歷誤差、電離層和對(duì)流層折射等誤差;120min以上的觀測(cè)時(shí)間可保證有充足的觀測(cè)量來(lái)消除或削弱相關(guān)性較強(qiáng)的誤差,可達(dá)到滑坡監(jiān)測(cè)所要求的點(diǎn)位中誤差±3.0mm的精度標(biāo)準(zhǔn)。GPS網(wǎng)用4臺(tái)儀器同步觀測(cè),采用邊聯(lián)式和網(wǎng)聯(lián)式布網(wǎng),多余觀測(cè)量達(dá)到50%以上,具有足夠的可靠性。水準(zhǔn)測(cè)量采用Ni002自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀和因瓦標(biāo)尺進(jìn)行觀測(cè),按《工程測(cè)量規(guī)范》變形測(cè)量三等垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)的技術(shù)要求,沿所布設(shè)的水準(zhǔn)路線往返觀測(cè)。其主要精度指標(biāo)為:相鄰基準(zhǔn)點(diǎn)高差中誤差為1.0mm;每站高差中誤差為0.3mm;水準(zhǔn)環(huán)線閉合差為0.6n√(n0.6n(n為測(cè)段的測(cè)站數(shù)),具體施測(cè)時(shí)是按上述《規(guī)范》二等水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求進(jìn)行的。在GPS測(cè)量中,為了消除或削弱各種誤差,必須采取一些特殊的措施,這樣才能有效地提高GPS測(cè)量的精度,確保達(dá)到滑坡監(jiān)測(cè)所要求的點(diǎn)位中誤差±3.0mm的精度標(biāo)準(zhǔn)。這些方法和措施是:(1)布設(shè)滑坡監(jiān)測(cè)網(wǎng)時(shí),將基線長(zhǎng)度限制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi),如2km以內(nèi)。主要消除或削弱衛(wèi)星星歷誤差、大氣折射誤差和衛(wèi)星分布不對(duì)稱等相關(guān)性較強(qiáng)的誤差。(2)合理地設(shè)置每一個(gè)變形點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)的高度,使每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)天線(觀測(cè)墩)的高度均大于1.2m,使用設(shè)計(jì)良好的帶有扼流圈或抑徑板的天線,防止從坡面反射的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)天線,以削弱多路徑誤差的影響,消除天線相位中心偏移誤差,改善衛(wèi)星圖形的幾何結(jié)構(gòu),提高定位精度。(3)在進(jìn)行各期變形監(jiān)測(cè)時(shí),把同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)放在一天中的同一時(shí)間段內(nèi)觀測(cè),在兩次監(jiān)測(cè)期間,相同的多路徑誤差的影響將在兩期監(jiān)測(cè)坐標(biāo)的求差中被消除;對(duì)于殘余的多路徑誤差,在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí),進(jìn)行分離或探測(cè)。(4)解算出基線向量后再將網(wǎng)中所有測(cè)站的單點(diǎn)定位結(jié)果通過(guò)基線向量傳遞到同一點(diǎn)上取中數(shù)后作為全網(wǎng)的起算坐標(biāo),然后再通過(guò)基線向量求出各站較為準(zhǔn)確的測(cè)站坐標(biāo)重新解算基線向量,以消除或削弱基線起算點(diǎn)的坐標(biāo)誤差的影響。以2000年11月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例,表1列出了自由網(wǎng)平差后坐標(biāo)的中誤差分布情況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從上表的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,所有的空間直角坐標(biāo)分量的中誤差均小于2mm,其中有71.5%的中誤差小于1.0mm。這表示GPS基線向量網(wǎng)的內(nèi)符合精度非常好,沒(méi)有系統(tǒng)誤差和粗差,也沒(méi)有明顯的多路徑誤差的影響。因此,測(cè)量結(jié)果完全可以作為滑坡監(jiān)測(cè)的基本觀測(cè)數(shù)據(jù)。3gps跟蹤技術(shù)用于監(jiān)測(cè)滑動(dòng)框架的垂直變形數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析3.1虛擬數(shù)據(jù)處理滑坡監(jiān)測(cè)網(wǎng)中GPS高程測(cè)量數(shù)據(jù)處理包括:基線向量解算、GPS網(wǎng)的三維平差及GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)變換。滑坡監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基線向量采用了短邊GPS測(cè)量中精度最為穩(wěn)定的雙差固定解,雙差觀測(cè)方程的數(shù)學(xué)模型為Δφpq12(t)=fc[Dq2(t)?Dq1(t)?Dp2(t)+Dp1(t)]+Npq12(t0)(11)Δφ12pq(t)=fc[D2q(t)-D1q(t)-D2p(t)+D1p(t)]+Ν12pq(t0)(11)式中:等號(hào)左邊的Δφpq1212pq(t)為測(cè)站1和測(cè)站2在t時(shí)刻跟蹤衛(wèi)星p、q所得的雙差虛擬觀測(cè)量;等號(hào)右邊括號(hào)內(nèi)各項(xiàng)為測(cè)站到相應(yīng)衛(wèi)星的站星幾何距離,f為GPS信號(hào)的頻率,c為光速,其中隱含的衛(wèi)星星歷誤差在兩次求差后已大大削弱,殘存的星歷誤差不到原來(lái)的1/1000;等號(hào)右邊最后一項(xiàng)ΔNpq1212pq(t0)為整周未知數(shù)之差,需要與方程中隱含的測(cè)站坐標(biāo)一起解算;而方程中隱含的電離層折射和對(duì)流層折射的等效距離誤差已被大大削弱,在邊長(zhǎng)被限制在600m以內(nèi)的滑坡監(jiān)測(cè)中已完全可以忽略不計(jì);方程中隱含的接收機(jī)鐘差和衛(wèi)星鐘差已被完全消除。通常在測(cè)站上至少能觀測(cè)到5顆衛(wèi)星,觀測(cè)時(shí)間均在120min以上,由于觀測(cè)數(shù)據(jù)量大,可以消除許多誤差,并能保證基線解算的精度?；卤O(jiān)測(cè)網(wǎng)的三維平差直接在三維地心空間直角坐標(biāo)系(WGS-84坐標(biāo)系)中進(jìn)行。三維網(wǎng)平差的目的是消除同步環(huán)和異步環(huán)閉合差,檢查GPS網(wǎng)的內(nèi)部精度。通過(guò)三維平差,還可檢驗(yàn)并剔除含有粗差的基線向量,提高GPS網(wǎng)的平差精度。由于監(jiān)測(cè)工作有周期性,而且在監(jiān)測(cè)過(guò)程中只關(guān)心的是監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)的坐標(biāo)變化量,因此,只要基準(zhǔn)點(diǎn)是穩(wěn)定的,還可以通過(guò)平移變換來(lái)消除各期GPS網(wǎng)的起始點(diǎn)位置不準(zhǔn)確所帶來(lái)的誤差。3.2gps和精密干實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較通過(guò)對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)網(wǎng)中GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)處理,得到了某滑坡GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)3期的大地高。2000年11月、2001年8月和2001年12月3期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中大地高H的平均中誤差分別為1.17mm、2.0mm、1.67mm,均在1～2mm之間,說(shuō)明GPS監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。要達(dá)到這樣高的觀測(cè)精度,必須在布網(wǎng)、施測(cè)和數(shù)據(jù)處理時(shí)采用如前所述的一些消除或削弱各種誤差的特殊措施,這樣能有效地提高GPS測(cè)量的精度。為了進(jìn)一步研究滑坡監(jiān)測(cè)中GPS高程的精度,可以將GPS和精密水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)所得到的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量(垂直位移量)進(jìn)行比較,以分析GPS高程測(cè)量的精度及GPS和水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)結(jié)果的一致性。將GPS測(cè)得的大地高在WGS-84坐標(biāo)系中經(jīng)過(guò)三維平差和基準(zhǔn)變換后,得到GPS所測(cè)得的滑坡體的垂直位移量。并將GPS和精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)所得的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量列于表2。該表匯總了2000年11月～2001年8月與2000年11月～2001年12月兩個(gè)監(jiān)測(cè)周期的地面沉降量。(2)在2000年11月～2001年12月第二監(jiān)測(cè)周期內(nèi),比較GPS和精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果,6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中沉降量相差小于3mm的有5個(gè)點(diǎn),大于3mm小于6mm的有1個(gè)點(diǎn)。其中04號(hào)點(diǎn)兩者相差+5.3mm。從兩個(gè)監(jiān)測(cè)周期綜合分析,04號(hào)點(diǎn)沉降量相差過(guò)大,反映出觀測(cè)數(shù)據(jù)中可能存在粗差或有其他誤差干擾。從6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均沉降量及其差值情況看,第一監(jiān)測(cè)周期內(nèi)GPS和精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果平均相差-1.3mm;第二監(jiān)測(cè)周期內(nèi)GPS和精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果平均相差+2.15mm。統(tǒng)計(jì)結(jié)果說(shuō)明,GPS和精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)所得的沉降量,平均相差不大于3mm。因此,通過(guò)對(duì)GPS高程測(cè)量的數(shù)據(jù)處理及GPS和二等精密水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析,可以得到如下結(jié)論:采用一些特殊的消除或削弱GPS測(cè)量誤差的方法和措施,滑坡監(jiān)測(cè)中GPS所測(cè)得的大地高的精度可限制在2mm以內(nèi);GPS和精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)所得的沉降量的平均值相差在3mm左右,兩者反映的垂直形變量基本是一致的。4gps定位技術(shù)監(jiān)測(cè)滑坡體的垂直變形GPS以其高精度、高效率、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)對(duì)常規(guī)測(cè)量技術(shù)產(chǎn)生了巨大沖擊,對(duì)常規(guī)的幾何水準(zhǔn)測(cè)量也不例外。用GPS測(cè)得的大地高及其精度完全可以反映地面點(diǎn)的垂直形變,而且具有許多常規(guī)測(cè)量所不及的優(yōu)點(diǎn)。在研究了幾種常用的高程系統(tǒng)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上,將GPS定位技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)滑坡體的垂直運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)GPS高程測(cè)量的數(shù)據(jù)處理及GPS和二等精密水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析,GPS和精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)所得的滑坡體垂直形變量的平均值相差在3mm以內(nèi),兩者反映的垂直形變量基本是一致的,這種量級(jí)的差異不會(huì)影響對(duì)垂直形變量在3mm以上的滑坡體的監(jiān)測(cè)成果的解釋,GPS定位技術(shù)完全可用于這類滑坡體的垂直形變監(jiān)測(cè),