gps大地高在滑坡监测中的应用

gps大地高在滑坡监测中的应用

在传统的土地变形测量中，通常使用水平测量法测量高度变化，并使用三角形网络、导线法和视线法以及经纬仪测量平面位置的变化。实践证明,传统的大地形变测量工作的精度、工作效率严重地受到地形条件的限制,而且监测范围较小,提供的仅仅是变形体上离散点的变形状态。随着精密电子测量仪器的出现,特别是全站仪和GPS的出现,为提高测量精度和工作效率创造了优越的条件。GPS作为现代大地测量的一种技术手段,可以实现三维大地测量,进行连续监测及实现测量过程的自动化,作业简单方便,具有高精度、高效率、自动化程度高和劳动强度低等优点。目前,已在滑坡、地面沉降、地震、地裂缝等地质灾害监测方面得到广泛应用。笔者在研究了几种常用的高程系统及其相互关系的基础上,提出将GPS定位技术应用于监测滑坡体的垂直运动,并研究了GPS所测得的大地高在滑坡监测中的精度及实际应用的效果,得出了一些有益的结论。1gps测量方法在滑坡监测中,GPS定位技术已经得到了较为广泛的应用,但主要是用于监测滑坡体的水平运动。而对于滑坡体的垂直运动,一般仍沿用传统的精密水准测量方法进行。因为GPS测量是在WGS-84地心坐标系中进行的,所提供的高程为相对于WGS-84椭球的大地高HGPS,它是一个几何量,没有物理上的意义,除了个别特殊用途外,要把GPS大地高转换为我国使用的正常高Hnormal或在实际工程中应用的正高Horthometric,即海拔高。GPS测量在平面位置上的精度已经达到了10-8～10-9,但在滑坡监测中是否能使用GPS所测得的大地高来反映滑坡体微量的垂直运动呢?如果能用,精度又如何呢?可以从几种常用的高程系统及其关系展开分析。1.1一些常见的高系统及其关系1.1.1点上的蛋糕高是以参考椭球面为基准面的高程系统,地面某点的大地高H定义为由地面点沿通过该点的椭球法线到椭球面的距离,称为以该椭球面为基准面的大地高H,如图1中所示地面点P的大地高为PP′。GPS定位测量获得的是WGS-84椭球大地坐标系上的成果,也就是说GPS测量求得是点相对于WGS-84椭球的大地高H。由大地高的定义可知,它是一个几何量,不具有物理意义,对于不同椭球所定义的大地坐标系,也构成不同的大地高系统。1.1.2正高的计算式是以大地水准面为基准面的高程系统,地面某点的正高Hg定义为由地面点沿铅垂线至大地水准面的距离。大地水准面是一族重力等位面(水准面)中的一个,由于水准面之间的不平行,所以过一点并与水准面相垂直的铅垂线,实际上是一条曲线,正高的计算式为Hg=1gm∫HggdH(1)Ηg=1gm∫ΗggdΗ(1)式中:gm为由地面点沿铅垂线至大地水准面的平均重力加速度,g为各测站相应的重力值,dH为水准测量各测站的观测高差。由于gm无法直接测定,所以严格说来,正高是不能精确确定的。因为正高是以大地水准面为基准面的高程系统,因而具有明确的物理意义。大地水准面至椭球面的距离P′P″(见图1)为大地水准面差距(N)N=H−Hg(2)Ν=Η-Ηg(2)1.1.3平均正常重力由于正高实际上无法精确求定,为了实用上方便,人们建立了正常高系统,其定义为Hr=1rm∫HrgdH(3)Ηr=1rm∫ΗrgdΗ(3)式中:rm为由地面点垂线至似大地水准面之间的平均正常重力值。可见正常高是以似大地水准面为基准面的高程系统,是可以精密确定的,同样具有明显的物理意义,因而在各项工程技术方面有着非常广泛的应用。任意一点的大地水准面与似大地水准面之间的差值,由(1)与(3)式可得Hr−Hg=gm−rmgmHr(4)Ηr-Ηg=gm-rmgmΗr(4)式中:(gm-rm)为重力异常,在高山和海底重力异常相差较大,可达数米,在平原地区仅为数厘米,而在海平面上两者重合。似大地水准面与椭球面之间的差距称为高程异常ζ(见图1中的P′Pue087)ζ=H−Hr(5)ζ=Η-Ηr(5)1.1.4正高与uh的关系大地高与正常高之间的关系H=Hr+ζ(6)Η=Ηr+ζ(6)大地高=正常高+高程异常(见图1)。大地高与正高之间的关系H=Hg+N(7)Η=Ηg+Ν(7)大地高=正高+大地水准面差距(见图1)。可见,由GPS可测定地面点的大地高,如能求出此点的高程异常ζ或大地水准面差距N,即可求出此地面点的正高或正常高。1.2同一部分上的期国土高之差滑坡体上某一监测点的垂直形变量d定义为此点上的两期正常高之差所以滑坡体的垂直形变量d也可表示为同一点上的两期大地高之差d=H2−H1(10)d=Η2-Η1(10)因此,某一监测点相对于某个监测周期的地面垂直运动量,同样可表示为两期监测结果所获得的大地高之差。这说明GPS定位技术用于监测滑坡体的垂直运动在理论和实践上都是可行的。2观测时间、方法和措施根据滑坡监测的精度和技术要求,在某滑坡区域选定了监测的基准点和变形监测点,并且布设了滑坡变形监测的GPS网。此后,使用了四台大地型的AshtechZ-12GPS接收机(带扼流圈天线)和一台高精度的Ni002型自动安平水准仪,分别于2000年11月、2001年8月、2001年12月进行了3期GPS测量和水准测量联合监测滑坡体垂直运动的实验。GPS测量的技术方案为:观测卫星高度角≥15°;数据采样间隔15″;有效观测卫星数≥4;观测时段数目≥2;PDOP值≤5;每时段观测时间基准网-180min;监测网-120min。由于边长较短(不超过600m),采用双差模型可以有效地消除或削弱卫星星历误差、电离层和对流层折射等误差;120min以上的观测时间可保证有充足的观测量来消除或削弱相关性较强的误差,可达到滑坡监测所要求的点位中误差±3.0mm的精度标准。GPS网用4台仪器同步观测,采用边联式和网联式布网,多余观测量达到50%以上,具有足够的可靠性。水准测量采用Ni002自动安平水准仪和因瓦标尺进行观测,按《工程测量规范》变形测量三等垂直位移监测网的技术要求,沿所布设的水准路线往返观测。其主要精度指标为:相邻基准点高差中误差为1.0mm;每站高差中误差为0.3mm;水准环线闭合差为0.6n√(n0.6n(n为测段的测站数),具体施测时是按上述《规范》二等水准测量的技术要求进行的。在GPS测量中,为了消除或削弱各种误差,必须采取一些特殊的措施,这样才能有效地提高GPS测量的精度,确保达到滑坡监测所要求的点位中误差±3.0mm的精度标准。这些方法和措施是:(1)布设滑坡监测网时,将基线长度限制在适当的范围内,如2km以内。主要消除或削弱卫星星历误差、大气折射误差和卫星分布不对称等相关性较强的误差。(2)合理地设置每一个变形点和基准点的高度,使每个观测点天线(观测墩)的高度均大于1.2m,使用设计良好的带有扼流圈或抑径板的天线,防止从坡面反射的卫星信号进入接收机天线,以削弱多路径误差的影响,消除天线相位中心偏移误差,改善卫星图形的几何结构,提高定位精度。(3)在进行各期变形监测时,把同一监测点放在一天中的同一时间段内观测,在两次监测期间,相同的多路径误差的影响将在两期监测坐标的求差中被消除;对于残余的多路径误差,在监测数据处理时,进行分离或探测。(4)解算出基线向量后再将网中所有测站的单点定位结果通过基线向量传递到同一点上取中数后作为全网的起算坐标,然后再通过基线向量求出各站较为准确的测站坐标重新解算基线向量,以消除或削弱基线起算点的坐标误差的影响。以2000年11月的监测数据为例,表1列出了自由网平差后坐标的中误差分布情况的统计结果。从上表的统计结果可以看出,所有的空间直角坐标分量的中误差均小于2mm,其中有71.5%的中误差小于1.0mm。这表示GPS基线向量网的内符合精度非常好,没有系统误差和粗差,也没有明显的多路径误差的影响。因此,测量结果完全可以作为滑坡监测的基本观测数据。3gps跟踪技术用于监测滑动框架的垂直变形数据处理和结果分析3.1虚拟数据处理滑坡监测网中GPS高程测量数据处理包括:基线向量解算、GPS网的三维平差及GPS网的基准变换。滑坡监测网的基线向量采用了短边GPS测量中精度最为稳定的双差固定解,双差观测方程的数学模型为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:等号左边的Δφpq1212pq(t)为测站1和测站2在t时刻跟踪卫星p、q所得的双差虚拟观测量;等号右边括号内各项为测站到相应卫星的站星几何距离,f为GPS信号的频率,c为光速,其中隐含的卫星星历误差在两次求差后已大大削弱,残存的星历误差不到原来的1/1000;等号右边最后一项ΔNpq1212pq(t0)为整周未知数之差,需要与方程中隐含的测站坐标一起解算;而方程中隐含的电离层折射和对流层折射的等效距离误差已被大大削弱,在边长被限制在600m以内的滑坡监测中已完全可以忽略不计;方程中隐含的接收机钟差和卫星钟差已被完全消除。通常在测站上至少能观测到5颗卫星,观测时间均在120min以上,由于观测数据量大,可以消除许多误差,并能保证基线解算的精度。滑坡监测网的三维平差直接在三维地心空间直角坐标系(WGS-84坐标系)中进行。三维网平差的目的是消除同步环和异步环闭合差,检查GPS网的内部精度。通过三维平差,还可检验并剔除含有粗差的基线向量,提高GPS网的平差精度。由于监测工作有周期性,而且在监测过程中只关心的是监测点坐标相对于基准点坐标的坐标变化量,因此,只要基准点是稳定的,还可以通过平移变换来消除各期GPS网的起始点位置不准确所带来的误差。3.2gps和精密干实验结果比较通过对滑坡监测网中GPS测量的数据处理,得到了某滑坡GPS监测网3期的大地高。2000年11月、2001年8月和2001年12月3期监测数据中大地高H的平均中误差分别为1.17mm、2.0mm、1.67mm,均在1～2mm之间,说明GPS监测的数据质量较高。要达到这样高的观测精度,必须在布网、施测和数据处理时采用如前所述的一些消除或削弱各种误差的特殊措施,这样能有效地提高GPS测量的精度。为了进一步研究滑坡监测中GPS高程的精度,可以将GPS和精密水准测量监测所得到的各监测点的沉降量(垂直位移量)进行比较,以分析GPS高程测量的精度及GPS和水准测量监测结果的一致性。将GPS测得的大地高在WGS-84坐标系中经过三维平差和基准变换后,得到GPS所测得的滑坡体的垂直位移量。并将GPS和精密水准监测所得的各监测点的沉降量列于表2。该表汇总了2000年11月～2001年8月与2000年11月～2001年12月两个监测周期的地面沉降量。(2)在2000年11月～2001年12月第二监测周期内,比较GPS和精密水准监测结果,6个监测点中沉降量相差小于3mm的有5个点,大于3mm小于6mm的有1个点。其中04号点两者相差+5.3mm。从两个监测周期综合分析,04号点沉降量相差过大,反映出观测数据中可能存在粗差或有其他误差干扰。从6个监测点的平均沉降量及其差值情况看,第一监测周期内GPS和精密水准监测结果平均相差-1.3mm;第二监测周期内GPS和精密水准监测结果平均相差+2.15mm。统计结果说明,GPS和精密水准监测所得的沉降量,平均相差不大于3mm。因此,通过对GPS高程测量的数据处理及GPS和二等精密水准测量监测结果的对比分析,可以得到如下结论:采用一些特殊的消除或削弱GPS测量误差的方法和措施,滑坡监测中GPS所测得的大地高的精度可限制在2mm以内;GPS和精密水准监测所得的沉降量的平均值相差在3mm左右,两者反映的垂直形变量基本是一致的。4gps定位技术监测滑坡体的垂直变形GPS以其高精度、高效率、实时性强等诸多优势对常规测量技术产生了巨大冲击,对常规的几何水准测量也不例外。用GPS测得的大地高及其精度完全可以反映地面点的垂直形变,而且具有许多常规测量所不及的优点。在研究了几种常用的高程系统及其相互关系的基础上,将GPS定位技术应用于监测滑坡体的垂直运动。通过对GPS高程测量的数据处理及GPS和二等精密水准测量监测结果的对比分析,GPS和精密水准监测所得的滑坡体垂直形变量的平均值相差在3mm以内,两者反映的垂直形变量基本是一致的,这种量级的差异不会影响对垂直形变量在3mm以上的滑坡体的监测成果的解释,GPS定位技术完全可用于这类滑坡体的垂直形变监测,