边坡变形监测与GPS数据处理

　　摘要：边坡变形监测是变形测量中的一项重要研究内容，边坡稳定性对整个工程的施工、运行及工程处理措施都有着极其重要的影响，本文运用GPS监测系统对小湾地区2号山梁边坡进行监测及数据的处理，在原有常规监测手段的基础上，采用远程自动化安全监测系统，以保证施工过程中其它工序能顺利完成。

　　关键词：高边坡；变形监测；GPS；数据处理

　　1监测网布设要求

　　小湾地区2号山梁GPS监测网使用2到3个基准点以及若干监测点，组成变形监测控制网。同时为了达到更高的监测精度，对监测网的几个方面作了相应的要求：

　　1） 坐标框架选择：框架网采用IGS永久跟踪站的ITRF框架坐标作为基准点的起算数据，按照国家B级GPS网的精度进行观测。

　　2） 基准点选择：山区气候复杂多变，尤其是在雨季边坡滑动的高发时期，降水和空气湿度在一天当中都会随时间和垂直高度的变化有很大的不同，这样必然造成测点精度下降。因此有必要选择基准点的最佳位置，以提高整个系统的监测质量。具体方法：设可供选择基准点有3个，以数字1， 2， 3编号，通过公式（1.1），（1.2）计算每两个基准点测量同一测点坐标分量的差值

　　式中1，2，3为基站号， 为测定次数 ，Ⅰ、Ⅱ为备选方案代码。通过实验数据计算不同基准点测量同一测点的坐标分量，并代入公式（1.3）、（1.4）计算

　　通过上式计算结果比较，当差值的中误差较小时，表明与其他方案相比较该基准点的选择，与测点的大气条件相当，有助于采用双差法消除或减弱对流层的影响。

　　3） 监测点布置：首先确定监测的范围、主要滑动方向，按主滑动方向及滑动面范围确定测线，然后选取典型断面，布置测线，再按测线布置相应观测点。对于关键部位可能形成的滑动带，重点监测部位和可疑点应加强监测工作，在这些点上加密布点。

　　4）坐标系统选择：本系统采用了站心地平坐标系统。这种坐标系的坐标原点取为GPS网中某一测站，x轴指向过该点的子午线，以北为正；z轴重合于该点上的WGS-84椭球法线，向外为正；Y轴位于该点的切平面，东向为正。

　　设站心坐标系的原点P在WGS-84地心坐标系中的位置向量为 ，其相应的WGS-84椭球上的大地经纬度为 ，则任意点S在站心坐标系中的位置向量 通过其在WGS-84坐标系下的位置向量 经过平移、旋转转换得到，转换公式如下：

　　其中R为转换矩阵。其表达式为：

　　采用站心地平坐标系还可以直观的将所得到的测点三维坐标偏移量与边坡的走向联系在一起。若是对于坡向与站心地平坐标系统坐标轴不一致时，同样可以由站心地平坐标系再经过绕z轴旋转，从而可以得到坡向坐标系。其相应的坐标转换公式为：

　　其中 为坡向坐标系下的坐标， 为所对应点在站心地平坐标系下的坐标。

　　2现场监测网建立

　　根据以往利用常规测量方法得到的成果，并结合地质部门提供的内部观测资料，一期监测工程中的GPS监控网由16个点构成。其中14个监测点均匀覆盖在 10条马道上，每条马道分布有1到2个监测点。测点分如图2.1所示。目前系统中，包括2个基准点在内的16个测点只使用了4台GPS接收机和4套GPRS无线数据传输终端。控制器全天接收各个通道的GPS数据并在其中加入天线对应的测站信息实时将数据发回到控制中心。

　　3 边坡GPS变形监测系统工程实现

　　数据采集部分主要负责各监测点GPS原始数据的采集和存储。其核心部分是一机多天线控制器。控制其硬件部分包括PC-104工业控制计算机、多通道微波开关及相应的控制电路、GPS接收机OEM板及相应的处理芯片组成。软件部分实现控制多通道工作方式并可设置测点的观测时间、与GPS接收机通讯和接收数据等功能。将全天里监测点的观测数据按时间长度截取为l0min， 30min， 60min， 120min， 180min。仍以B1， B2作为基准点，利用单历元（5s为一个历元）GPS定位算法计算WGS-84坐标系坐标，其转换至坡向坐标系后的计算坐标分量中误差如表3.1所示。

　　由表看出，计算数据时间段选取越长，计算得出的监测点坐标分量中误差越小。

　　4 监测成果及分析

　　目前2#山梁远程自动化安全监测系统主要提取的是位移监测资料，应用GPS远程自动化变形监测系统观测的14个监测点，采用2个基准点作为位置基准，将采集的一天里的数据经过预处理后，计算监测点在WGS-84坐标系以及坡向坐标系下的坐标，全部变形监测点位误差如表4.1所示。

　　由点位误差表可以计算坡向坐标系下 =1.9mm， =2.4mm， =4.6 mm。监测点垂直方向位移误差基本上是水平方向位移误差的2-3倍，这是符合GPS测量的特点的。GPS垂直方向精度低于水平方向精度的原因是多方面的.其中主要有：

　　1）对于测量高程而言卫星分布总是不对称的，卫星位于地平面以上，导致某些误差难于被消除；

　　2） 对流层延迟修正不精确将主要影响高程的测定精度；

　　3） 接收机天线的相位中心在垂直方向上的变化一般要比水平方向的变化大。在变形监测系统运行阶段，由于监测点附近人车流较大，搭建的设施多，遮挡了部分卫星，造成某些点位的精度不高。

　　参考文献

　　[1] 华锡生，何秀凤.GPS技术在水电工程中的应用及展望.[J].水电自动化与大坝监测.2002

　　[2] 张华海，王爱生.GPS变形监测网的动态数据处理.[J].解放军测绘学院学报.1999

　　[3] 金国熊.GPS卫星定位的应用与数据处理.[M].同济大学出版社.1994

　　作者简介：1 陈 述（1958-），重庆交通大学土木建筑学院测绘系实验室教师。

　　2 陆世安（1986-），重庆交通大学土木建筑学院2010级研究生。