北鬥高精度定位（wèi）技術在邊坡（pō）變形監測中的應用（yòng）

北（běi）鬥高精度定位（wèi）技術在邊坡變（biàn）形（xíng）監測中的應用

更新時間：2021-04-10 17:51

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近年來，國家經濟得到了飛（fēi）速（sù）的發（fā）展，更加關注西部貧困地區的（de）經濟發展問題，對（duì）於西部地區的交通基礎設施建（jiàn）設的投（tóu）資（zī）也越來越多。西部山區地麵起伏較大，修建高速公路難度較大，成本較高，同時會產生（shēng）大量的挖方和棄方邊坡。公路邊坡是在人（rén）為作用下形成的，通（tōng）常（cháng）情況（kuàng）下是交通基礎設施中最為脆弱的部分，因此，保（bǎo）障交通基礎設施安全高效運行的有效途徑之一就是對邊坡的變形進行監測。

傳統的邊坡監測方法主（zhǔ）要是利用（yòng）全站儀等儀（yí）器進行監測（cè），其受到地形的影響較大，需要長期人工測量，且易造成人工（gōng）測量誤差等（děng）。而利用北鬥技術對邊坡進行監測，具有選點靈活、受地形等條件限（xiàn）製較少（shǎo）、自動化程度高、能夠實時動（dòng）態監測等優點。

本文以（yǐ）貴州（zhōu）都勻高速某高邊坡變形（xíng）監測（cè）為工程背景（jǐng），應用（yòng）北鬥高（gāo）精度GNSS監測儀，將北鬥技術與邊（biān）坡變形的實時監測與預警（jǐng）相結合，提高（gāo）了對於邊坡變形監測的效率（lǜ），同時結合北鬥雲監測係統，實現了從數據采集到結（jié）果顯示的全過程自動（dòng）化。

1 基於北鬥技術的邊坡（pō）變形監測係統

北鬥（dòu）雲監測係統是基於北（běi）鬥（dòu）衛星（xīng）導航係統，利用北鬥高（gāo）精度GNSS監測儀對邊坡的位移變形（xíng）量進行監測，並通過傳（chuán）輸（shū）模塊將監測數據實時回傳到監測（cè）雲平台，對監測數據（jù）進行處理分析，同時（shí）生成監測報告。該（gāi）係統主要（yào）包括數據采集、數據（jù）傳輸、數據分析和結（jié）果顯示四（sì）個部分，能夠實現從數據采集到數據分析再到監測結果顯示的全過程自動化。1.1 北鬥衛星導航係統簡介

北鬥衛星導航係統( BDS)是我國自行研（yán）製（zhì）的、具有完全（quán）知識（shí）產權的全球衛星導航係統。

2012年12月27日起，我國的北鬥衛星導航業務正式（shì）開始對亞太地區提供無源定位、導航和授時服務。2018年12月27日，我國北鬥三號（hào）導航基本係統已經完（wán）全建成，開始向全球提供導航服務。1.2北鬥高精（jīng）度GNSS監測儀

監測設備（bèi）主要為北鬥GNSS監（jiān）測儀，儀器主要由 GNSS定位天線、太陽能電池板（bǎn）、主（zhǔ）機箱三部分組成。整個GNSS監測儀布置在現場澆築的水（shuǐ）泥墩上，水（shuǐ）泥墩埋入地下60 cm，露出（chū）地麵20 cm，可（kě）以（yǐ）防止因設備安裝不穩導致的測量誤差，同時可以減小下雨時雨水匯集對設備的損害。設備安裝最頂端為GNSS定位天線，用來接收北鬥定位信號。往下是太陽能電池板，太陽（yáng）能電池板（bǎn）下麵為主機箱，裏麵包括蓄電池、北鬥（dòu）定位模塊、數據（jù）傳輸模塊和數據天線等。數據傳（chuán）輸模（mó）塊內置一（yī）張（zhāng）4GSIM卡，通過與（yǔ）數據天線的協同作用（yòng），對監測（cè）數據進行無線傳輸。

北鬥GNSS監測儀開始工作時，先通過定位模塊獲取定位數據，然後定位數據通過數據模塊和數據天線利用4G無線網（wǎng）絡傳輸到監測雲平台。

1.3 監測雲平（píng）台

北（běi）鬥（dòu）GNSS監測儀將監測（cè）數據傳（chuán）輸至數據（jù）匯總站，然後通過4G網絡傳輸方式將數據上傳至監（jiān）測雲平台進行（háng）數據儲存。

監測雲平台接收數據，根據預設的預警模型對 GNSS數據進（jìn）行處理與（yǔ）分析，並對（duì）位移（yí）量超（chāo）過限定值的監測結果進行三級（jí）預警，同時編製監測報告（gào），發布預警（jǐng）信息。用戶及相關人員可以經過（guò）網絡授權，通過PC客戶端或手機APP看到（dào）各（gè）監（jiān）測點（diǎn）在（zài）選擇的監測周期內（nèi）的監測數據、變化曲線和（hé）監測報告。同時工程技術人員可以根據現場查勘對監測報告進行修正，避免係統誤報的情（qíng）況發生。

2 北鬥技術在變（biàn）形監測中的優勢

隨著（zhe）第三代北鬥導航（háng）係統建（jiàn）設的推進，北鬥定（dìng）位（wèi）的（de）精度不斷提高，目前北鬥高精度定位技術也逐漸被應用於各種工程領（lǐng）域。肖玉鋼等（děng）通過優化識別算法分析實測數據，得到了毫米級定位精度，驗證了（le）利用北鬥技術應用於變形監測的可行性。和（hé）永軍等（děng）將北鬥高精度位移監測技術應用於（yú）橋梁健康監測中，實現了橋梁變（biàn）形的全天候、自動化的監測。吳煥琅等將北鬥高精度定（dìng）位技術（shù）應用於大壩形變監測，通過對定位數據進行誤差修正，達到了毫（háo）米級的精度，實現了北鬥（dòu）大壩形變監測。研究表明（míng）北鬥定（dìng）位技術用於緩慢變形監測的研究已足夠成熟，完全可以用於邊坡工程的（de）變形監測。

相對於傳統的變形監測技術，利用北鬥高精度變形監測技術對邊坡（pō）變形監測具有（yǒu）以下優勢：

(1)自動化程度高

與全站儀等傳統的測量工（gōng）具相比，利用北鬥進行監測可實現自動監測、自動記錄。監測過程不需要人工操作，能夠實現一次布置，多年隨時（shí）隨地獲取測（cè）量數據。

(2)監測效率高

傳統的監測方法監測效率低，獲取數據少，而利用北鬥進行邊坡位移監測可實現數分鍾內得到（dào）一（yī）組精確定位數據，能夠實時監測邊坡的變形。

(3)可（kě）全天候穩定工作

北鬥定位所使用（yòng）的GNSS監測儀不易受到溫度、濕度、天氣和晝夜（yè）變化的影響，不需要經常（cháng）維護，基本（běn）可以達到一次安裝、多年使用的要求（qiú）。與傳統的測量手段（duàn）相比，利用北鬥技術監測邊坡變形可以實現全天候全自動的穩定工作。

(4)對地形要求低

北鬥定位設備不要求通視條件，受地形、植被（bèi）影響較（jiào）小，且體積小、額定功率低，可使用太陽能電池供電，不需要較大的空曠區域，設備的安裝和拆除（chú）也很方便。

(5)符合國家發展（zhǎn）戰略

過去我國定位和導航產業長期依賴於美（měi）國的GPS定位係統，對於國家的安全和可持續發展產生（shēng）了巨大的威脅。而如今，我國自主研發了自己的北鬥衛星導（dǎo）航係統，同時國家大力推（tuī）廣北鬥衛星導航係統在民用工程中的應用。因此，將北鬥（dòu）衛星導航（háng）技術應用於邊坡安全的在線監測工程，符合國家北鬥衛（wèi）星導航的發展戰略。

3 邊坡變形監測係統的誤差分析

3.1 北鬥衛星導航係統定位誤差（chà）

北鬥衛星導航係統的誤差主（zhǔ）要來源於北鬥衛星導航（háng）係（xì）統的定位誤差。根據是否有參照位置，北鬥衛星導航係統的定位方法可（kě）以分為絕（jué）對定位（wèi）和相對定位。

絕對定位又稱（chēng）為（wéi）單點定位（wèi），定位精（jīng）度相（xiàng）對較低，水平和豎直方向（xiàng）誤差小於10 m，可用於衛星導航中，但不能滿足邊坡變形監（jiān）測對精度的要求。相對定位主要（yào）是指利用兩台（tái）或多台北鬥監測儀同時進行定位。其中，放置在被監測地點（diǎn）的北鬥監（jiān）測儀被稱（chēng）為監測站，而另一台起（qǐ）到基準參照點作用的北鬥監測儀被（bèi）稱為基準站。這樣可（kě）以有效的（de）降低北鬥衛星導航係統的定位誤差，提高監測精度。同時可以通過（guò）延長（zhǎng）相對定位（wèi）的時間，實（shí）現監測係統的毫米（mǐ）級定位。

3.2 北鬥監（jiān）測係統精度試驗（yàn）

3.2.1試驗（yàn）目的

本次試驗主要測試邊（biān）坡變形監測係統的精度，確定北（běi）鬥相對定位的精度和定位時長的關係，以滿足高邊坡變形（xíng）監測的精度要（yào）求。由（yóu）於（yú）北鬥GNSS監測（cè）儀的水（shuǐ）平（píng）方向精度大於豎直（zhí）方（fāng）向精度，在（zài）邊坡變形監測中，水平方向的監測（cè）數據更為可靠。因此本次試驗隻測試北鬥監測係統在水平（píng）方向上的精度。

3.2.2試驗環境

利用北鬥相對定位進行精確測量時（shí），應確保周圍無山體、樹木（mù）等遮擋，同（tóng）時要確定至少可以搜索到4顆及其以上的北鬥衛星。因此本次試驗將監測站設置在長安大學水力實（shí）驗室的（de）樓頂，將基準站設置在附近500 m外的空曠（kuàng）草地上，兩點附近均無遮擋，可以通視。

3.2.3試（shì）驗方案

本次試驗通過移（yí）動監測站，利用（yòng）直尺和北鬥相對定位（wèi）的方法，同時測量水平方向上的位移，由於試驗每次挪動監測站的距（jù）離（lí）較（jiào）短（duǎn）且試（shì）驗周期相對較短，可認為直尺測量位移為實際位移，通過（guò）對（duì）比兩者之間的差值，分析北鬥（dòu）相對定位（wèi）在（zài）水平方向上的精度。

試驗裝置由直尺、北（běi）鬥定位設備、滑塊組成。在遠處放置另一台北鬥定位設備作為基準站（zhàn），由（yóu）北鬥（dòu）定位設備和（hé）滑塊組成監測站。對於監測站，試驗時，滑動滑塊至目標位置，以直尺測量（liàng）的滑動距離為標準，通過北鬥相對定位的位置變化與（yǔ）直尺測量的位置變化進行對比，分析出北鬥相對定（dìng）位（wèi）水平方向上的精度。

具體的試驗步驟如下：

(1)將北鬥定（dìng）位天（tiān）線固定在滑塊上，將滑塊放置在水平麵上，在其旁邊放置一把直尺；

(2)記錄北鬥（dòu）定位天線對應直尺的（de）刻度，同時使用（yòng）北鬥（dòu）相（xiàng）對定位時間T₁，得到一次定（dìng）位結（jié）果；

(3)調整定位時長Ti，得到不（bú）同時刻的定位結果完成一組試驗，分析不同定位（wèi）時長的北鬥相對定位（wèi）精度（dù）；

(4)緩（huǎn）慢挪動（dòng）滑塊，使滑塊水平（píng）挪（nuó）動（dòng）10 mm（相對於直尺）；

(5)重複步驟(2)～(4)共20次，完成試驗，得（dé）出不同北鬥點對定位時（shí）長T對應的定位精度。

3.2.4試驗結果

定位時長T分別選為1min、1h、6h和24 h四個時間（jiān）長度，並以水平直尺的刻度變化為橫坐標、以北（běi）鬥測量（liàng）的水平位移量為縱（zòng）坐標（biāo）作圖。

可以明顯看出定位時長越長（zhǎng），監測係統的精度越高，更接近於理想測量線。當定位時長為1 min時，變形監測的（de）最（zuì）大誤差（chà）為18. 267 mm；定位時長為1h時，變形監測的最大誤差為7. 692 mm；定位時長為6 h時，變形監測的最大誤差為3. 497 mm；定位時長為24 h時，變形監測的（de）最大誤差為2. 071 mm。由於工程中實際使（shǐ）用的北鬥（dòu）監測儀使（shǐ）用太陽能供電，具（jù）備可（kě）全天候穩定工作的能力，因此，選擇定位時長為24h，最大（dà）限度的提升其監測精度。

4 實際應用

4.1工程簡（jiǎn）介

本次監測工程為都安高速20標段某路（lù）塹（qiàn）邊坡，中線挖方高度2. 56 m，左側最大挖方高度82.2m。該高邊坡區（qū）所處於剝蝕丘陵硬質岩區，山體較（jiào）陡，自然狀態下山體穩定。既有高速公路邊（biān）坡（pō）開挖坡度為1：0. 75，坡腳取53^。，頂部平緩（huǎn），坡向約8^。，線路中心最大（dà）挖方深度82.2m。最下一（yī）級邊坡（pō）設置抗滑樁擋牆，上幾級邊（biān）坡采用錨杆框架梁（liáng）防護，頂部設置截水溝。坡麵植被稀疏，主要低矮灌木，大麵積基岩出露。深挖路塹內未發現斷層構造，岩層主要為中風化灰岩，岩層產狀為（wéi）112^。∠49^。，主要發育三組節理，分別為J₁：10^。∠78^。、 J₂：99^。∠58^。和J₃：339^。∠55^。區內的新構造運動（dòng）以斷裂的繼承性和斷塊的差異性活動為基本特征。第四係以來（lái），區域內沒有較大（dà）破壞性影響的構造運動。邊坡體主要（yào）由（yóu）中風化灰岩、泥質灰岩、燧石灰岩、頁岩構（gòu）成，節理裂隙（xì）較（jiào）發育（yù），可能形成不穩定楔形岩體，對邊（biān）坡穩定不利（lì），利用赤（chì）平投影法對邊坡穩定性進行分析。

可判斷出邊坡整體（tǐ）穩定性較好。根據《公路路（lù）基設（shè）計規範》( JGJD30-2015)對（duì）高邊（biān）坡監測的要求，采用北（běi）鬥技術對該邊坡（pō）實施動態監測。

4.2監測點布設

由於該公路路塹邊坡目前處於基本穩定狀態，對其實時動態（tài）監測，主（zhǔ）要是監測其位移量變化，判斷其穩定狀態。該邊坡坡底及坡麵已進（jìn）行了工程加固，變形量較小，不能準確地反映邊坡整體（tǐ）的狀態，而坡頂受到累計位移的影響，整體變（biàn）形量會較大，因此，將3個 GNSS監測（cè）儀均布設在邊坡的坡頂位置，分別位於 K127 +520，K127 +620和K127 +700位置處，並將其分別命名為北（běi）鬥（dòu）1#、2#和3#。同時在公路右側（cè）山頂上布設1個GNSS監測儀作（zuò）為基準站和數據匯總站。

4.3監測結果分析

自2018年8月中旬上（shàng）線以來，監測係統一直處於穩（wěn）定工作（zuò）狀態。係統設置每（měi）天監測時長（zhǎng）24 h，即監測儀不間斷工作，每天回傳一組數（shù）據,監測開始到2019年7月初各點（diǎn）的監測結（jié）果。

邊坡監測點的（de）累計位移量，水平位移和豎直位（wèi）移的曲線均處於波動狀態（tài），由於北鬥監測的豎直方向的精度較低，因此在（zài）分析邊坡變形時，以水平方（fāng）向的位移為主。北鬥1#監（jiān）測點的水平方向的（de）累計位移最大為8. 37 mm，豎直方向累計位移在-4.64～6.59 mm波動；北鬥2#監測點水平方向的累計位移最大為6. 36 mm，豎（shù）直方向累計位移（yí）在-5.86～10. 02 mm波動（dòng）；北鬥3#監測點水平方向的累計位移最大為5. 58 mm，豎直方向累計位移在-7.57～3.64 mm波動。

1#監（jiān）測點位的水平方向的位移量自2019年人春（chūn）以來呈現快速增長的趨勢，水平位移達到了8. 37 mm。初步認定為（wéi）由於降雨量的增加，使邊坡產（chǎn）生了較小的位移，應進一步觀察該（gāi）點（diǎn）的位（wèi）移狀況，若位移量繼續快速增（zēng）大，應結合現場（chǎng）的（de）狀況，對邊坡采取有效的防護措施，防止災害的發生。2#和（hé）3#監測點位的水平方向位移均小於6.5 mm，且沒有明（míng）顯的加快趨勢，考（kǎo）慮（lǜ）到水平方向的位移精度（dù）為2. 061 mm，認為2#和3#點位（wèi）的水平（píng）方向位移均小於9 mm，因（yīn）此可判斷2#和3#點位處於穩定狀態。綜（zōng）合3個（gè）點位的位移變化規（guī）律，可認為，該（gāi）邊坡目（mù）前處於穩定狀態，但須對1#點位加強觀測，若變形持續增大，應采取一定的防範措施。