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PPK技术在地质灾害工程监测中的应用分析

来源: 安全与健康
阅读 11 | 0 | 2021-02-23 |

0 引言

矿山边坡位移、地质塌陷、山体滑坡等往往容易引发重大地质灾害风险,为此有必要进行地质灾害超前预警。为此,如何精确、快速地测量特定地质条件的位移是评估地质灾害风险的重要指标之一。作为预警指标,地质灾害工程测量监测精度一般要求较高,而传统的GPS-RTK工程放样检测方法依赖数据通信链,其工作效率较低,难以满足现有地质灾害工程监测的需求。动态GPS-PPK的出现,是GPS应用的重大里程碑,它的出现为各种控制测量、地形测图、工程放样带来了新曙光,而且解决了GPS-RTK技术在实际测量中必须依赖数据通信链这个缺点,PPK技术是属于后处理的动态测量技术,也具有很高的测量精度,也为解决地质灾害超前预警的精确测量提供了有效的技术支撑手段。

1 GPS-PPK动态测量技术的优势

1.1 RTK技术

GPS-RTK (Real Time Kinematic)[1][2][3]定位技术是基于载波相位观测量的实时动态定位技术,它对卫星的状态规定如表1所示,它由基准站和流动站组成,通过差分数据链,运动站接收基准站发送的差分GPS数据结合运动站采集的GPS数据,实时处理后,可在1秒内实时以厘米级的精度给出运动站的点位,实时处理算法为OTF (on The Fly)算法,不需在已知点上做初始化,直接在动态环境下处理,因此GPS-RTK技术使得“GPS这个超级数字化仪”在陆、海、空的应用领域不断扩大。

表1 RTK卫星的状态规定

表1 RTK卫星的状态规定

但是GPS-RTK技术在实际测量中必须依赖数据通信链,即必须要有能够实时传输基准站和流动站之间差分数据的介质,这就造成了每次外出测量每个流动站必须要多带上一个电台或者替代设备,给测量带来了极大的不便。

1.2 PPK技术

PPK(Post Processing Kinematic,GPS后处理动态法的简称)[4]也称为停停走走动态测量(Go and Stop)、半动态定位、准动态法。由于它具有精度高、投资省、速度快和易掌握等特点,非常适应于工程测量、线路测量、断面测量和地籍测量等。在国外已广泛用于开阔地区的控制测量、地形测量、航摄控制点测量、地籍测量、国土测量等领域。

PPK技术与RTK技术相对其他测量模式来说测量速度已经是一大优势,而且定位精度都可以达到厘米级,水平精度为:1cm+1ppm;垂直精度为:2cm+1ppm。试验表明[1],对于一个由5个点位组成的短边GPS网,若作停行动态测量,比按常规GPS静态定位,在要达到同等点位精度的情况下,可以节省72%的工时,能收到显著的经济效益。文献中也对PPK的精度、测程、测量速度以及成果可靠性进行了研究[3],并且建议目前拥有大量第三代单频机的我国,将接收机升级为PPK,以较大的提高作业效率,大力推广PPK法。

目前,国内主要是简单的使用PPK进行诸如航测外业控制,在地表移动观测站的应用,另外在西藏公路线路测量中也使用了PPK测量技术,因为是在高原山区作业,PPK相比较RTK而言有很大的优势。PPK与RTK联合作业的模式的提出也是时代与技术发展的需要,在实际生产组织中要灵活的将两种模式配合运用,当基准站周围有大面积遮挡GPS信号的障碍物和无线电等干扰因素、数据链电台信号衰弱时可考虑用PPK技术配合测量。

PPK在我国虽然还没有得到很好的认识,运用也不是很广,但是随着人们认识的增强,PPK技术的不断成熟,特别是将RTK技术与PPK技术配合使用,进行优化组合,取长补短,发挥各自的优势,则既可提高工作效率,又可保证成果的精度,PPK在测绘中的运用肯定会加大。

2 GPS-PPK技术的工程运用

工程放样是测量一个应用分支,它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来,过去采用常规的放样方法很多,如经纬仪交会放样,全站仪的边角放样等等,一般要放样出一个设计点位时,往往需要来回移动目标,而且要2~3人操作,同时在放样过程中还要求点间通视情况良好,效率不是很高。如果采用RTK技术时,仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿中,背着GPS接收机,它会提醒你走到要放样点的位置,既迅速又方便,由于GPS是通过坐标来直接放样的,而且精度很高也很均匀,因而在外业中效率会大大提高,且只需一个人操作。

表2 PPK实地测量数据处理后的成果

表2 PPK实地测量数据处理后的成果

在实际测量工程应用中,架设好基准站之后,需要在流动站的测量手簿中选择PPK测量模式,然后进行天线高的设置,最主要是要将流动站的数据采集间隔设置的和基准站一样,这样就可以在测量后进行数据处理了。PPK使用的是单基线测量,整个网形成网状分布,各个流动站的测点和基准站构成单基线,在整个作业过程中,只要保证流动站和基准站的数据采集间隔是一样的,并且在使用流动站测量时,保证整周模糊度是确定的,就可以在测量后处理数据达到厘米级的测量精度[6]

PPK的内业基线数据处理,和其他静态GPS一样,是采用Trimble公司的随机软件TGO(Trimble Geomatics Office)进行基线预处理解算。在这次测量中,平均初始化时间是6分钟,平均测量一个点的时间是30s,在整周模糊度固定的时候,测量一个点的时间小于10s,通过实地测量数据处理后的成果如表2所示。从表2可知,PPK技术在保证精度的情况下,其纵轴误差、横轴误差和高度误差分别达到毫米级别。相较于现有的RTK方法,PPK技术在安全生产过程中工程放样具有精度高优点,从而大大提高工作效率。

3 GPS-PPK技术对矿山地质灾害山体滑坡、边坡安全监测等方面的应用

常用矿山测量地质监测的方法和测量工具是使用全站仪、经纬仪等,存在着安全监测不及时和监测难度大、效率低、精度差,因此使用PPK技术在矿山地质灾害中的应用能大大提高监测的效率及精度。

3.1 地面塌陷监测

监测内容:监测塌陷面积、塌陷深度、塌陷速度,分析塌陷趋势。监测采用专业监测,首先在矿区及周边设立基准点网,利用PPK技术对塌陷坑的形态、面积和深度及相关要素的变化情况进行定期监测。监测网点布设原则上以达到基本控制塌陷区形态,较准确测量塌陷区面积和下沉深度为宜,以控制性为主。监测点主要布置于可能受塌陷影响的村庄、道路、塌陷区边缘等处。监测频率周期为每季度一次。

3.2 滑坡监测

监测内容:滑坡体的体积,边坡的高度,滑坡裂缝滑坡鼓丘的变化,裂缝的位置、方向,深度、宽度,滑坡带内外建筑物的变形、位移情况。监测点的布设与监测方法:在滑坡裂缝两侧平行滑动方向打桩,应用PPK技术测量滑坡体的各测量要素。监测频率周期:测量次数和时间间隔应随滑坡所处阶段以及滑坡主要动力破坏因素的不同而有所差异,变形缓慢阶段宜每月一次,变形加快监测次数相应加密雨季应加密观测次数。

3.3 边坡监测

露天矿山在开挖边坡过程中,易产生崩落、垮塌或滑移等不良地质现象。因此在边坡施工时,为防止边坡滑动,常采用台阶式开挖。开挖前在地表错动区范围外设置三个固定工作基点,在错动区内设置若干工作监测点,利用PPK技术采集好原始基点及监测点数据。监测频率周期为每月一次或实时监测。

4 总结与展望

总之,利用GPS-PPK技术可以有效地实施对矿山等地质灾害的动态监测,是预测、预防的重要手段。根据不同的矿山特点和地质环境,利用该技术可以灵活地开展地质灾害内部监测与外部监测、普通监测与专业技术监测、经常性监测与阶段性监测,并通过数据链方式进行实时、动态监测。

展望未来,可以建立网络PPK,用网络RTK进行实际测量时,3个参考站覆盖的面积可以达到几千平方公里,水平精度<1cm,高程精度<2cm。如果能够实现网络PPK,将大大有利于大区域范围的矿山、地灾高风险区域动态监测和超前预警。

[1]李天文.GPS原理及应用[M].科学出版社,2003.[2]施品浩.1994.GPS定位技术的又一里程碑——RTK[J].[3]王爱朝.1995.GPS动态定位的理论研究[M].武汉测绘科技大学.[4]朱吉涛.RTK和PPK相配合在航测外业控制测量中的应用探讨[J].物探装备,2007,17(4):288-290,301.[5]王广运,郭秉义,李洪涛.1996.差分GPS定位技术与应用[M].北京:电子工业出版社.[6]张振军,谢中华等.RTK测量精度评定方法研究[J].测绘通报,2007,(1).矿山边坡、塌陷等地质状况的位移状况测量分析是评估地质灾害风险的重要指标之一,其测量监测精度一般要求较高,传统的GPS-RTK工程放样方法依赖数据通信链,效率较低,难以满足现有地质灾害工程监测的需求。而GPS的PPK测量技术属于GPS的后处理的动态测量技术,它的出现能够有效弥补了上述缺点。本文重点分析了PPK技术在野外工程放样、山体滑坡地质灾害、矿山边坡安全监测等方面的应用。

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