GPS技术在边坡变形监测中的应用及其数据处理研究

摘要：边坡变形属于常见地质灾害方面的问题，它极有可能导致山体滑坡和泥石流等严重后果，会对人民生命财产安全以及基础设施造成巨大威胁，伴随全球定位系统也就是GPS技术持续不断地发展，它在边坡变形监测中的应用变得越来越广泛，GPS技术具备全天候、高精度、自动化程度高以及可实时监测等优点，能够有效弥补传统监测方法存在的不足之处，为边坡变形监测提供了一种全新的技术手段。

关键词：GPS技术；边坡变形；监测；应用；数据处理

边坡属于自然地貌和人工工程重要组成部分，其稳定性直接关联人民生命财产安全与工程建设顺利开展，近年来伴随大规模基础设施建设推进以及极端气候事件频繁发生，边坡失稳所引发的地质灾害呈现上升态势，给社会经济发展造成了严重威胁。因此，建立有效的边坡变形监测体系，及时掌握边坡变形动态，对预防地质灾害、保障工程安全具有重要意义。

1GPS技术用于边坡变形监测的优势

1.1全天候监测

在边坡变形监测工作中，天气等自然条件常常会给监测工作带来较大影响，传统监测方法在暴雨、大雾、黑夜等恶劣天气状况下，其监测效果会大幅降低甚至无法正常开展监测工作，而GPS技术不会受到这些因素的限制，它依靠卫星信号来进行定位和数据采集，不管是白天还是黑夜，也不管是晴天还是恶劣气象条件，都能够持续且稳定地对边坡开展监测工作，这让工作人员能够获取到连续的边坡变形数据，及时发现潜在的变形趋势和安全方面的隐患，比如在一些山区经常会遭遇长时间的阴雨天气，GPS技术能在这种情况下不间断地对边坡进行监测，为保障边坡的安全提供了有力支持。

1.2高精度定位

边坡变形一般是个缓慢且微小的过程，微小变形量或许预示潜在重大安全风险，GPS技术能够实现毫米级甚至更高精度定位，它通过接收多颗卫星信号运用先进定位算法，对边坡上监测点的三维坐标进行精确测定，哪怕边坡发生极其细微的位移变化，GPS系统也能够准确无误地捕捉到，这种高精度的定位能力让工作人员可及时掌握边坡变形程度与方向，为准确评估边坡稳定性提供可靠的数据依据。在一些大型工程，如：大型水库和桥梁等周边的边坡监测中，GPS高精度定位能有效保障工程的安全运行。

1.3可实时监测

传统边坡监测方法通常需要人工定期到现场做数据采集与分析，存在监测周期长以及数据更新不及时等问题，而GPS技术依靠先进通信网络能把监测数据实时传输到监控中心，监控人员可以在第一时间获取边坡的变形相关信息，一旦发现边坡变形超出预设的安全阈值系统，就会马上发出警报，这种实时监测能力，让相关部门能够迅速采取应对举措，如：疏散人员和加固边坡等，进而有效避免因边坡失稳所引发的灾害事故[1]。

2GPS技术在边坡监测中的应用

2.1滑坡体表面位移监测

传统监测方法会受到地形、气候等多种因素较大影响，GPS技术凭借高精度、全天候的优势成功脱颖而出，通过在滑坡体表面合理地布设GPS监测点，能够实时且准确地获取监测点的三维坐标信息，这些坐标数据的变化可以直观反映滑坡体表面位移情况，涵盖水平位移和垂直位移等方面，借助数据分析软件对这些坐标数据进行处理和分析，能够及时发现位移异常并提前预测滑坡发生可能性。此外，GPS技术还能够实现远程数据传输功能，让监测人员在办公室实时掌握滑坡体表面位移动态，为滑坡灾害的预警和防治工作提供有力技术支持。

2.2深部变形监测

传统的深部变形监测手段，如：测斜仪，只能获取局部的变形相关信息，且操作方面相对复杂，利用GPS技术与深部埋入式传感器相结合，能够实现对边坡深部不同位置实时监测，在边坡深部不同深度的地方安装带GPS功能的传感器，传感器会把所测的深部变形信息转化成电信号，再通过无线传输技术将这些数据发送到监测中心，监测人员可依据这些数据构建边坡深部变形模型，分析深部变形的趋势和规律，从而降低滑坡灾害所带来的损失[2]。

2.3高速公路边坡稳定性评估

高速公路边坡的稳定性会直接影响公路的安全运营情况，传统评估方法依靠人工巡查与有限监测点数据，很难全面且实时地掌握边坡稳定状况信息，利用GPS技术在高速公路边坡布置多个监测点，能够持续监测边坡位移沉降等相关参数，通过长期的数据积累和科学的分析工作，可以建立起边坡稳定性评估的有效模型，该模型能够综合考虑地质条件和降雨情况等多种因素，对边坡的稳定性进行精准的量化评估操作，一旦发现边坡稳定性出现异常状况问题，就能够及时采取加固等有效措施来处理，保障高速公路的安全畅通以及减少相关交通事故。

2.4矿区边坡动态监测

矿区开采活动十分频繁，使边坡地质条件复杂多变，传统监测方法难以满足实时动态监测需求，采用GPS技术能够对矿区边坡开展全方位实时动态监测，在矿区边坡上设置多个GPS监测站可实时采集边坡位移倾斜等数据。通过数据处理与分析能够及时发现边坡微小变形和异常变化，结合气象水文等数据可更准确评估矿区边坡的稳定性，一旦监测到边坡出现失稳迹象能够迅速发出预警，指导矿区采取相应措施避免边坡坍塌等事故导致人员伤亡和财产损失[3]。

3GPS监测数据的处理方法

3.1数据预处理

GPS监测数据预处理主要目的是对原始观测数据做初步检查与修正来提高数据质量。在实际监测过程中，受卫星信号遮挡、多路径效应、仪器误差等各种因素影响，原始数据可能存在噪声、粗差和周跳等方面的问题，数据预处理首先要开展数据的读取以及格式转换工作，把不同类型GPS接收机采集的数据统一转换成标准格式，接着要进行周跳探测与修复操作，常用方法包含多项式拟合法、电离层残差法等。同时，还需要对观测值进行平滑处理以去除噪声干扰，此外还需要检查数据的完整性和连续性并剔除无效数据，通过这些预处理步骤能够为后续的基线解算和变形分析提供高质量的数据基础。

3.2基线解算

在基线解算这个过程中，通常会采用双差观测值来消除卫星钟差接收机钟差等误差影响，常用的基线解算方法主要有静态基线解算和动态基线解算这两种，静态基线解算适合长时间的观测数据能够获得较高精度，动态基线解算则适用于实时监测相关场景，解算过程需要考虑多种不同因素，如：卫星的几何分布、观测时段的长度、观测值的质量等，为提高解算精度还可采用一些优化策略，比如：选择合适的卫星截止高度角、进行周跳修复和粗差剔除等，解算完成之后需要对基线解算结果开展质量检查，常用指标包含基线向量的中误差、相对中误差、同步环闭合差、异步环闭合差等[4]。基线解算质量检查指标如表1所示。

表1：基线解算质量检查指标

3.3坐标转换

在GPS监测工作中，因为GPS测量所得到的是基于WGS - 84坐标系的坐标，然而实际工程应用过程中通常需要采用当地的平面坐标系或者国家大地坐标系，所以就需要进行坐标转换操作。坐标转换的方法主要包含七参数转换法和三参数转换法这两种。七参数转换法适用于较大范围的坐标转换情况，需要已知至少三个公共点的WGS - 84坐标以及当地坐标系坐标，然后通过最小二乘法来求解七个转换参数（也就是三个平移参数、三个旋转参数和一个尺度参数）。三参数转换法适用于小范围的坐标转换场景，只需要求解三个平移参数即可。在进行坐标转换的时候，需要注意公共点的选择事宜，应该选择分布均匀且精度较高的点。转换完成之后，还需要对转换结果开展精度评估工作，常用的方法是比较公共点的转换坐标与已知坐标的差值[5]。

3.4变形分析

常用的变形分析方法包含时间序列分析法、回归分析法以及卡尔曼滤波法等。时间序列分析法是把监测数据按照时间顺序来排列，进而分析其变化趋势和周期性特征。回归分析法是通过构建变形量与影响因素之间的回归模型，以此预测边坡的变形具体情况。卡尔曼滤波法属于一种动态数据处理方法，能够实时地对变形数据进行滤波和预测操作。在变形分析的过程中，需要结合边坡的地质条件以及工程情况等相关因素，综合判断边坡的稳定性状况。还需要设定变形预警的阈值，当变形量超过预警阈值的时候，及时发出预警信号，以便采取相应的措施来确保边坡的安全[6]。

结论：

GPS技术在边坡变形监测方面有着重要应用价值，它可以有效弥补传统监测方法所存在的不足，为边坡变形监测提供了一种全新的技术手段，通过对GPS监测数据进行处理与分析，能够实时且准确地获取边坡的变形相关信息，为边坡的稳定性评价和预警工作提供有力支持，随着技术持续发展和不断完善，其应用前景将会变得更加广阔。

参考文献：

[1]田杰龙,覃辉. 边坡变形监测技术在工程项目中的应用与研究[J].冶金与材料,2024,44(05):124-126.

[2]田恒. 边坡变形监测技术在山区农村公路工程中的应用[J].交通世界,2024,(13):37-39.

[3]杨斌,庞正辉,王伟,等. 三维激光扫描技术在岩质边坡变形监测中的应用分析[J].测绘技术装备,2024,26(01):187-192.

[4]张晨琛. 自动化监测技术在矿山采场边坡变形监测中的应用[J].四川建材,2023,49(10):29-30+45.

[5]易恒. GPS技术在矿山边坡变形监测中的应用[J].冶金与材料,2021,41(04):69-70+130.

[6]王念秦,申辉辉,鲁兴生. 边坡变形监测技术发展现状及问题对策[J].科学技术与工程,2021,21(19):7845-7855.