基于GNSS技术的露天边坡变形自动监测

基于GNSS技术的露天边坡变形自动监测

普晓强

玉溪矿业有限公司  云南玉溪  653405 

摘要：GNSS技术属于较为先进的空间定位技术，能够获取详尽的观测点三维位置，具有较强的抗干扰性，可以不间断地获取全球范围内的定位信息，具有较高的准确性。该技术所具备的优势使其在露天边坡监测方面也有了更加广泛的应用。针对此，本文主要分析基于GNSS技术的露天边坡变形自动监测系统，利用该系统能够提高边坡监测的质量，有效提升矿山开采的安全性。

关键词：GNSS技术；露天边坡变形；自动监测

引言

对于露天矿来说，坡面是最为典型的特征，工程量相对较大并且比较容易受到周边环境影响而出现滑坡问题，这已经成为最典型的露天矿生产安全事故之一，该事故会造成非常严重的设备、人员损害。这就需要利用现代化手段来对边坡变形等问题进行有效监控，利用动态监测系统对边坡进行监控，从而及时发现可能风险，采取针对性措施保证边坡稳定性。随着科技水平的不断提升，有关边坡监测方面的技术也不断发展，当前针对露天矿来说，最为常用的监测技术包括RTK、GNSS、GPS、激光扫描等不同类型，虽然每种监测方法都具有自身优缺点，但其中GNSS技术是应用最为普遍的技术类型，可以充分发挥其较广覆盖面积、较长监测周期、抗干扰能力强等优势，保证监测的全面性、准确性。

1 基于GNSS技术的露天边坡变形自动监测系统分析

1.1 系统的基本构成

第一，基本原理概述。基于GNSS技术的边坡监测系统融合了多种不同导航系统（例如GPS、北斗、格洛纳斯、伽利略等）的优势，其原理在于：系统内部设置接收机，以此来对确定位置的卫星距离进行测量，在此基础之上进行自身空间信息的计算，同时利用基准站等对其进行必要校准，从而获取所监测内容的三维数据。为了能够保证监测的准确性、全面性，要按照设定间隔时间进行长期取样，从而获取更全面的数据，充分展现边坡变形情况，其基本原理如图1所示。

图1 GNSS技术基本工作原理图

为了能够对露天边坡变形情况进行较为全面的监测，露天矿山在建设GNSS边坡变形自动监测系统时往往要设置多个监测点，形成覆盖面较广的监测网络，能够对存在可能的滑坡危险区域进行全面监控。之后利用5G网络对所得数据进行传输，可以在云端进行存储，同时能够以图像的方式对其进行显示，用户也可以根据自身实际需求进行查询、分析等等[1]。

第二，自动监测系统设备结构。基于GNSS技术的自动监测系统结构较为复杂，融合了多种类型技术，总体来说其包括如下几部分：

一是测量部分，该部分的基本作用在于通过系统内部设置的高精度接收设备采集监测点的相关数据；一是通信部分，完成相关数据的测量之后可以利用此部分传输到云端；一是供电部分，此部分主要用于提供监测系统所需能量，主要是利用太阳能电池板来对监测系统内部硅能电池充电，保证整个系统的电力供应；一是软件部分，利用此部分来对监测所得数据实施必要的分析，同时也可以通过软件系统进行远程操控，以便用户能够根据自身数据对数据实施查询分析；一是防雷部分，是整个系统的保护部分，利用避雷器等设备来减小、避免雷击问题对系统线路造成的影响，确保各种设备的安全性。

1.2 监测系统的布设情况

    第一，单点测量情况。

①具体测量方式。以往的GNSS技术在实际应用时容易出现一定问题，例如通信存在延时、接收数据存在偏差等等，无论采取何种测量方式都无法有效提升测量精度，也就无法更好满足当前露天矿边坡监测方面的需要。随着技术水平的提升以及对露天边坡监测重视程度的增加，以GNSS技术为基础的监测系统能够大幅提升卫星定位精度，可以实现毫米级的监测准确性[2]。例如在GNSS边坡自动监测系统中利用差分定位技术能够实现精度和灵敏度之间的平衡，从而保证边坡监测的准确性、实时性。

    通过GNSS技术来对露天矿边坡变形进行监测，能够获取较高精度的定位、定向电磁波信号，同时能够对不同监测点各个方向变形情况进行采集，提升边坡监测的全面性。

    ②布设情况。首先，要确定合理的基准站位置。在建立GNSS技术的边坡变形自动监测系统时最为关键的是要勘查、分析现场情况，在此基础上更加合理的设定基准站、相关监测点位置。需要注意的是，在确定基准站位置时一定要保证所在地具有良好稳定性，设定距离要合适、以便进行维保，同时也要保证电源的稳定性，并且也要设置备用应急电源；其次，要确定好监测点的数量。完成基准站设置后要按照露天矿边坡稳定性的实际情况设置监测点数量。在确保监测点单独测量的同时也要能够充分体现边坡岩体变形情况，监测点布设要遵照如下原则：要布设在边坡平台表面，可以展现出边坡岩体形变特性；监测点要和周边障碍物距离高度＜15°，从而不会影响到其他活动；为了防止受到磁场等因素影响，确保监测点和高压输电线等具有足够的距离。

    ③具体的监测方式。一般情况下基于GNSS技术的边坡变形自动监测的操作周期在10min—30d范围内，同时也可以按照实际需要对操作周期进行自定义（例如可以达到几分钟/次）。自动监测系统可以定期对所测数据进行自动整理，同时形成相应的报告并传输到云端。利用相应软件能够展现出不同监测点表面位移相关信息，例如位移变化趋势图、断面曲线图、速度、加速度、数据列表、报警查询、周/月报表、自定义时段对比报表及系统管理等。利用这些信息能够对不同监测点监测的边坡岩体变形情况进行分析，同时可以对相应监测点的位移变形曲线及矢量方向进行展示，在此基础上可以利用设定“极限阈值”的方式来形成预警系统，一旦超值就可发出警报，提醒矿区相关人员及时撤离，保证人员和设备的安全性

[3]。

第二，进行多点连线。虽然单个监测点能够反映出所监测区域的变形情况，但是其监测范围相对有限，所以基于GNSS技术的露天边坡变形自动监测系统常常在所测边坡区域设置多监测点，这样才可以充分展现该区域边坡岩体变形情况。对于露天矿来说，采场、排土场是重要部分，所形成的边坡主要是通过采掘方式形成的，为了确保整体的监测效果，需要在每个台阶或者相隔几个台阶设置一个监测点，同时加强各个监测点之间的关联，形成多条监测线。需要参照矿山现场的实际情况、边坡地质剖面图等来对监测线实施区位划分，确保其根据针对性，实现边坡变形的有效监测。

第三，完成区域组网。从当前情况来看，露天矿基本呈现的是凹陷形态，随着矿产资源的进一步开采必然会加大凹陷程度，最终会形成采场边坡、排土场边坡等。对于每一处边坡来说，受到不同条件（例如地质条件、水文条件、边坡角度等）的影响，会造成边坡变形岩体位置、程度等方面的差异，所以想要对边坡实施集中监测是较为困难的。为了能够更加高效、准确的确定边坡岩体变形情况，往往要建立起一条或多条观测线所形成的三维立体监测网络。

    总的来说，在建立基于GNSS技术的露天边坡变形自动监测系统过程中，先要对所在区域现场进行仔细勘查，明确已经发生变形或者可能发生滑坡的区域；之后建立起多条观测线来实施更加深入的监测，同时将所监测数据进行定期整理，并及时将其传输到云端进行分析计算；最后建立起整个露天矿的三维立体监测网，能够对整个边坡变形进行更加详细的监测。

1.3 数据分析

基于GNSS技术的露天矿边坡变形自动监测系统能够自动对边坡变形情况实施一系列（采集、传输、分析计算、存储、查询等）操作，可以动态性了解边坡变形情况。近些年随着AI、大数据、云计算等技术的快速发展应用，使得人机交互更加便利，当前绝大部分基于GNSS技术的监测系统都是利用B/S架构设计，支持主流Web浏览器登录，通过网页即可查询监测情况，包括各项监测数据的管理、分析[4]。同时，基于GNSS技术的数据分析系统能够对全部监测点数据进行梳理，并将其归集到同一个报表当中，同时参照相应指标（包括：观测线、点号、位置及标高等）对其区分标注。对于同个监测周期来说，能够对各个监测点平面位移、垂直位移、空间位移等指标进行统计分析，通过和之前数据的比对能够得到边坡发生的沉降等变化情况。利用相应的软件系统能够对相关数据进行解算，能够形成各个时间点的数据报告，用户能够随时按照需求进行数据查询，从而了解不同监测点的数据变化情况。

1.4 物理实验分析情况

为了能够有效分析露天矿边坡稳定性相关性能，不但要对旧有边坡监测数据进行仔细分析，同时要特别加强新形成边坡的监测，不但要加强关键位置（例如边坡表层、坑底位置）砂岩样本的采集，也要特别重视其所具有的承载力检测，在此基础上能够得到更加准确、更加可靠的坡面稳定数值。另外，边坡岩体耐压能力、抗拉能力是保证边坡稳定性的关键性能，需要利用点载荷强度系数和这些指标之间的关联来确定具体情况，在此基础上参照施工区域地质学勘测结果来计算边坡稳定性相关硬度指标，获取相应的边坡稳定安全系数。基于GNSS技术的边坡变形监测方式所得数据能够对提升边坡施工稳定性具有重要作用，并且也是保证边坡稳定性的关键所在。对于不同的分析方法来说，边坡稳定安全系数情况如表1所示，在实际应用时要根据具体情况选定相应的安全系数，保证足够的安全性。

表1 边坡稳定安全系数分析

2 结束语

基于GNSS技术的露天边坡变形自动监测系统充分利用现代信息技术，能够对已经发生变形或者可能存在滑坡风险的边坡实施动态监控，能够更加全面的了解边坡变化情况，从而及时、准确的采取措施进行预防，降低人员和设备的损失，值得进一步推广应用。

参考文献

[1]陈子江. 基于GNSS技术的露天边坡变形自动监测系统[J]. 经纬天地, 2022（06）：144-146

[2]冯元生;张豹;田卿燕;李佩峻;李宏文;陈文山. GNSS定位技术在营运高速公路边坡变形监测中的应用[J]. 广州建筑, 2024（02）：32-35

[3]田小龙. BIM、GIS与北斗GNSS技术在公路边坡智能化监测的融合应用[J]. 中国自动识别技术, 2024(02):88-91

[4]任学锋;黄科伟;李营作. GNSS监测技术在露天矿边坡监测预警中的应用[J]. 露天采矿技术, 2023（08）：112-115