Как использовать общие станции для мониторинга оползней и движения Земли

Что такое общая станция и почему это важно для мониторинга оползней

Общая станция — электронный геодезический прибор, сочетающий электронный теодолит для измерения горизонтальных и вертикальных углов с электронным блоком измерения расстояния (EDM).Общая станция, интегрируя эти две функции в одно устройство, может с высокой точностью определять трехмерные координаты целевой точки.Современные станции тотального масштаба также включают бортовые регистраторы данных, микропроцессоры и беспроводную связь, что позволяет геодезистам записывать, хранить и передавать данные измерений в режиме реального времени.

Оползни и движения земли ежегодно наносят ущерб в миллиарды долларов и представляют серьезную опасность для инфраструктуры, имущества и жизни человека. Раннее обнаружение деформации грунта имеет важное значение для своевременного предупреждения и реализации эффективных стратегий смягчения последствий. Всего станции предлагают точность субцентров на расстояниях от нескольких метров до нескольких километров, что делает их хорошо подходящими для мониторинга медленно движущихся оползней, зон оседания и нестабильных склонов.

В отличие от GPS-мониторинга, который может страдать от ошибок сигнала в крутой местности или под плотным навесом, общая станция полагается на оптические измерения линии видимости. Это делает ее особенно эффективной в закрытых средах, таких как долины, карьеры и строительные площадки, где спутниковые сигналы слабы или затруднены. При правильном развертывании общая станция обеспечивает надежный, повторяемый метод отслеживания смещения поверхности с течением времени.

Информация в этом руководстве актуальна для инженеров-геотехников, консультантов по окружающей среде, специалистов по геодезии и менеджеров гражданской инфраструктуры, которым необходимо разработать или управлять программой мониторинга наземного движения. Внешние ресурсы, такие как USGS Landslide Hazards Program и Исследования мониторинга оползней в Эдинбургском университете , обеспечивают дополнительный научный контекст.

Почему для обнаружения движения Земли необходимы целые станции

Высокая точность измерений

Полная станция профессионального класса может достигать угловой точности от 1 до 5 угловых секунд и точности расстояния от 1 до 3 миллиметров плюс 2 части на миллион. Такой уровень точности позволяет геодезистам обнаруживать сдвиги грунта размером до нескольких миллиметров, что имеет решающее значение для выявления ранних стадий сбоя наклона. При тщательных процедурах измерения и регулярной калибровке общая станция может поддерживать эту точность в течение многих лет повторных наблюдений.

Стабильная справочная система

Общий мониторинг станции опирается на сеть стабильных контрольных точек, установленных за пределами оползнеустойчивой зоны. Эти ориентиры обеспечивают последовательную систему координат, которая остается неизменной даже при движении массы оползня. Измеряя с одних и тех же контрольных точек в течение каждой сессии обследования, аналитики могут изолировать истинную деформацию грунта от дрейфа приборов или ошибок установки. Эта способность устанавливать фиксированную внешнюю опорную точку отличает тотальный мониторинг станции от методов, которые полагаются только на внутренние цели.

Гибкость в постановке целей

Общая станция может измерять призмы, отражающие цели или даже природные особенности с помощью технологии EDM без отражателя. Геодезисты могут устанавливать постоянные призмы на зданиях, подпорных стенах или скальных гранях, или они могут размещать временные цели вдоль склона и периодически измерять их. Режимы без отражения позволяют проводить измерения с расстояния без необходимости доступа к опасной или нестабильной местности, снижая риски безопасности для полевого персонала.

Подготовка к программе мониторинга всей станции

Оценка сайта и установка бенчмарков

Перед началом любого измерения провести тщательную оценку участка, чтобы понять топографию, геологию и потенциальные механизмы отказа склона. Определить стабильный грунт за пределами предполагаемой зоны оползня, где могут быть установлены контрольные точки. Эти ориентиры должны быть закреплены в компетентных основах или глубоких основаниях, чтобы гарантировать, что они остаются фиксированными с течением времени. Используйте железобетонные столбы или стальные стержни, приводимые в отказ, и защитить их от морозного скопления, роста растительности и случайных помех.

Пространство точек управления так, чтобы каждая измерительная станция имела четкую линию обзора по крайней мере до двух эталонов. Избыточность в сети управления позволяет перекрестную проверку и помогает идентифицировать любые эталоны, которые могли сместиться. Запись точных координат каждой контрольной точки с помощью статического GPS-опроса или высокоточного прохождения перед использованием их в качестве ориентиров для общего мониторинга станции.

Калибровка и проверка оборудования

Для получения надежных результатов необходимо провести надлежащую калибровку всей станции. Выполнить рекомендованную заводом калибровочную последовательность не реже одного раза в сезон или после любой грубой обработки во время транспортировки. Ключевые этапы калибровки включают:

Документируйте все результаты калибровки и сохраните журнал, который можно будет просмотреть, если позже появятся аномалии данных. При работе с несколькими суммарными станциями на одном и том же участке перекрестно калибруйте их по общему набору целей для устранения систематических различий между инструментами.

Создание общей станции для повторных измерений

Трипод и размещение инструментов

Используйте штатив большой мощности с фиксированной длиной ноги или регулируемыми ногами, которые надежно запираются. Поместите штатив на стабильную землю, подальше от рыхлой почвы, корней или мягких поверхностей, которые могли бы осесть во время сеанса измерения. Расширьте ноги равномерно и крепко прижмите их к земле. Центрируйте общую станцию над контрольной точкой с помощью оптического пухового или лазерного пуха, а затем выровняйте инструмент точно с помощью электронного пузыря или компенсатора.

Для долгосрочного мониторинга рассмотрим установку постоянных приборных платформ или форсированных опор, позволяющих устанавливать общую станцию в точно одинаковом положении для каждой сессии. Эти платформы устраняют изменчивость настройки и сокращают время, необходимое для каждого цикла измерения.

Ввод координат контроля

Введите известные координаты занятой контрольной точки в общую станцию перед началом любых измерений. Если прибор поддерживает геометрию координат, используйте рутину установки станции для ориентации инструмента путем наблюдения за второй контрольной точкой. Этот процесс устанавливает локальную систему координат, которая остается последовательной от сессии к сессии. Проверьте установку путем измерения третьей контрольной точки и проверки расчетного положения по ее известным координатам. Остаточная ошибка должна быть в пределах допуска проекта, обычно 2-3 миллиметра для мониторинга оползней.

Экологические соображения

Преломление, градиенты температуры и атмосферное давление влияют на измерения ЭДМ. Запись температуры, влажности и барометрического давления в начале каждой сессии и ввод этих значений в общую станцию, чтобы она могла применять соответствующие атмосферные поправки. Избегайте измерения в периоды сильного перелива тепла, сильного дождя или сильных ветров, которые могут ухудшить точность наблюдения. Если возможно, планируйте измерения для раннего утра или позднего дня, когда атмосферные условия наиболее стабильны.

Измерение движения земли с помощью полной станции

Выбор цели и установка

Выберите целевые места, представляющие критические зоны движения склона. Установите цели в местах растрескивания напряжения, шарповых гранях, существующих границах горок и вдоль дренажных каналов. Используйте высококачественные призмы, установленные на прочных скобках или штативах, которые сопротивляются вибрации и ветру. Для измерений без отражателя выберите природные особенности, такие как углы скал, края зданий или окрашенные метки, которые четко идентифицируются в перекрестье прибора.

Создайте подробную карту сайта, показывающую местоположение каждой цели, ее идентификационный номер цели и описание ее физического вида. Фотографируйте каждую цель с точки зрения общей станции, чтобы помочь с перенаблюдением во время будущих сессий.

Процедура измерения

  1. Настройте общую станцию над контрольной точкой и сориентируйте ее на опорное направление.
  2. Начните с самой дальней или наиболее важной цели, чтобы минимизировать влияние изменения атмосферных условий.
  3. Внимательно просмотрите каждую цель, фокусируя телескоп, чтобы устранить параллакс, и запишите горизонтальный угол, вертикальный угол и расстояние наклона.
  4. Используйте среднее значение нескольких показаний слева и справа, чтобы устранить ошибки коллимации инструментов.
  5. Повторить измерение по меньшей мере одной контрольной точки в конце сеанса, чтобы убедиться, что установка прибора не изменилась.

Следуйте одной и той же последовательности измерений цели в течение каждого сеанса. Последовательность в порядке измерения уменьшает влияние суточных экологических циклов на данные. Если программа мониторинга включает в себя несколько суммарных станций, синхронизируйте их внутренние часы и координируйте график измерений так, чтобы все станции соблюдали одни и те же атмосферные условия.

Частота измерений и график

Выберите частоту измерения, которая соответствует ожидаемой скорости движения. Для медленно движущихся оползней со скоростями в несколько сантиметров в год часто достаточно ежемесячных или квартальных измерений. Для активных горок или районов, испытывающих ускорение движения, увеличьте частоту до еженедельных или даже ежедневных. Следите за данными осадков и планируйте дополнительные измерения после крупных штормовых событий, так как многие оползни ускоряются во время или сразу после сильных осадков.

Сохраняйте согласованное время суток для измерений, чтобы свести к минимуму суточные циклы температуры и преломления. Если план мониторинга требует круглогодичного покрытия, планируйте сезонные ограничения доступа, такие как снежный покров или закрытие дорог. Установите протокол непредвиденных обстоятельств для зарядки аккумулятора, защиты приборов и резервного копирования данных при работе в отдаленных местах.

Анализ и интерпретация данных о станциях

Сокращение данных и координационный расчет

Сырье данных о станциях состоит из расстояний наклона, горизонтальных углов и вертикальных углов. Преобразуйте эти измерения в трехмерные координаты с помощью бортового программного обеспечения прибора или пакета постобработки. Примените любые необходимые поправки для кривизны земли, преломления и смещения приборов. Результатом является набор декартовых координат (север, восток, возвышение) для каждой цели в каждую эпоху измерения.

Анализ векторов смещения

После того, как координаты вычисляются для нескольких эпох, вычислите смещение каждой цели, вычитая ее координаты в начальной (базовой) эпохе из ее координат в каждой последующей эпохе. Зафиксируйте векторы смещения в виде плана и в виде поперечного сечения, чтобы визуализировать направление и величину движения. Ищите такие шаблоны, как:

Статистические методы, такие как линейная регрессия или анализ временных рядов, могут помочь отличить истинное смещение от шума измерения. Вычислить стандартное отклонение повторных измерений на стабильных контрольных точках для оценки уровня шума системы мониторинга. Любое смещение, превышающее три стандартных отклонения, считается значительным.

Использование специализированного программного обеспечения для визуализации

Несколько коммерческих и открытых программных пакетов поддерживают общий анализ данных мониторинга станции. Такие программы, как Leica Geo Office, Trimble Business Center или плагин QGIS с открытым исходным кодом «Анализ перемещения» позволяют пользователям импортировать координатные данные, генерировать векторы смещения, создавать графики временных рядов и создавать контурные карты кумулятивного движения. Эти инструменты ускоряют интерпретацию больших наборов данных и помогают сообщать результаты заинтересованным сторонам.

Трехмерная визуализация особенно полезна для сложных геометрий оползней. Путем драпировки векторов смещения на цифровую модель возвышения, полученную из общих данных станции, аналитики могут идентифицировать зоны расширения, сжатия и бокового распространения, которые могут быть не очевидны только из необработанных чисел.

Установление порогов оповещения

Например, совокупное смещение 50 миллиметров в течение одного месяца может потребовать увеличения частоты мониторинга, в то время как смещение 100 миллиметров в течение одной недели может вызвать предупреждение местным властям.

Автоматизированные станции могут быть настроены для отправки оповещений в режиме реального времени по электронной почте или SMS, когда перемещение превышает заранее определенные пределы. Эта возможность особенно ценна для участков вблизи дорог, железных дорог или населенных пунктов, где необходимо быстрое реагирование.

Интеграция станций общего пользования с другими технологиями мониторинга

Дополнительное использование GPS и GNSS

В то время как общие станции обеспечивают высокую локальную точность, приемники GPS и GNSS предлагают непрерывное покрытие, не требуя линии обзора между станциями. Объединение обеих технологий дает более полную картину поведения наклона. Используйте общие станции для мониторинга областей с затруднённым обзором или там, где требуется точность миллиметрового уровня, и используйте приемники GPS для отслеживания более широких пространственных шаблонов и предоставления резервных данных в периоды плохой видимости.

Включение InSAR и дистанционного зондирования

Спутниковый радар с интерферометрической синтетической апертурой (InSAR) может обнаруживать деформацию поверхности на широких участках с миллиметровой чувствительностью. Используйте InSAR для выявления новых или реактивации оползней по всему региону, затем сосредоточив общий мониторинг станции на наиболее приоритетных участках. Этот многоуровневый подход оптимизирует распределение ресурсов и гарантирует, что подробные наземные измерения сосредоточены там, где они наиболее необходимы.

Связь с пьезометрами и дождевыми пробками

На движение оползней сильно влияют давление пор и осадков. Установка пьезометров для мониторинга уровня грунтовых вод и дождевых датчиков для измерения интенсивности и продолжительности осадков. Соотносят эти гидрологические измерения с данными о перемещении, собранными с общей станции. Четкая временная связь между сильными осадками и ускоренным движением может подтвердить общие данные о станциях и укрепить основу для систем раннего предупреждения.

Лучшие практики для долгосрочного мониторинга общей станции

Документация и метаданные

Ведите тщательную запись каждой сессии мониторинга, включая серийные номера приборов, даты калибровки, погодные условия, имена полевого персонала и любые обнаруженные аномалии. Храните необработанные файлы данных в безопасном хранилище с контролируемой версией. Последовательные метаданные гарантируют, что данные, собранные с разницей в годы, могут быть правильно сравнены и интерпретированы.

Обеспечение качества и избыточность

Включите избыточные измерения в каждую сессию. Измерьте по меньшей мере одну контрольную точку в качестве проверки и включите дублирующие измерения подмножества целей для оценки повторяемости. Если позволяет бюджет мониторинга, установите две полные станции в разных местах для обеспечения перекрестной проверки и резервного копирования в случае отказа инструмента.

Периодическое повторное наблюдение сети

Даже стабильные контрольные точки могут смещаться со временем из-за региональной тектоники, изменений грунтовых вод или близлежащей конструкции. Ежегодно заново наблюдать всю управляющую сеть, выполняя высокоточный траверс или статическое GPS-исследование. Если обнаруживается, что какая-либо контрольная точка сдвинулась, обновите ее координаты и пересчитайте все значения смещения с исправленного исходного уровня.

Проблемы и ограничения общего мониторинга станции

Для тотального мониторинга станции требуется четкая линия обзора между прибором и каждой целью. Рост растительности, накопление снега или установка временных структур могут блокировать линии обзора и нарушать программу мониторинга. Регулярное обслуживание участка для очистки растительности и перепозиционирования упавших целей имеет важное значение.

Экологическая преломление остается крупнейшим источником неопределенности при измерениях угла. На больших расстояниях в 500 метров и более даже небольшие температурные градиенты могут сгибать линию обзора и вводить погрешности в несколько миллиметров. Сохранение линий обзора столь же коротким, как и практическое, и измерение при стабильных атмосферных условиях помогает смягчить этот эффект.

Всего станции представляют собой электронные приборы, чувствительные к влаге, пыли и экстремальным температурам.В суровых полевых условиях приборы требуют защитных корпусов, осушителей и регулярного обслуживания для поддержания работоспособности.Бюджет на замену батарей, запасные призмы и периодическое техническое обслуживание завода при планировании долгосрочной программы мониторинга.

Заключение

Всего станции являются мощными инструментами для мониторинга оползней и движения земли при применении с тщательным планированием, последовательными процедурами и тщательным анализом данных. Их высокая точность, способность устанавливать стабильные внешние ссылки и гибкость в размещении целей делают их хорошо подходящими для отслеживания медленно движущихся отказов наклона и обнаружения ранних предупреждающих признаков быстрого обрушения. Интегрируя общие измерения станции с дополнительными технологиями, такими как GPS, InSAR и гидрологические датчики, инженеры могут создавать комплексные системы мониторинга, которые предоставляют действенные данные для управления рисками и общественной безопасности.

Для специалистов, стремящихся разработать или улучшить программу мониторинга движения наземных объектов, стратегии, изложенные в этой статье, предлагают практическую основу. Продолжение прогресса в роботизированных суммарных станциях, автоматизированной обработке данных и связи в режиме реального времени только повысит роль общих станций в мониторинге оползней в течение многих лет. Дополнительные рекомендации по геотехническому мониторингу можно найти в Геотехнический мониторинг ресурсного центра .