GPS大壩變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理方案研究

1、GPS大壩變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理方案研究陳憲冬 孟魯閩(西安科技大學測量工程系 西安 710054)摘 要：通過大壩外觀變形模擬和GPS監(jiān)測試驗驗證了GPS大壩變形監(jiān)測的實際能力，給出了可行的數(shù)據(jù)處理措施及注意的一些問題，最后指出只要選用良好的儀器設備并進行科學合理的觀測和數(shù)據(jù)處理，GPS技術可用于大壩變形監(jiān)測領域。關鍵詞：GPS 大壩變形監(jiān)測 變形模擬 監(jiān)測試驗 數(shù)據(jù)處理方案 中圖分類號：P228.41 引言水庫或水電站的大壩在水負荷作用下會產(chǎn)生變形，當變形過大時，大壩將處于疲勞狀態(tài)，嚴重時會有潰壩的危險，近年來隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的逐步實施，我國大中型水利水電工程和高壩越來越多，大壩及庫區(qū)滑坡的

2、變形監(jiān)測不僅關系到工程自身的安危，更關系到下游人民的生命、財產(chǎn)安全，進行大壩變形監(jiān)測具有非常重要的意義。與經(jīng)典變形監(jiān)測技術相比，GPS變形監(jiān)測技術不僅具有全天侯、高精度、高效益等眾多優(yōu)點，更有助于實現(xiàn)自動化監(jiān)測，我國報道的清江隔河巖大壩的GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的測點精度已達水平分量1.0 mm，垂直分量1.5mm(12h解), GPS一機多天線監(jiān)測系統(tǒng)的先期試驗也表明GPS大壩變形監(jiān)測具有很好的應用前景,而GPS測高技術更在煤礦地表沉陷監(jiān)測及邊坡或滑坡變形監(jiān)測中具有廣闊的應用潛力。然而，GPS定位精度與基線邊長、時段長度、儀器性能、多徑干擾、衛(wèi)星星歷、電離層延遲、對流層延遲、天線相位中心變

3、化、基線解算以及網(wǎng)平差等眾多因素有關，GPS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中不僅要提高其內符合精度，更要提高其外符合精度（外符合精度才是其真正的變形監(jiān)測能力）。為了深入了解GPS在大壩和滑坡等變形監(jiān)測中的應用潛力，切實掌握GPS變形監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理中必需采取的一些技術措施，特進行了本次GPS大壩變形監(jiān)測模擬試驗和數(shù)據(jù)處理方案研究。2 試驗目的本次模擬試驗主要研究以下問題： 1）大壩變形監(jiān)測應用中，GPS基準點距GPS監(jiān)測點有可能達幾公里之遙，多長的觀測時段才能保證幾公里長的GPS基線能發(fā)現(xiàn)12mm的監(jiān)測點的變形？ 2）大壩多位于峽谷之中，在較高的衛(wèi)星截止高度角下，應選擇多長的觀測時段？ 3）大壩基準點與大壩監(jiān)

4、測點的水汽環(huán)境通會有較大差異（特別在瀉洪時期），GPS基線解算過程中多長時間引入一個對流層濕延遲參數(shù)才較為合適？ 4）GPS廣播星歷難以滿足GPS精密形變監(jiān)測的需要，使用IGR精密星歷進行軌道外推或使用IGU精密星歷時需注意哪些問題。3 模擬試驗網(wǎng)的構成及實施 圖1 GPS模擬變形監(jiān)測網(wǎng)及位移監(jiān)測點的基座基于上述目的，設計構建了由4個點構成的GPS模擬變形監(jiān)測網(wǎng)，其中JC01、JC02、JC03為基準點，JC04為模擬位移監(jiān)測點，所有點均為樓頂墩標，墩標頂部均安置強制對中盤（盤的四周用羅盤標定有東南西北方向），在模擬位移監(jiān)測點上安裝帶有游標卡尺的特制基座，以使GPS天線可在此基座上平移（移動量

5、讀至0.02mm，精度可達0.1mm）。在第一時段將JC04安置于零刻讀，在第二、三時段則模擬大壩變形，將其向正北方向分別移動2.0mm和5.0mm，對應編號分別為JC14和JC24。通過比較GPS監(jiān)測的變形值與所移動的變形真值即可評定GPS變形監(jiān)測的實際能力。該試驗網(wǎng)的網(wǎng)圖及基座見圖1。本試驗網(wǎng)于2004年12月11日至13日進行了外業(yè)施測，觀測儀器為4臺Ashtech Z-X雙頻GPS接收機，天線類型為ASH701975.01（其天線相位中心改正參數(shù)見GAMIT/GLOBK軟件的antmod.dat.oldfmt文件或由獲取），每天各觀測一個時段（12月11日為1:0013:00；12月1

6、2日為5:0017:00；12月13日為1:0013:00），各時段的采樣間隔均為30s,衛(wèi)星截止高度角均為10，觀測期間天氣晴朗無風，觀測環(huán)境優(yōu)良。4 GPS試驗網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理4.1 基線解算軟件及網(wǎng)平差軟件基線解算采用美國麻省理工學院和Scripps研究所共同開發(fā)的GAMIT（Ver10.02）、瑞士伯爾尼大學研制的Bernese（Ver 4.2）以及美國泰雷茲公司的Solution（Ver2.60）等軟件按雙差基線解模式進行。網(wǎng)平差采用武漢測繪科技大學的PowerAdj軟件。4.2 基準網(wǎng)點的平面坐標計算首先將JC01與我國的IGS站：BJFS、KUNM和URUM進行了三天的聯(lián)測，由IGS

7、最終精密星歷用Bernese軟件解算出了JC01的精密地心坐標；然后用JC01的精密地心坐標由IGS最終精密星歷用Bernese軟件解算JC02和JC03的精密地心坐標的三天平均值。在與IGS站進行長基線聯(lián)測時，采用的是消電離層影響的相位組合觀測值（即），每兩小時引入一個對流層濕延遲改正參數(shù)，雙差模糊度解算措施采用QIF，截止高度角取10；在小基準網(wǎng)的基線解算時采用的也是，但每四小時引入一個對流層濕延遲改正參數(shù)，雙差模糊度解算改用SIGMA，截止高度角改取15。最后將基準點的地心坐標高斯投影到地方坐標系即可得到基準網(wǎng)點的平面坐標（其平面坐標精度均優(yōu)于0.2mm）。地方坐標系取中央子午線1033

8、7，投影面大地高取為4個點的GPS大地高的近似平均值（720m），參考橢球由WGS-84橢球膨脹得到（其扁率與WGS-84橢球相同，橢球面過測區(qū)平均高程面）。4.3 GPS變形監(jiān)測試驗4.3.1 GPS變形監(jiān)測的能力及精度指標利用基準網(wǎng)的精密地心坐標，用IGS最終精密星歷和GAMIT軟件按自動處理模式，分別解算了3個時段共9條變形監(jiān)測基線，解算時采用消電離層影響的組合觀測值按雙差固定解進行，不估計對流層參數(shù)，只解算基線不進行定位定軌，截止高度角設為20，解算后得到各時段的Q文件（其中nrms均小于0.3）。最后提取Q文件中的基線向量及其方差-協(xié)方差并輸出成GeoNas軟件所需要的solutio

9、n.asc文件即可進行無約束平差和約束平差。用三個基準點對各時段進行約束平差后，得到的三天的變形監(jiān)測點的坐標如下表1所示（PowerAdj的平差結果與此相同）。由表1可見，經(jīng)過10個多小時的靜態(tài)觀測和數(shù)據(jù)處理，GPS變形監(jiān)測值與位移真值的差異均小于mm，說明GPS確實具有監(jiān)測1mm變形信息的能力。而根據(jù)混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范之要求：即大壩壩頂水平位移的徑向位移量中誤差應2mm、切向位移量中誤差應1mm，可知變形監(jiān)測點的單次測量坐標中誤差應為: 徑向1.4mm、切向0.7mm。為了留有一定的精度富裕，本試驗擬采用dx1.0mm，dy1.0mm作為GPS大壩變形監(jiān)測的精度指標并進行施測方案的可行

10、性研究（具體應用中可通過合理的基準網(wǎng)網(wǎng)形設計將切向誤差控制在0.7mm之內）。表1 各時段的監(jiān)測點的平差坐標 （單位：mm）點名北向位移東向位移監(jiān)測值dx與真值之差異dx監(jiān)測位移dy與真值之差異dyJC04-JC141.7-0.30.50.5JC244.4-0.60.70.7注：表中JC14和JC24的北向位移真值分別為2mm和5mm, 東西向位移真值均為0。4.3.2 截止高度角的比較 分別選用15，20，25截止高度角對各天的觀測時段進行了計算，除截止高度角有所差異外，其它解算參數(shù)同4.3.1。算得的不同截止高度角下的監(jiān)測結果如下表2。表2 不同截止高度角下的監(jiān)測結果 （單位：mm）高度角

11、監(jiān)測點號dxdxdydy15JC141.5-0.50.70.7JC244.1-0.90.90.920JC141.7-0.30.50.5JC244.4-0.60.70.725JC142.30.30.20.2JC244.6-0.40.60.6由表2可見，隨著高度角的增加，平面監(jiān)測精度會有所提高，但考慮到截止高度角過高時觀測數(shù)據(jù)會相應減少，因而在真正的大壩變形監(jiān)測應用中，建議采用20的截止高度角進行數(shù)據(jù)處理。4.3.3 觀測時段長度的比較選擇模擬網(wǎng)各時段的前2小時、前3小時和前6小時進行不同觀測時段長度的對比計算（解算方案同4.3.1），算得的不同時段長度對監(jiān)測結果如下表3。表3 不同時段長度的監(jiān)測

12、結果 （單位：mm）時段長度監(jiān)測點號dxdxdydy2小時JC142.40.40.20.2JC244.3-0.7-0.9-0.93小時JC141.5-0.50.00.0JC244.5-0.5-0.1-0.16小時JC141.9-0.10.20.2JC244.3-0.7-0.3-0.3由表3可見，監(jiān)測精度會隨時段長度增長而有所提高，但2小時的觀測基本上沒有太多精度富裕，3小時的靜態(tài)雙頻GPS觀測才有可能保證達到1.0mm的精度需求。4.3.4 對流層延遲參數(shù)的估計問題 本次模擬試驗網(wǎng)的GPS基線長均小于2km，在對23小時的GPS觀測時段進行計算時發(fā)現(xiàn)：不進行對流層延遲參數(shù)估計所得到的平面監(jiān)測精

13、度要優(yōu)于進行對流層延遲參數(shù)估計的結果（這與基線較短，觀測期間基線兩端的測站對流層環(huán)境無太大差異且存在較強的相關性有關）。但在實際工程應用中，特別是基線加長，基線兩端的測站對流層環(huán)境差異較大時，建議應進行對流層延遲參數(shù)估計，具體水汽環(huán)境差異對大壩變形監(jiān)測的影響究竟如何尚需另行試驗測試。4.3.5 精密星歷的使用問題 目前，GPS衛(wèi)星播發(fā)的廣播星歷的星歷精度基本上在10m左右，由此星歷誤差引起的基線相對誤差仍將高達12ppm，因而GPS大壩變形監(jiān)測應用中不能使用此廣播星歷而必須使用精密星歷。國際GNSS服務組織（即IGS）目前通過Internet發(fā)布有三種免費精密星歷：即最終星歷（IGF）、快速星

14、歷（IGR）和超快星歷（IGU）。其中，最終星歷的精度最高（優(yōu)于5cm）,但其要在13天以后才能得到，因而其在實時大壩變形監(jiān)測應用中難以使用；快速星歷的精度雖然比最終星歷有所降低（位置精度優(yōu)于10cm），但其時延降為17h，對其進行軌道外推后所得到的外推軌道的精度基本上能控制在0.5m之內，完全可以滿足大壩變形監(jiān)測的需要；此外，超快星歷的更新率更高，為6h,每天UTC時間的3:00,9:00,15:00和21:00各發(fā)布1次，超快星歷文件中共包括48h的軌道信息，前24小時的軌道信息是利用IGS跟蹤站的觀測資料計算得到的真實軌道（精度在10cm之內），后24小時的軌道信息是外推預報的結果（其精

15、度在2050cm之間，與IGR外推軌道的精度基本相當），也能滿足大壩變形監(jiān)測的需要。但值得注意的是無論IGR軌道外推還是IGU中的外推軌道都是預報軌道，其與衛(wèi)星的真實運行情況會有所差異，在具體應用中應特別注意及時對異常衛(wèi)星和不健康衛(wèi)星進行探測和處理（如剔除異常衛(wèi)星或對不健康衛(wèi)星進行降權處理等）。5 結論與建議（1）GPS大壩監(jiān)測精度會隨時段長度的增加而提高，使用精密星歷和3小時的靜態(tài)雙頻觀測就能發(fā)現(xiàn)1.0mm的平面變形；（2）當將截止高度角分別設為15，20和25時，GPS平面監(jiān)測精度會隨截止高度角的增加有所提高，但考慮到低高度角時的多徑干擾大，觀測精度低，而高截止高度角又意味著觀測數(shù)據(jù)的減少，因而在大壩變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中，建議采用20的衛(wèi)星截止高度角；（3）基線較短且觀測時段在23h時，如果基線兩端的測站對流層環(huán)境差異不大，可以不估計對流層延遲改正參數(shù)；（4）GPS實時大壩變形監(jiān)測應用中不能使用廣播星歷而必須使用IGU或IGR外推星歷，但在具體應用中應及時對異常衛(wèi)星和不健康衛(wèi)星進行探測和處理。總之，只要選用良好的儀器設備和科學合理的觀測處理方案，GPS靜態(tài)定位技術應用于大壩變形監(jiān)測是完全可行的。參考文獻1李征航,劉志趙,王澤民.利用GPS定位技術進行大壩變形觀測的研究.武漢水利電力大學