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【專家解說】：GPS在變形監(jiān)測中的應用 摘要:綜述了GPS技術在變形監(jiān)測中應用的現(xiàn)狀、特點和作業(yè)方式,介紹了GPS變形監(jiān)測的自動 化系統(tǒng)以及一機多天線監(jiān)測系統(tǒng),對GPS在變形監(jiān)測中的廣泛應用具有重要意義。 關鍵詞:全球定位系統(tǒng);三維定位;周期性變形監(jiān)測;連續(xù)性變形監(jiān)測 近年來,隨著科學技術的發(fā)展和人民生活水平 的提高,人們對生產(chǎn)安全、生產(chǎn)效率的要求也越來 越高。如果仍然使用傳統(tǒng)測量方法,不僅工作量 大,而且定位精度也很難達到要求。GPS全球定位 系統(tǒng)作為一種全新的現(xiàn)代空間定位技術,逐漸取代 了常規(guī)的光學和電子測量儀器。它以全天候、全球 性、高精度、高速度、實時三維定位、誤差不隨定 位時間而積累等優(yōu)點博得了人們的青睞。目前,動 態(tài)差分定位技術實現(xiàn)了實時導航和定位功能,高精 密定位的相對精度可達10-9,使得GPS的應用更加 廣泛。 1 GPS在變形監(jiān)測中的應用現(xiàn)狀 經(jīng)過近十年的迅速發(fā)展,GPS觀測邊長相對精 度已經(jīng)能夠達到10-9,比傳統(tǒng)大地測量精度提高了 3個量級。GPS技術在變形監(jiān)測方面主要應用于以 下領域:首先,利用GPS技術解決了常規(guī)觀測中 需要多種觀測的問題,觀測結果能充分反映滑坡的 全方位活動性,是監(jiān)測滑坡變形、掌握滑坡發(fā)育規(guī) 律的切實可行的技術;其次,該技術可對大型建筑 物位移實時監(jiān)測,具有受外界影響小、自動化程度 高、速度快、精度較高等優(yōu)點,可以全天候測量被 測物體各測點的三維位移變化情況,找出被測物體 三維位移的特性規(guī)律,為大型建筑物的安全營運、 維修養(yǎng)護提供重要的參數(shù)和指導;第三,GPS精密 定位技術不僅可以滿足水庫大壩外觀變形監(jiān)測工作 的精度要求,而且有助于實現(xiàn)監(jiān)測工作的自動化[1]。 另外,GPS技術還應用于地面、海上勘探平臺及高 層建筑物等的沉陷觀測中。 2 GPS在變形監(jiān)測中的應用特點 1)測站間無需同時通視。對于傳統(tǒng)的地表變 形監(jiān)測方法,點之間只有通視才能進行觀測,而運 用GPS測量的一個顯著特點就是點之間無需保持通 視,只需保證測站上空開闊即可。 2)可同時提供監(jiān)測點的三維位移信息。在運 用傳統(tǒng)方法進行變形監(jiān)測時,平面位移和垂直位移 是采用不同方法分別進行監(jiān)測,這樣不僅監(jiān)測的周 期長、工作量大,而且監(jiān)測的時間和點位也很難保 持一致,為變形分析增加了難度。采用GPS可同時 精確測定監(jiān)測點的三維位移信息。 3)可以全天候監(jiān)測。GPS測量不受氣候條件 限制,不論起霧刮風還是雨雪天氣,均可正常監(jiān) 測,配備防雷電設施后,GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)便可實 現(xiàn)長期的全天候觀測。 4)監(jiān)測精度高。GPS可以提供1×10-6甚至更 高的相對定位精度[2]。 5)操作簡便,易于實現(xiàn)監(jiān)測自動化。GPS接 收機的自動化程度已越來越高,且體積越來越小, 重量越來越輕,便于安置和操作。同時,GPS接收 機為用戶準備了必要的接口,用戶可以較為方便地 利用各監(jiān)測點,建成無人值守的自動監(jiān)測系統(tǒng),實 現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析、報警到入庫的 全自動化。 6)GPS大地高用于垂直位移測量[3]。用于GPS 定位獲得的是大地高,而用戶需要的是正常高或正 高,它們之間有以下關系 式中,hz為大地高,Hd為正常高,ξ為高程異常,N 為大地水準面差距。 由于高程異常和大地水準面差距的確定精度較 低,從而導致轉換后的正常高或正高的精度差。但 是,在垂直位移監(jiān)測中,我們關心的只是高程的變 化,對于工程的局部范圍而言,完全可以用大地高 的變化來進行垂直位移監(jiān)測。 3 GPS用于變形監(jiān)測的作業(yè)方式 GPS用于變形監(jiān)測的作業(yè)方式可分為周期性和 連續(xù)性兩種模式[4]。 周期性變形監(jiān)測與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測網(wǎng)沒有多大 區(qū)別,因為有的變形體的變形極為緩慢,在局部時 間域內(nèi)可以認為是穩(wěn)定的,其監(jiān)測頻率有的是幾個 月,有的甚至長達幾年。此時,采用GPS靜態(tài)相對 定位法進行測量,數(shù)據(jù)處理與分析一般都在事后。 在周期性監(jiān)測方面,利用GPS技術的最大屏障還是 變形基準的選擇與確定。 連續(xù)性變形監(jiān)測指的是采用固定監(jiān)測儀器進行 長時間數(shù)據(jù)采集,獲得變形數(shù)據(jù)序列[5]。雖然連續(xù) 性變形監(jiān)測模式也是對測點進行重復性的觀測,但 其觀測數(shù)據(jù)是連續(xù)的,具有較高的時間分辨率。根 據(jù)變形體的不同特征,GPS連續(xù)性變形監(jiān)測可采用 靜態(tài)相對定位和動態(tài)相對定位兩種數(shù)據(jù)處理方法進 行觀測,一般要求變形響應的實時性,它對數(shù)據(jù)解 算和分析提出了更高要求。在動態(tài)監(jiān)測方面,我們 一般采用激光干涉儀測定建筑結構的振動特性,但 隨著建筑物高度的增加,以及連續(xù)性、實時性和自 動化監(jiān)測程度要求的提高,常規(guī)測量技術越來越受 到局限。GPS作為一種新方法,由于其硬件和軟件 的發(fā)展和完善,特別是高采樣率GPS接收機的出 現(xiàn),在動態(tài)特性和變形監(jiān)測方面已表現(xiàn)出獨特的優(yōu) 越性。 4 GPS變形監(jiān)測自動化系統(tǒng) GPS變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳 輸、數(shù)據(jù)處理三部分組成[2]。下面以隔河巖水庫大 壩外觀變形GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)為例進行分析。隔 河巖水電站的大壩為三圓心變截面重力拱壩,壩長 653 m,壩高151 m[6]。 4.1數(shù)據(jù)采集 GPS數(shù)據(jù)采集分基準點和監(jiān)測點兩部分,由7 臺Ashtech Z-12GPS接收機組成。為提高大壩監(jiān)測 的精度和可靠性,大壩監(jiān)測基準點宜選兩個,分別 位于大壩兩岸,點位地質條件好、點位穩(wěn)定且能滿 足GPS觀測條件;監(jiān)測點要能反映大壩變形,并能 滿足GPS觀測條件。根據(jù)以上原則,隔河巖大壩外 觀變形GPS監(jiān)測系統(tǒng)基準點為3個(GPS1,GPS2, GPS數(shù)據(jù)采集器),監(jiān)測點為5個(GPS3~GPS7)。 4.2數(shù)據(jù)傳輸 根據(jù)現(xiàn)場條件,GPS數(shù)據(jù)傳輸采用有線(壩面 監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù))和無線(基準點觀測數(shù)據(jù))相結 合的方法[7]。 4.3 GPS數(shù)據(jù)處理分析和管理 整個系統(tǒng)7臺GPS接收機需要在1年中連續(xù)觀 測,并將實時觀測資料傳輸至控制中心進行處理、 分析、存儲,系統(tǒng)反應時間小于10 min(即從每臺 GPS接收機傳輸數(shù)據(jù)開始,到處理、分析、變形顯 示為止,所需時間小于10 min)。為此,必須建立 一個局域網(wǎng)和一個完善的軟件管理、監(jiān)控系統(tǒng)。 整個系統(tǒng)全自動,應用廣播星歷1 h~2 h,GPS 觀測資料解算的監(jiān)測點位水平精度優(yōu)于1.5 mm(相 對于基準點),垂直精度優(yōu)于1.5 mm(相對于基準 點);應用廣播星歷6 h后,GPS觀測資料解算水平 精度優(yōu)于1 mm(相對于基準點),垂直精度優(yōu)于1 mm(相對于基準點)。GPS數(shù)據(jù)處理分析和管理見 圖1。 5 GPS一機多天線監(jiān)測系統(tǒng) GPS一機多天線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括GPS多天線 控制器、天線陣列組、傳輸系統(tǒng)(包括信號放大 器)、供電系統(tǒng)、基準站系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理等模塊[8]。 一機多天線控制器的硬件部分由具有多通道的微波 開關、相應的微波開關控制電路、1臺GPS接收機 以及相應的處理芯片組成。GPS多天線控制器的供 電為交流、直流兩用,還可以外接太陽能、風能發(fā) 電等,非常適合在壩區(qū)的惡劣環(huán)境中使用。 與傳統(tǒng)的GPS監(jiān)測方案相比,采用GPS一機 多天線監(jiān)測系統(tǒng)后,由于每個監(jiān)測點不必設專門的 接收機,所需的雙頻GPS接收機將大大減少,整個 系統(tǒng)的造價也隨之下降。但GPS一機多天線監(jiān)測系 統(tǒng)并沒有因為系統(tǒng)造價降低而降低監(jiān)測的精度[9]。 同時,多天線監(jiān)測系統(tǒng)的方案還有一些獨特優(yōu)點, 如比常規(guī)GPS監(jiān)測方法的測點布設更為靈活,系統(tǒng) 維護和升級更為簡單,因此,應用前景十分廣闊。 6結論 綜上所述,GPS技術以其全天候、高精度、高 速度、實時三維定位、誤差不隨定位時間而積累、 高自動化等特點優(yōu)于傳統(tǒng)的測量技術,對于變形監(jiān) 測是一種非常有效的方法。特別是在大型工程中應 用一機多天線監(jiān)測系統(tǒng),不但能大幅度降低成本, 而且其精度不會降低,既提高了工作效率,又節(jié)省 了大量的人力和物力。 參考文獻: [1]徐紹銓,張華海,楊志強,等.GPS測量原理及應用[M].武 漢:武漢大學出版社,2003:86-98. [2]黃聲享,尹暉,蔣征.變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學 出版社,2003:121-134. [3]周忠謨,易杰軍.GPS衛(wèi)星測量原理與應用[M].北京:測繪 出版社,1992:35-52. [4]陳永奇,吳子安,吳中如.變形監(jiān)測分析與預報[M].北京:測 繪出版社,1998:54-55. [5]王儂,過靜珺.現(xiàn)代普通測量學[M].北京:清華大學出版社, 2001:80-95. [6]楊光,何秀鳳,侯新華,等.GPS多天線大壩形變監(jiān)測系統(tǒng)研 究[J].測繪通報,2003,48(3):65-67. [7]岳建平,華錫生.GPS在大壩變形監(jiān)測中的應用[J].大壩觀 測與土工測,1996,17(3):96-98. [8]孫永榮,陳武,丁曉莉,等.GPS多天線系統(tǒng)研究[J].儀器儀 表學報,2002,17(4):81-84. [9]吉星升,董軍,盧秀山.GPS技術在工程測量中應用現(xiàn)狀及 其局限性[J].山東科技大學學報:自然科學版,2001,3(5): 52-55.