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【專家解說】：GPS在變形監(jiān)測中的應(yīng)用 摘要:綜述了GPS技術(shù)在變形監(jiān)測中應(yīng)用的現(xiàn)狀、特點(diǎn)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(jī)多天線監(jiān)測系統(tǒng),對GPS在變形監(jiān)測中的廣泛應(yīng)用具有重要意義。 關(guān)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(xué)技術(shù)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(dá)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(shù),逐漸取代 了常規(guī)的光學(xué)和電子測量儀器。它以全天候、全球 性、高精度、高速度、實(shí)時三維定位、誤差不隨定 位時間而積累等優(yōu)點(diǎn)博得了人們的青睞。目前,動 態(tài)差分定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時導(dǎo)航和定位功能,高精 密定位的相對精度可達(dá)10-9,使得GPS的應(yīng)用更加 廣泛。 1 GPS在變形監(jiān)測中的應(yīng)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(dá)到10-9,比傳統(tǒng)大地測量精度提高了 3個量級。GPS技術(shù)在變形監(jiān)測方面主要應(yīng)用于以 下領(lǐng)域:首先,利用GPS技術(shù)解決了常規(guī)觀測中 需要多種觀測的問題,觀測結(jié)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(shí)可行的技術(shù);其次,該技術(shù)可對大型建筑 物位移實(shí)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(diǎn),可以全天候測量被 測物體各測點(diǎn)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(yùn)、 維修養(yǎng)護(hù)提供重要的參數(shù)和指導(dǎo);第三,GPS精密 定位技術(shù)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(shí)現(xiàn)監(jiān)測工作的自動化[1]。 另外,GPS技術(shù)還應(yīng)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(yīng)用特點(diǎn) 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(diǎn)之間只有通視才能進(jìn)行觀測,而運(yùn) 用GPS測量的一個顯著特點(diǎn)就是點(diǎn)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(diǎn)的三維位移信息。在運(yùn) 用傳統(tǒng)方法進(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(fēng)還是雨雪天氣,均可正常監(jiān) 測,配備防雷電設(shè)施后,GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)便可實(shí) 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(shí)現(xiàn)監(jiān)測自動化。GPS接 收機(jī)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(jī)為用戶準(zhǔn)備了必要的接口,用戶可以較為方便地 利用各監(jiān)測點(diǎn),建成無人值守的自動監(jiān)測系統(tǒng),實(shí) 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(guān)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(zhǔn)面差距。 由于高程異常和大地水準(zhǔn)面差距的確定精度較 低,從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)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(guān)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(jìn)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?yàn)橛械淖冃误w的變形極為緩慢,在局部時 間域內(nèi)可以認(rèn)為是穩(wěn)定的,其監(jiān)測頻率有的是幾個 月,有的甚至長達(dá)幾年。此時,采用GPS靜態(tài)相對 定位法進(jìn)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(shù)的最大屏障還是 變形基準(zhǔn)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(jìn)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(diǎn)進(jìn)行重復(fù)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(jìn) 行觀測,一般要求變形響應(yīng)的實(shí)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(jié)構(gòu)的振動特性,但 隨著建筑物高度的增加,以及連續(xù)性、實(shí)時性和自 動化監(jiān)測程度要求的提高,常規(guī)測量技術(shù)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(jī)的出 現(xiàn),在動態(tài)特性和變形監(jiān)測方面已表現(xiàn)出獨(dú)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(jìn)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(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)兩部分,由7 臺Ashtech Z-12GPS接收機(jī)組成。為提高大壩監(jiān)測 的精度和可靠性,大壩監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)宜選兩個,分別 位于大壩兩岸,點(diǎn)位地質(zhì)條件好、點(diǎn)位穩(wěn)定且能滿 足GPS觀測條件;監(jiān)測點(diǎn)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(zhǔn)點(diǎn)為3個(GPS1,GPS2, GPS數(shù)據(jù)采集器),監(jiān)測點(diǎn)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(diǎn)觀測數(shù)據(jù))和無線(基準(zhǔn)點(diǎn)觀測數(shù)據(jù))相結(jié) 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(jī)需要在1年中連續(xù)觀 測,并將實(shí)時觀測資料傳輸至控制中心進(jìn)行處理、 分析、存儲,系統(tǒng)反應(yīng)時間小于10 min(即從每臺 GPS接收機(jī)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(yīng)用廣播星歷1 h～2 h,GPS 觀測資料解算的監(jiān)測點(diǎn)位水平精度優(yōu)于1.5 mm(相 對于基準(zhǔn)點(diǎn)),垂直精度優(yōu)于1.5 mm(相對于基準(zhǔn) 點(diǎn));應(yīng)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(zhǔn)點(diǎn)),垂直精度優(yōu)于1 mm(相對于基準(zhǔn)點(diǎn))。GPS數(shù)據(jù)處理分析和管理見 圖1。 5 GPS一機(jī)多天線監(jiān)測系統(tǒng) GPS一機(jī)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(zhǔn)站系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理等模塊[8]。 一機(jī)多天線控制器的硬件部分由具有多通道的微波 開關(guān)、相應(yīng)的微波開關(guān)控制電路、1臺GPS接收機(jī) 以及相應(yīng)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(fēng)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(jī) 多天線監(jiān)測系統(tǒng)后,由于每個監(jiān)測點(diǎn)不必設(shè)專門的 接收機(jī),所需的雙頻GPS接收機(jī)將大大減少,整個 系統(tǒng)的造價也隨之下降。但GPS一機(jī)多天線監(jiān)測系 統(tǒng)并沒有因?yàn)橄到y(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(dú)特優(yōu)點(diǎn), 如比常規(guī)GPS監(jiān)測方法的測點(diǎn)布設(shè)更為靈活,系統(tǒng) 維護(hù)和升級更為簡單,因此,應(yīng)用前景十分廣闊。 6結(jié)論 綜上所述,GPS技術(shù)以其全天候、高精度、高 速度、實(shí)時三維定位、誤差不隨定位時間而積累、 高自動化等特點(diǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的測量技術(shù),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(yīng) 用一機(jī)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(xiàn): [1]徐紹銓,張華海,楊志強(qiáng),等.GPS測量原理及應(yīng)用[M].武 漢:武漢大學(xué)出版社,2003:86-98. 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