探討GPS測量在變形監(jiān)測中的運(yùn)用

1、探討GPS測量在變形監(jiān)測中的運(yùn)用    摘要：GPS測量技術(shù)以其測站點(diǎn)之間無需通視、全天候觀測、提供三維信息、測量范圍大等特點(diǎn)在社會(huì)各領(lǐng)域中被廣泛使用。本文結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)，探討GPS測量在變形監(jiān)測中的運(yùn)用。 關(guān)鍵詞：GPS；變形監(jiān)測；測量 中圖分類號(hào)：P228.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 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(duì)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。GPS測量技術(shù)以其測

2、站點(diǎn)之間無需通視、全天候觀測、提供三維信息、測量范圍大等特點(diǎn)，已成為現(xiàn)代測量的主要技術(shù)手段。 GPS不需要各種點(diǎn)（基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)）之間通視，測量范圍也不受限制，同時(shí)具有高速數(shù)據(jù)采樣率，使其在工程變形監(jiān)測方面，具有獨(dú)特測量優(yōu)勢。比如對(duì)于滑坡體較大通視條件差或大的露天礦邊坡，很難找到通視的基準(zhǔn)點(diǎn)，采用GPS監(jiān)測時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)就可以選在遠(yuǎn)離變形區(qū)，而不是否通視。對(duì)于海上勘探平臺(tái)沉陷監(jiān)測、城市地面沉陷監(jiān)測，采用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測量方法無法實(shí)現(xiàn)或作業(yè)強(qiáng)度很大，采用GPS可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可以直接利用大地高計(jì)算沉陷量，使觀測結(jié)果的精度不受損失。利用GPS數(shù)據(jù)的高采樣率，可用于高聳建筑物的風(fēng)振監(jiān)測、橋梁的振動(dòng)監(jiān)測

3、，尤其是5公里以上特長橋梁。 1. GPS變形監(jiān)測作業(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。當(dāng)變形體的變形速率相當(dāng)緩慢，在局部時(shí)間域和空間域內(nèi)可以認(rèn)為穩(wěn)定不動(dòng)時(shí)，可利用GPS進(jìn)行周期性變形監(jiān)測，監(jiān)測頻率視具體情況可為數(shù)月、一年或甚至更長時(shí)間。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(shí)間的數(shù)據(jù)采集，獲得變形數(shù)據(jù)系列，此時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)是連續(xù)的，具有較高的時(shí)間分辨率。 周期性模式采用GPS靜態(tài)相對(duì)定位的測量方法。該測量模式成本低，一般監(jiān)測采用該模式。比如目前三峽庫區(qū)滑坡、李家峽水電站滑坡，龍羊峽水庫近岸滑坡等監(jiān)測工程中均采用該模式。 連續(xù)性監(jiān)測模式，對(duì)自動(dòng)化要求高，數(shù)據(jù)采集周

4、期短的監(jiān)測項(xiàng)目采用。對(duì)于衛(wèi)星觀測條件好的監(jiān)測工程，比如橋梁、高層建筑物等的動(dòng)態(tài)監(jiān)測中，GPS正逐漸取代加速度計(jì)、激光干涉儀等動(dòng)態(tài)監(jiān)測設(shè)備。在虎門大橋、深圳帝王大廈、隔河巖大壩外觀變形監(jiān)測均采用該模式。該模式可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)的連續(xù)觀測，使監(jiān)測工作實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，使監(jiān)測、監(jiān)控、決策實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，建立無人值守的監(jiān)測系統(tǒng)。由于該模式要求GPS接受設(shè)備必須永久固定在變形點(diǎn)成本較高。另外，根據(jù)變形體的不同特征，GPS連續(xù)性監(jiān)測可采用靜態(tài)相對(duì)定位和動(dòng)態(tài)相對(duì)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(shí)性。 為解決限制連續(xù)性監(jiān)測模式應(yīng)用的高成本，香港理工大學(xué)、河海大學(xué)的專家開始提出和研究基于一機(jī)多天線的

5、自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)。利用若干GPS天線和具有若干通道的微波開關(guān)，相應(yīng)的微波開關(guān)控制電路及1臺(tái)GPS接收機(jī)組成一機(jī)多天線系統(tǒng)。最新系統(tǒng)將控制電路板、GPS接收機(jī)（OEM）板集成在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中。 2. GPS在變形監(jiān)測中的測量方法 根據(jù)監(jiān)測對(duì)象及要求不同，GPS在變形監(jiān)測中可采用的測量方法分為靜態(tài)測量法、快速靜態(tài)測量法和動(dòng)態(tài)測量法三種。 靜態(tài)測量法是把多于3臺(tái)GPS接收機(jī)同時(shí)安置在各觀測點(diǎn)上同步觀測一定時(shí)段，一般為1小時(shí)2小時(shí)不等，構(gòu)網(wǎng)用后處理軟件解算基線，平差計(jì)算求觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。靜態(tài)測量法精度高，一般水平精度優(yōu)于3mm，垂直精度優(yōu)于5mm。比如，隔河巖大壩應(yīng)用廣播星歷12小時(shí)觀測資料解算監(jiān)測

6、點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的水平精度優(yōu)于1.5mm，垂直精度優(yōu)于1.5mm；6小時(shí)資料解算水平精度優(yōu)于1mm，垂直精度優(yōu)于1mm6。GPS基準(zhǔn)網(wǎng)，一般應(yīng)采用靜態(tài)測量方法，當(dāng)基準(zhǔn)網(wǎng)的邊長超過10km，要考慮基準(zhǔn)網(wǎng)的起算點(diǎn)與國際IGS站聯(lián)測，基線向量解算時(shí)采用精密星歷，以提高基線解算的精度。 快速靜態(tài)測量法，適用于對(duì)監(jiān)測點(diǎn)的觀測。方法是把兩臺(tái)GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)點(diǎn)上固定不動(dòng)連續(xù)觀測，另1臺(tái)以上GPS接收機(jī)在監(jiān)測點(diǎn)上移動(dòng)，每次觀測510分鐘(采樣間隔為2秒)，經(jīng)事后處理，解算出各監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。若基準(zhǔn)點(diǎn)至監(jiān)測點(diǎn)的距離在3公里范圍之內(nèi)，監(jiān)測精度為水平位移±3mm±5mm，垂直位移±

7、;5mm±8mm。若距離大于3公里，水平精度為5mm+1ppmD，垂直精度為8mm+1ppmD。由于快速靜態(tài)測量法測量時(shí)間短，選擇最佳觀測時(shí)間段對(duì)保證觀測精度至關(guān)重要。 動(dòng)態(tài)測量法又分準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測量法和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量方法。 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測量法，把一臺(tái)GPS接收機(jī)安置在一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)上，另一臺(tái)GPS接收機(jī)先在另一基準(zhǔn)點(diǎn)上觀測5分鐘(采樣間隔為1秒)，在保持對(duì)所測衛(wèi)星連續(xù)跟蹤而不失鎖的情況下，在各監(jiān)測點(diǎn)上停留210秒鐘。經(jīng)事后處理，精度可達(dá)12cm。 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量方法又叫RTK方法，是以載波相位觀測量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS測量技術(shù)。其原理是在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測

8、，并將觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)的發(fā)送給在各監(jiān)測點(diǎn)上移動(dòng)觀測（13秒鐘）的GPS接收機(jī)，移動(dòng)GPS接收機(jī)在接收GPS信號(hào)同時(shí)，通過無線電接收設(shè)備接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，再根據(jù)差分定位原理，實(shí)時(shí)計(jì)算出監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo)及精度，精度可達(dá)25cm。如果距離近，基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)有5顆以上共視GPS衛(wèi)星，精度可達(dá)12cm。GPS RTK最快可達(dá)110Hz速率輸出定位結(jié)果；虎門大橋在惡劣氣候條件下，如大風(fēng)大雨大霧等進(jìn)行測量，測量精度可達(dá)1厘米這是常規(guī)手段無法獲得的。測量結(jié)果輸出頻率110Hz，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)三維坐標(biāo)，和振動(dòng)頻率。 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需要選擇。 3. GPS監(jiān)測技術(shù)的不足 GPS在高

9、山峽谷、地下、建筑物密集地區(qū)和密林深處，由于衛(wèi)星信號(hào)被遮擋及多路徑效應(yīng)的影響，其監(jiān)測精度和可靠性不高或無法進(jìn)行監(jiān)測1。比如，在滑坡體的變形監(jiān)測中，監(jiān)測點(diǎn)的位置通常是由地質(zhì)人員根據(jù)滑坡、斷層的地質(zhì)構(gòu)造和受力情況而定，測量人員的選擇余地不大，變形監(jiān)測點(diǎn)的觀測條件欠佳，視場狹窄，大量衛(wèi)星被山坡遮擋，多路徑誤差較為嚴(yán)重。 GPS用于動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測時(shí)，由于GPS動(dòng)態(tài)測量的精度只能達(dá)到厘米級(jí)，而監(jiān)測點(diǎn)在很短時(shí)間內(nèi)的變形是微小的，表現(xiàn)為一種弱信號(hào)，GPS測量誤差成為強(qiáng)噪聲，如何從受強(qiáng)噪聲干擾的序列觀測數(shù)據(jù)中提取微弱的特征信息，是GPS動(dòng)態(tài)監(jiān)測應(yīng)解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。 GPS與一般全站儀、測斜儀等監(jiān)測設(shè)備相比

10、，設(shè)備成本較高，一般要3臺(tái)以上GPS接收機(jī)。 GPS誤差源多，與傳統(tǒng)大地測量手段相比，GPS定位結(jié)果和觀測值之間的函數(shù)關(guān)系要復(fù)雜得多，誤差源也要多得多。在GPS定位中基準(zhǔn)站與變形監(jiān)測點(diǎn)之間的坐標(biāo)差是依據(jù)兩站的載波相位觀測值和衛(wèi)星星歷經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算后求得的，定位結(jié)果受衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、對(duì)流層延遲、電離層延遲、多路徑誤差、接收機(jī)的測量噪聲以及數(shù)據(jù)處理軟件本身的質(zhì)量等多種因素的影響。在數(shù)據(jù)處理過程中還將涉及周跳的探測及修復(fù)、整周模糊度的確定等一系列問題。其中任一環(huán)節(jié)處理不好都將影響最終的監(jiān)測精度。此外接收機(jī)天線相位中心的不夠穩(wěn)定也是影響監(jiān)測精度的一個(gè)重要原因。 6結(jié)論 綜上所述，GPS監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)在雖然還有些不足，但GPS技術(shù)以其全天候、高精度、高速度、實(shí)時(shí)三維定位、誤差不隨定位時(shí)間而積