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GPS在变形监测中的应用
摘要:综述了GPS技术在变形监测中应用的现状、特点和作业方式,介绍了GPS变形监测的自动
化系统以及一机多天线监测系统,对GPS在变形监测中的广泛应用具有重要意义。
关键词:全球定位系统;三维定位;周期性变形监测;连续性变形监测
近年来,随着科学技术的发展和人民生活水平
的提高,人们对生产安全、生产效率的要求也越来
越高。如果仍然使用传统测量方法,不仅工作量
大,而且定位精度也很难达到要求。GPS全球定位
系统作为一种全新的现代空间定位技术,逐渐取代
了常规的光学和电子测量仪器。它以全天候、全球
性、高精度、高速度、实时三维定位、误差不随定
位时间而积累等优点博得了人们的青睐。目前,动
态差分定位技术实现了实时导航和定位功能,高精
密定位的相对精度可达10-9,使得GPS的应用更加
广泛。
1 GPS在变形监测中的应用现状
经过近十年的迅速发展,GPS观测边长相对精
度已经能够达到10-9,比传统大地测量精度提高了
3个量级。GPS技术在变形监测方面主要应用于以
下领域:首先,利用GPS技术解决了常规观测中
需要多种观测的问题,观测结果能充分反映滑坡的
全方位活动性,是监测滑坡变形、掌握滑坡发育规
律的切实可行的技术;其次,该技术可对大型建筑
物位移实时监测,具有受外界影响小、自动化程度
高、速度快、精度较高等优点,可以全天候测量被
测物体各测点的三维位移变化情况,找出被测物体
三维位移的特性规律,为大型建筑物的安全营运、
维修养护提供重要的参数和指导;第三,GPS精密
定位技术不仅可以满足水库大坝外观变形监测工作
的精度要求,而且有助于实现监测工作的自动化[1]。
另外,GPS技术还应用于地面、海上勘探平台及高
层建筑物等的沉陷观测中。
2 GPS在变形监测中的应用特点
1)测站间无需同时通视。对于传统的地表变
形监测方法,点之间只有通视才能进行观测,而运
用GPS测量的一个显著特点就是点之间无需保持通
视,只需保证测站上空开阔即可。
2)可同时提供监测点的三维位移信息。在运
用传统方法进行变形监测时,平面位移和垂直位移
是采用不同方法分别进行监测,这样不仅监测的周
期长、工作量大,而且监测的时间和点位也很难保
持一致,为变形分析增加了难度。采用GPS可同时
精确测定监测点的三维位移信息。
3)可以全天候监测。GPS测量不受气候条件
限制,不论起雾刮风还是雨雪天气,均可正常监
测,配备防雷电设施后,GPS变形监测系统便可实
现长期的全天候观测。
4)监测精度高。GPS可以提供1×10-6甚至更
高的相对定位精度[2]。
5)操作简便,易于实现监测自动化。GPS接
收机的自动化程度已越来越高,且体积越来越小,
重量越来越轻,便于安置和操作。同时,GPS接收
机为用户准备了必要的接口,用户可以较为方便地
利用各监测点,建成无人值守的自动监测系统,实
现从数据采集、传输、处理、分析、报警到入库的
全自动化。
6)GPS大地高用于垂直位移测量[3]。用于GPS
定位获得的是大地高,而用户需要的是正常高或正
高,它们之间有以下关系
式中,hz为大地高,Hd为正常高,ξ为高程异常,N
为大地水准面差距。
由于高程异常和大地水准面差距的确定精度较
低,从而导致转换后的正常高或正高的精度差。但
是,在垂直位移监测中,我们关心的只是高程的变
化,对于工程的局部范围而言,完全可以用大地高
的变化来进行垂直位移监测。
3 GPS用于变形监测的作业方式
GPS用于变形监测的作业方式可分为周期性和
连续性两种模式[4]。
周期性变形监测与传统的变形监测网没有多大
区别,因为有的变形体的变形极为缓慢,在局部时
间域内可以认为是稳定的,其监测频率有的是几个
月,有的甚至长达几年。此时,采用GPS静态相对
定位法进行测量,数据处理与分析一般都在事后。
在周期性监测方面,利用GPS技术的最大屏障还是
变形基准的选择与确定。
连续性变形监测指的是采用固定监测仪器进行
长时间数据采集,获得变形数据序列[5]。虽然连续
性变形监测模式也是对测点进行重复性的观测,但
其观测数据是连续的,具有较高的时间分辨率。根
据变形体的不同特征,GPS连续性变形监测可采用
静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进
行观测,一般要求变形响应的实时性,它对数据解
算和分析提出了更高要求。在动态监测方面,我们
一般采用激光干涉仪测定建筑结构的振动特性,但
随着建筑物高度的增加,以及连续性、实时性和自
动化监测程度要求的提高,常规测量技术越来越受
到局限。GPS作为一种新方法,由于其硬件和软件
的发展和完善,特别是高采样率GPS接收机的出
现,在动态特性和变形监测方面已表现出独特的优
越性。
4 GPS变形监测自动化系统
GPS变形监测自动化系统由数据采集、数据传
输、数据处理三部分组成[2]。下面以隔河岩水库大
坝外观变形GPS自动化监测系统为例进行分析。隔
河岩水电站的大坝为三圆心变截面重力拱坝,坝长
653 m,坝高151 m[6]。
4.1数据采集
GPS数据采集分基准点和监测点两部分,由7
台Ashtech Z-12GPS接收机组成。为提高大坝监测
的精度和可靠性,大坝监测基准点宜选两个,分别
位于大坝两岸,点位地质条件好、点位稳定且能满
足GPS观测条件;监测点要能反映大坝变形,并能
满足GPS观测条件。根据以上原则,隔河岩大坝外
观变形GPS监测系统基准点为3个(GPS1,GPS2,
GPS数据采集器),监测点为5个(GPS3～GPS7)。
4.2数据传输
根据现场条件,GPS数据传输采用有线(坝面
监测点观测数据)和无线(基准点观测数据)相结
合的方法[7]。
4.3 GPS数据处理分析和管理
整个系统7台GPS接收机需要在1年中连续观
测,并将实时观测资料传输至控制中心进行处理、
分析、存储,系统反应时间小于10 min(即从每台
GPS接收机传输数据开始,到处理、分析、变形显
示为止,所需时间小于10 min)。为此,必须建立
一个局域网和一个完善的软件管理、监控系统。
整个系统全自动,应用广播星历1 h～2 h,GPS
观测资料解算的监测点位水平精度优于1.5 mm(相
对于基准点),垂直精度优于1.5 mm(相对于基准
点);应用广播星历6 h后,GPS观测资料解算水平
精度优于1 mm(相对于基准点),垂直精度优于1
mm(相对于基准点)。GPS数据处理分析和管理见
图1。
5 GPS一机多天线监测系统
GPS一机多天线监测系统主要包括GPS多天线
控制器、天线阵列组、传输系统(包括信号放大
器)、供电系统、基准站系统和数据处理等模块[8]。
一机多天线控制器的硬件部分由具有多通道的微波
开关、相应的微波开关控制电路、1台GPS接收机
以及相应的处理芯片组成。GPS多天线控制器的供
电为交流、直流两用,还可以外接太阳能、风能发
电等,非常适合在坝区的恶劣环境中使用。
与传统的GPS监测方案相比,采用GPS一机
多天线监测系统后,由于每个监测点不必设专门的
接收机,所需的双频GPS接收机将大大减少,整个
系统的造价也随之下降。但GPS一机多天线监测系
统并没有因为系统造价降低而降低监测的精度[9]。
同时,多天线监测系统的方案还有一些独特优点,
如比常规GPS监测方法的测点布设更为灵活,系统
维护和升级更为简单,因此,应用前景十分广阔。
6结论
综上所述,GPS技术以其全天候、高精度、高
速度、实时三维定位、误差不随定位时间而积累、
高自动化等特点优于传统的测量技术,对于变形监
测是一种非常有效的方法。特别是在大型工程中应
用一机多天线监测系统,不但能大幅度降低成本,
而且其精度不会降低,既提高了工作效率,又节省
了大量的人力和物力。
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