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【专家解说】：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。 参考文献: [1]徐绍铨,张华海,杨志强,等.GPS测量原理及应用[M].武 汉:武汉大学出版社,2003:86-98. [2]黄声享,尹晖,蒋征.变形监测数据处理[M].武汉:武汉大学 出版社,2003:121-134. [3]周忠谟,易杰军.GPS卫星测量原理与应用[M].北京:测绘 出版社,1992:35-52. [4]陈永奇,吴子安,吴中如.变形监测分析与预报[M].北京:测 绘出版社,1998:54-55. [5]王侬,过静珺.现代普通测量学[M].北京:清华大学出版社, 2001:80-95. [6]杨光,何秀凤,侯新华,等.GPS多天线大坝形变监测系统研 究[J].测绘通报,2003,48(3):65-67. [7]岳建平,华锡生.GPS在大坝变形监测中的应用[J].大坝观 测与土工测,1996,17(3):96-98. [8]孙永荣,陈武,丁晓莉,等.GPS多天线系统研究[J].仪器仪 表学报,2002,17(4):81-84. [9]吉星升,董军,卢秀山.GPS技术在工程测量中应用现状及 其局限性[J].山东科技大学学报:自然科学版,2001,3(5): 52-55.