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GPS在變形監測中的應用摘要:綜述了GPS技術在變形監測中應用的現狀、特點和作業方式,介紹了GPS變形監測的自動 化系統以及一機多天線監測系統,對GPS在變形監測中的廣泛應用具有重要意義。 關鍵詞:全球定位系統;三維定位;周期性變形監測;連續性變形監測 近年來,隨著科學技術的發展和人民生活水平 的提高,人們對生產安全、生產效率的要求也越來 越高。如果仍然使用傳統測量方法,不僅工作量 大,而且定位精度也很難達到要求。GPS全球定位 系統作為一種全新的現代空間定位技術,逐漸取代 了常規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 位時間而積累等優點博得了人們的青睞。目前,動 態差分定位技術實現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在變形監測中的應用現狀 經過近十年的迅速發展,GPS觀測邊長相對精 度已經能夠達到10-9,比傳統大地測量精度提高了 3個量級。GPS技術在變形監測方面主要應用于以 下領域:首先,利用GPS技術解決了常規觀測中 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,是監測滑坡變形、掌握滑坡發育規 律的切實可行的技術;其次,該技術可對大型建筑 物位移實時監測,具有受外界影響小、自動化程度 高、速度快、精度較高等優點,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 三維位移的特性規律,為大型建筑物的安全營運、 維修養護提供重要的參數和指導;第三,GPS精密 定位技術不僅可以滿足水庫大壩外觀變形監測工作 的精度要求,而且有助于實現監測工作的自動化[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在變形監測中的應用特點 1)測站間無需同時通視。對于傳統的地表變 形監測方法,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)可同時提供監測點的三維位移信息。在運 用傳統方法進行變形監測時,平面位移和垂直位移 是采用不同方法分別進行監測,這樣不僅監測的周 期長、工作量大,而且監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 精確測定監測點的三維位移信息。 3)可以全天候監測。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 測,配備防雷電設施后,GPS變形監測系統便可實 現長期的全天候觀測。 4)監測精度高。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,易于實現監測自動化。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 利用各監測點,建成無人值守的自動監測系統,實 現從數據采集、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測。3 GPS用于變形監測的作業方式 GPS用于變形監測的作業方式可分為周期性和 連續性兩種模式[4]。 周期性變形監測與傳統的變形監測網沒有多大 區別,因為有的變形體的變形極為緩慢,在局部時 間域內可以認為是穩定的,其監測頻率有的是幾個 月,有的甚至長達幾年。此時,采用GPS靜態相對 定位法進行測量,數據處理與分析一般都在事后。 在周期性監測方面,利用GPS技術的最大屏障還是 變形基準的選擇與確定。 連續性變形監測指的是采用固定監測儀器進行 長時間數據采集,獲得變形數據序列[5]。雖然連續 性變形監測模式也是對測點進行重復性的觀測,但 其觀測數據是連續的,具有較高的時間分辨率。根 據變形體的不同特征,GPS連續性變形監測可采用 靜態相對定位和動態相對定位兩種數據處理方法進 行觀測,一般要求變形響應的實時性,它對數據解 算和分析提出了更高要求。在動態監測方面,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,以及連續性、實時性和自 動化監測程度要求的提高,常規測量技術越來越受 到局限。GPS作為一種新方法,由于其硬件和軟件 的發展和完善,特別是高采樣率GPS接收機的出 現,在動態特性和變形監測方面已表現出獨特的優 越性。 4 GPS變形監測自動化系統 GPS變形監測自動化系統由數據采集、數據傳 輸、數據處理三部分組成[2]。下面以隔河巖水庫大 壩外觀變形GPS自動化監測系統為例進行分析。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數據采集 GPS數據采集分基準點和監測點兩部分,由7 臺Ashtech Z-12GPS接收機組成。為提高大壩監測 的精度和可靠性,大壩監測基準點宜選兩個,分別 位于大壩兩岸,點位地質條件好、點位穩定且能滿 足GPS觀測條件;監測點要能反映大壩變形,并能 滿足GPS觀測條件。根據以上原則,隔河巖大壩外 觀變形GPS監測系統基準點為3個(GPS1,GPS2, GPS數據采集器),監測點為5個(GPS3～GPS7)。 4.2數據傳輸 根據現場條件,GPS數據傳輸采用有線(壩面 監測點觀測數據)和無線(基準點觀測數據)相結 合的方法[7]。4.3 GPS數據處理分析和管理 整個系統7臺GPS接收機需要在1年中連續觀 測,并將實時觀測資料傳輸至控制中心進行處理、 分析、存儲,系統反應時間小于10 min(即從每臺 GPS接收機傳輸數據開始,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 一個局域網和一個完善的軟件管理、監控系統。 整個系統全自動,應用廣播星歷1 h～2 h,GPS 觀測資料解算的監測點位水平精度優于1.5 mm(相 對于基準點),垂直精度優于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 精度優于1 mm(相對于基準點),垂直精度優于1 mm(相對于基準點)。GPS數據處理分析和管理見 圖1。 5 GPS一機多天線監測系統 GPS一機多天線監測系統主要包括GPS多天線 控制器、天線陣列組、傳輸系統(包括信號放大 器)、供電系統、基準站系統和數據處理等模塊[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 電等,非常適合在壩區的惡劣環境中使用。 與傳統的GPS監測方案相比,采用GPS一機 多天線監測系統后,由于每個監測點不必設專門的 接收機,所需的雙頻GPS接收機將大大減少,整個 系統的造價也隨之下降。但GPS一機多天線監測系 統并沒有因為系統造價降低而降低監測的精度[9]。 同時,多天線監測系統的方案還有一些獨特優點, 如比常規GPS監測方法的測點布設更為靈活,系統 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、 高自動化等特點優于傳統的測量技術,對于變形監 測是一種非常有效的方法。特別是在大型工程中應 用一機多天線監測系統,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.變形監測數據處理[M].武漢:武漢大學 出版社,2003:121-134. [3]周忠謨,易杰軍.GPS衛星測量原理與應用[M].北京:測繪 出版社,1992:35-52. [4]陳永奇,吳子安,吳中如.變形監測分析與預報[M].北京:測 繪出版社,1998:54-55. [5]王儂,過靜珺.現代普通測量學[M].北京:清華大學出版社, 2001:80-95. [6]楊光,何秀鳳,侯新華,等.GPS多天線大壩形變監測系統研 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.

回答者：lianghohngxa2016-06-08 00:00