GPS在變形監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用

1、摘要變形監(jiān)測(cè)是按照一定的周期對(duì)變形體進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)以確定其形狀在空間位置隨時(shí)間的變化量，并利用觀測(cè)結(jié)果總結(jié)出變形規(guī)律從而監(jiān)測(cè)變形體的運(yùn)動(dòng).對(duì)并形體監(jiān)測(cè)有實(shí)時(shí)觀測(cè)和周期性觀測(cè)，如果變形體變形緩慢，一般選取周期性變形監(jiān)測(cè)，變形體有可能在壓力作用下瞬間發(fā)生變形，則使用需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。每一種變形體在變形過(guò)程中需要同時(shí)獲取大量相關(guān)數(shù)據(jù)，如果監(jiān)測(cè)環(huán)境惡劣、高溫、高壓或者工作人員不能直接到達(dá)，同時(shí)滿足在監(jiān)測(cè)過(guò)程中不能影響生產(chǎn)施工等眾多要求。傳統(tǒng)的測(cè)量方法觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)量大已經(jīng)不能滿足變形監(jiān)測(cè)的要求，GPS定位技術(shù)具有精度高、速度快、全天候，借助GPS數(shù)據(jù)解算軟件可同時(shí)獲得空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，已經(jīng)廣泛在變形監(jiān)測(cè)中

2、得到應(yīng)用。本文對(duì)變形監(jiān)測(cè)、GPS觀測(cè)原理、ashtechsolutions后處理軟件包的原理進(jìn)行了說(shuō)明，并借助分析GPS在某大壩獲得的兩期數(shù)據(jù)，用ashtech solutions后處理軟件包進(jìn)行對(duì)控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理平差解算，從而解算出觀測(cè)點(diǎn)的在WGS-84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，比較各個(gè)時(shí)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)，完成對(duì)此大壩的監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵字：變形監(jiān)測(cè) GPS技術(shù) ashtech solutions 后處理軟件包 ABSTRACTDeformation monitoring is observing the plasmodium repeatedly and periodically, to make sure t

3、he variation of its spatiallocation .and summarizes its deformation rules, deformation monitoring is classified by real-time monitoring and periodic monitoring, generically, if the process of deformation is slow, we choose periodic monitoring, if the plasmodium may deform momentarily, we choose real

4、-time monitoring. Every kind of monitoring need require lots of numbers ,traditional methods demand long time ,great work ,but has low work efficiency .even those ways cant work under the atmosphere of hyperthermia and hyperpiesia. This paper mainly introduces the theory of deformation that its not

5、access the workers. GPS positioning technology has many advantages, such as: high accuracy ,fast speed ,real-time, acquiring the 3D coordinates directly of spatial points, as a result ,it has been popularly applied in the filed of deformation monitoring. motion monitoring ,GPS observation ashtech so

6、lutions software, obtains the coordinates of spatial points in the WGS-84 coordinate with the help of data. Compare two periods observation data, and then finish the monitoring of dam.Keywords: deformation monitoring , GPS technology, ashtech solutions 1 概述隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)高質(zhì)量的大型橋梁、水電站的需求也日益增長(zhǎng)，

7、同時(shí)，我國(guó)已經(jīng)投入較大的人力、物力、財(cái)力修路筑橋，目前我國(guó)已是世界壩工大國(guó)，修建了8萬(wàn)多座壩，這些工程興利除害，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。我國(guó)由電力部門(mén)負(fù)責(zé)管理的130多座水電站大壩，從數(shù)量上看，雖然只占全國(guó)筑壩總數(shù)的很小一部分，但在國(guó)計(jì)民生中卻占有特別重要的地位，這些大壩的安全，不僅直接影響到水電站自身發(fā)、供電效益的發(fā)揮，并與下游人民的生命財(cái)產(chǎn)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)命脈乃至生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)。水電站大壩與世界上所有建筑物一樣，都有一個(gè)建成使用、漸趨老化直到消亡的過(guò)程，人們奮斗的目標(biāo)，就是要對(duì)這一過(guò)程實(shí)行有效的控制，延長(zhǎng)大壩的正常使用年限，避免大壩潰決失事造成巨大災(zāi)難。大壩潰決失事是一種突發(fā)性事件，

8、當(dāng)其發(fā)生時(shí)已無(wú)法挽回，但引起大壩潰決失事的原因，是有規(guī)律可尋的，多數(shù)大壩的潰決失事，是某些不安全因素由量變發(fā)展到質(zhì)變的結(jié)果。如何從大壩已經(jīng)發(fā)生的一些事故中，總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，及時(shí)采取對(duì)策，消除大壩的病害和隱患，防微杜漸，防患于未然，這是擺在廣大壩工建設(shè)和管理人員面前的重大課題。多事故的發(fā)生，也對(duì)我們經(jīng)濟(jì)和人民生命安全造成了威脅，同時(shí)，造成很大損失，因此，對(duì)壩體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。變形監(jiān)測(cè)方法主要有傳統(tǒng)的大地測(cè)量方法、特殊大地測(cè)量方法、攝影測(cè)量方法、智能全站儀、空間測(cè)量技術(shù)等，近年來(lái)，由于GPS具有勞動(dòng)量相對(duì)小、全天候、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地表的變形監(jiān)測(cè)，對(duì)于較小區(qū)域監(jiān)測(cè)，利用最

9、小二乘原理來(lái)估計(jì)或者通過(guò)基線向量的重復(fù)性來(lái)評(píng)定時(shí)程序較為常用，ashtech solutions 軟件恰好可以根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)用最小二乘算法，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)算、平差，并且結(jié)果滿足精度要求，在GPS數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用得到廣泛的研究。對(duì)不穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)，避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。1.1 研究目的和意義我國(guó)20世紀(jì)70年代河南板橋、石漫灘兩座水庫(kù)潰壩，給社會(huì)和人民帶來(lái)極大災(zāi)難；20世紀(jì)90年代青海溝后水庫(kù)潰壩，再次造成巨大損失。這3座水庫(kù)潰壩事件，留下了讓人們永遠(yuǎn)難忘的深刻教訓(xùn)。多年來(lái)，我國(guó)大、中型水電站大壩雖未發(fā)生潰壩失事，但重大工程事故卻多次出現(xiàn)，個(gè)別裝機(jī)容量較小的大壩，也曾潰決失事。現(xiàn)將196

10、1至1998年之間，水電站大壩發(fā)生的21起事故。前事不忘，后事之師，認(rèn)真分析這些事故的原因，從中吸取深刻教訓(xùn)，無(wú)疑是非常必要的。大多數(shù)事故與設(shè)計(jì)階段的失誤、施工過(guò)程遺留下的隱患 、運(yùn)行管理中的差錯(cuò)等因素有關(guān)。應(yīng)強(qiáng)化設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行全過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)和安全管理。對(duì)運(yùn)行中的大壩要堅(jiān)持實(shí)施定期檢查，及時(shí)維修加固和改造，認(rèn)真進(jìn)行安全注冊(cè)，嚴(yán)密制定汛期和低水位時(shí)的防范措施，加大科研力度和開(kāi)展險(xiǎn)情預(yù)計(jì)，以防止重大事故的突然發(fā)生。GPS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)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(cè)中需要多種觀測(cè)的問(wèn)題,觀測(cè)結(jié)果能充分反映滑坡的全方位活動(dòng)性,是監(jiān)測(cè)滑坡變形、掌握滑坡發(fā)育規(guī)律的切實(shí)可行的

11、技術(shù);其次,該技術(shù)可對(duì)大型建筑物位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),具有受外界影響小、自動(dòng)化程度高、速度快、精度較高等優(yōu)點(diǎn),可以全天候測(cè)量被測(cè)物體各測(cè)點(diǎn)的三維位移變化情況,找出被測(cè)物體三維位移的特性規(guī)律,為大型建筑物的安全營(yíng)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(kù)大壩外觀變形監(jiān)測(cè)工作的精度要求,而且有助于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)工作的自動(dòng)化。另外,GPS技術(shù)還應(yīng)用于地面、海上勘探平臺(tái)及高層建筑物等的沉陷觀測(cè)中。并實(shí)現(xiàn)在這些領(lǐng)域的中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)預(yù)報(bào)。1.2 GPS變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的背景在上世紀(jì)80年代末，當(dāng)人類(lèi)完全掌握運(yùn)用GPS人造衛(wèi)星技術(shù)后，許多大壩的安全工程師開(kāi)始逐漸重視GPS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)大型建筑物

12、的潛能。據(jù)有關(guān)報(bào)告，最早把這一系統(tǒng)應(yīng)用在變形觀測(cè)上的是瑞士的Naret大壩。這份研究報(bào)告指出，安裝在大壩將近5公里軸線上的固定永久GPS監(jiān)測(cè)儀器精度在水平距離上達(dá)到了毫米，垂直距離上的精度在1mm2mm之間。報(bào)告的作者也預(yù)言許多潛在的問(wèn)題能夠在長(zhǎng)期的運(yùn)用中得到解決。雖然作者短期的相關(guān)應(yīng)用分析不能揭示數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期分布，但仍然顯示了GPS獲取高精度的大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的價(jià)值。加利福尼亞南部的LosAngeles Countys Pacoima 大壩使用GPS監(jiān)測(cè)是在90年代中期。1929年建成的高達(dá)113m的Paconima 防洪大壩是當(dāng)時(shí)世界上最高的大壩。它已經(jīng)經(jīng)受住了1971年San Fernando

13、和1994年Northridge地震的嚴(yán)重破壞。大壩上布置了兩個(gè)GPS測(cè)點(diǎn)。一個(gè)安裝在大壩左肩止推座上混凝土操作間的屋頂上；另一個(gè)安裝在了距拱壩中心約100m的地方。還有一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)安裝在了距離大壩2.5km，高度高出大壩160m的山頂上。經(jīng)過(guò)處理三年來(lái)得到的數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)大壩拱頂每年都有一個(gè)沿上下游移動(dòng)的周期變化規(guī)律，運(yùn)動(dòng)幅度大約在15mm18mm之間。這組數(shù)據(jù)也使研究人員開(kāi)始分析大壩年周期運(yùn)動(dòng)與短期溫度變化之間的關(guān)系。Pacoima 大壩的報(bào)告也強(qiáng)調(diào)了GPS在大壩變形監(jiān)測(cè)中的重要性。我國(guó)首次在虎門(mén)大橋采用GPS RTK技術(shù)監(jiān)測(cè)橋梁的監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)變化。1.3 GPS在變形監(jiān)測(cè)中的研究現(xiàn)狀工程

14、變形監(jiān)測(cè)方法主要有常規(guī)大地測(cè)量方法、特殊大地測(cè)量方法、攝影測(cè)量方法、智能全站儀(測(cè)量機(jī)器人)、空間測(cè)量技術(shù)(如GPS技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)干技術(shù)(InSAR)等。近年來(lái)，合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)(InSAR)、GPS技術(shù)、激光掃描技術(shù)、布里淵散射光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)(BOTDR)、計(jì)算機(jī)層析成像(CT)技術(shù)等變形監(jiān)測(cè)新技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，并得到了廣泛應(yīng)用.基于GPS技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)理論與方法，是當(dāng)前廣泛采用的變形監(jiān)測(cè)新方法、新技術(shù)之一。GPS衛(wèi)星定位技術(shù)相比于傳統(tǒng)的測(cè)繪作業(yè)方法與模式有著顯著的特點(diǎn)和優(yōu)越性，其優(yōu)越的性能及廣泛的適用性，是常規(guī)測(cè)量作業(yè)難以比擬的。GPS以其全天候、高精度、高效率、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)

15、等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今極為重要的監(jiān)測(cè)手段之一。如今，GPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用與地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)，區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)，礦區(qū)、壩區(qū)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，橋梁大壩及其他大型工程形變監(jiān)測(cè)等諸多方面并取得了一系列成果，在實(shí)踐中逐步發(fā)展、完善，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。將GPS技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程的變形監(jiān)測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了廣泛的研究和試驗(yàn)。1997年，Ashkenazi等人曾用GPS系統(tǒng)實(shí)際動(dòng)態(tài)測(cè)量英國(guó)的亨伯大橋(HumberBridge)形變，但由于天線安置較低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不夠理想；為驗(yàn)證亨伯大橋的有限元模型，得到對(duì)建立非線性模型十分重要的大橋初始應(yīng)變值，隨后Brown等人用總重達(dá)160噸的5輛貨車(chē)作為控制荷載，于1998年進(jìn)行了第二

16、次GPS測(cè)試，分析結(jié)果顯示與有限元模型吻合良好，認(rèn)為GPS可用于懸索橋的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。美國(guó)Guo qing Zhou等人建立了一個(gè)基于GPS的多傳感器橋梁結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將該系統(tǒng)布置在位于威斯康星州一座己有65年歷史的提升式橋Michigan Street Bridge上，并通過(guò)無(wú)線和有線通信技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了橋梁的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。日本的明石海峽大橋(Akashi Kaikyo Bridge)，是一座主跨長(zhǎng)度為1991m，全長(zhǎng)為391 lm的懸索橋。FujinoY等人用GPS測(cè)定橋中跨的中點(diǎn)、一個(gè)塔的塔頂和橋梁一端錨底點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其中錨底點(diǎn)的坐標(biāo)用于做參照，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)進(jìn)行換算以計(jì)算在橋梁軸線

17、方向上的位移。同時(shí)測(cè)定相應(yīng)點(diǎn)處的溫度和風(fēng)力風(fēng)向，以獲取位移值和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系、風(fēng)速與位移值的關(guān)系，結(jié)果表明，6個(gè)月的橋塔頂端主纜溫度與GPS實(shí)測(cè)加勁梁跨中撓度曲線的相關(guān)系數(shù)為1.996，吻合較好。該系統(tǒng)GPS接收機(jī)為L(zhǎng)eicaMCl000型，在地震和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)時(shí)的數(shù)據(jù)采樣頻率為20Hz。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立的目的是保證交通安全和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。法國(guó)的Leroy等人用GPS技術(shù)對(duì)全長(zhǎng)為2141m，中央跨徑為856m的諾曼底大橋(Normandy Bridge)，在1995年1月交付使用前進(jìn)行了測(cè)試，證明了GPS能夠以厘米級(jí)的精度進(jìn)行實(shí)時(shí)水平位移監(jiān)測(cè)。80年代初，我國(guó)一些院校和科研單位已開(kāi)始研究GPS技術(shù)。十多

18、年來(lái)，我國(guó)的測(cè)繪工作者在GPS定為基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面作了大量工作。80年代中期，我國(guó)引進(jìn)GPS接收機(jī)，并應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)著手研究建立我國(guó)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。至今十多年來(lái)，據(jù)有關(guān)人士估計(jì)，目前我國(guó)的GPS接收機(jī)擁有量約有10萬(wàn)臺(tái)左右，其中測(cè)量類(lèi)約800-1200臺(tái)，航空類(lèi)約幾百臺(tái)，航海類(lèi)約6萬(wàn)多臺(tái)，車(chē)載類(lèi)約2萬(wàn)多臺(tái)。而且以每年2萬(wàn)臺(tái)地速度增加。足以說(shuō)明GPS技術(shù)在我國(guó)各行業(yè)中應(yīng)用的廣泛性。在大地測(cè)量方面，利用GPS技術(shù)開(kāi)展國(guó)際聯(lián)測(cè)，建立全球性大地控制網(wǎng)，提供高精度的地心坐標(biāo)，測(cè)定和精化大地水準(zhǔn)面。組織個(gè)部門(mén)參加1992年全國(guó)GPS定位大會(huì)戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，GPS網(wǎng)點(diǎn)地心坐標(biāo)精度優(yōu)于0

19、.2m，點(diǎn)間位置精度優(yōu)于10-8。在我國(guó)建成了平均邊長(zhǎng)約100km的GPS A級(jí)網(wǎng)，提供了亞米級(jí)精度地心坐標(biāo)基準(zhǔn)。此后，在A級(jí)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，我國(guó)又布設(shè)了邊長(zhǎng)約30-100km的B級(jí)網(wǎng)，全國(guó)約2500個(gè)點(diǎn)。A、B級(jí)GPS網(wǎng)點(diǎn)都聯(lián)測(cè)了幾何水準(zhǔn)。這樣，就為我國(guó)各部門(mén)的測(cè)繪工作，建立各級(jí)測(cè)量控制網(wǎng)，提供了高精度的平面和高程三維基準(zhǔn)。我國(guó)已完成西沙、南沙群島個(gè)島嶼與大陸的GPS聯(lián)測(cè)，使海島與全國(guó)大地網(wǎng)聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體。在工程測(cè)量方面，應(yīng)用GPS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)，布設(shè)精密工程控制網(wǎng)，用于城市和礦區(qū)油田地面沉降監(jiān)測(cè)、大壩變形監(jiān)測(cè)、高層建筑變形監(jiān)測(cè)、隧道貫通測(cè)量等精密工程。加密測(cè)圖控制點(diǎn)，應(yīng)用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技

20、術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)RTK）測(cè)繪各種比例尺地形圖和用于工程建設(shè)中的施工放樣。在航空攝影測(cè)量方面，我國(guó)測(cè)繪工作者也應(yīng)用GPS技術(shù)進(jìn)行航測(cè)外業(yè)控制測(cè)量、航攝飛行導(dǎo)航、機(jī)載GPS航測(cè)等航測(cè)成圖的各個(gè)階段。在地球動(dòng)力學(xué)方面，GPS技術(shù)用于全球板塊運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和區(qū)域板塊運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。我國(guó)已開(kāi)始運(yùn)用GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)南極洲板塊運(yùn)動(dòng)、青藏高原地殼運(yùn)動(dòng)、四川鮮水和地殼斷裂運(yùn)動(dòng)，建立了中國(guó)地殼形變觀測(cè)網(wǎng)、三峽庫(kù)區(qū)形變觀測(cè)網(wǎng)、首都圈GPS形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)等。GPS技術(shù)已經(jīng)用于海洋測(cè)量、水下地形測(cè)繪。此外，在軍事國(guó)防、智能交通、郵電通信，地礦、煤礦、石油、建筑以及農(nóng)業(yè)、氣象、土地管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、金融、公安等部門(mén)和行業(yè)，在航空航天、測(cè)時(shí)授時(shí)、物理

21、探礦、姿態(tài)測(cè)定等領(lǐng)域，也都開(kāi)展了GPS技術(shù)的研究和應(yīng)用。在我國(guó)，也有許多將GPS技術(shù)成功運(yùn)用于橋梁變形監(jiān)測(cè)的案例。2000年，香港高速公路管理局的KaiYue Wong等人利用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分(RTK)技術(shù)建立了香港青馬大橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1141，在橋面、橋柱和橋塔上布有27個(gè)測(cè)站，另外還設(shè)有兩個(gè)基準(zhǔn)站。GPS接收機(jī)與其它監(jiān)測(cè)傳感器一起組成了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)青馬大橋的安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采樣率為10Hz，通過(guò)通信光纖把數(shù)據(jù)從各個(gè)監(jiān)測(cè)站傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)橋梁位移和變形的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，為橋梁的管理和維護(hù)提供了科學(xué)的依據(jù)。廣東虎門(mén)大橋有限公司聯(lián)合清華大學(xué)地球空間信息研究所于2000

22、年5月建立了利用GPS RTK技術(shù)的虎門(mén)大橋?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)三維位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括1個(gè)GPS基準(zhǔn)站、7個(gè)GPS監(jiān)測(cè)站，光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)的數(shù)據(jù)采集傳輸和數(shù)據(jù)處理軟件。實(shí)現(xiàn)多測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)雙向傳輸和遠(yuǎn)程系統(tǒng)管理。該系統(tǒng)能在各種條件下24小時(shí)運(yùn)行，可以監(jiān)測(cè)懸索橋在風(fēng)荷載、溫度變化、地震和車(chē)輛等因素激勵(lì)下的三維位移變化情況，并可分析箱梁振動(dòng)頻率，箱梁扭轉(zhuǎn)和整橋變形。通過(guò)長(zhǎng)期積累這些數(shù)據(jù)，可以分析懸索橋在實(shí)際運(yùn)行狀況下的規(guī)律及其安全特性規(guī)律，可做為安全監(jiān)測(cè)的手段之一。該系統(tǒng)的建立，為懸索橋的科學(xué)管理提供強(qiáng)有力的手段，分析掌握所積累的數(shù)據(jù)，可以印證原設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，提高中國(guó)的懸索橋設(shè)計(jì)理

23、論水平。該技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用有助于提高中國(guó)懸索橋等大型構(gòu)筑物的安全監(jiān)測(cè)水平。此外，天津永河大橋、江蘇蘇通大橋等大型橋梁也都采用GPS技術(shù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。前人的研究為GPS技術(shù)在橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)，為后續(xù)研究提供了理論依據(jù)。GPS與其它傳感器結(jié)合用于橋梁健康監(jiān)測(cè)已形成了趨勢(shì)。在數(shù)據(jù)處理方面，基于GPS技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理主要包括GPS定位測(cè)量的數(shù)據(jù)處理及工程變形監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理、變形分析和預(yù)報(bào)兩方面。GPS應(yīng)用與在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，多采用靜態(tài)相對(duì)定位方式和實(shí)時(shí)動(dòng)差分定位方式(GPS RTK模式)。在GPS靜態(tài)相對(duì)定位中，一般采用載波相位差分技術(shù)。根據(jù)求差的方式可分為單差法、雙差法及三差法。在GPS測(cè)

24、量的數(shù)據(jù)處理中，整周未知數(shù)的求解以及周跳的探測(cè)與修復(fù)是GPS數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵問(wèn)題。此外，電離層延遲模型、對(duì)流層延遲模型的改進(jìn)與完善、多路徑效應(yīng)影響等方面的研究也是GPS數(shù)據(jù)處理中的重要內(nèi)容。在變形分析與預(yù)報(bào)方面，小波變換理論、卡爾曼濾波理論、線性平滑理論、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、時(shí)間序列和譜分析方法、灰色理論等理論方法被廣泛應(yīng)用與變形監(jiān)測(cè)分析與預(yù)報(bào)，傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代方法并存，并向程序化、自動(dòng)化、智能化、可視化方向發(fā)展。工程變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，工程變形分析預(yù)報(bào)方法的日趨成熟，促進(jìn)了GPS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)1.4 本論文的主要研究?jī)?nèi)容與論文結(jié)構(gòu)本文對(duì)變形監(jiān)測(cè)、GPS觀測(cè)原理、ashtechsolution

25、s軟件原理進(jìn)行了說(shuō)明，并借助分析GPS在某大壩獲得的兩期數(shù)據(jù)，用ashtech solutions軟件解算出觀測(cè)點(diǎn)的在WGS-84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，比較各個(gè)時(shí)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)，完成對(duì)此大壩的監(jiān)測(cè)。第一章主要講述GPS應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)的背景，在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。第二章對(duì)GPS觀測(cè)的原理、變形監(jiān)測(cè)的原理、GPS在變形監(jiān)測(cè)中的特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。第三章對(duì)控網(wǎng)的布設(shè)，投影帶的選取，測(cè)量規(guī)范進(jìn)行說(shuō)明，以及數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，容納后對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。第四章主要是對(duì)GPS應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)的展望和總結(jié)。2 GPS觀測(cè)原理及在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用此部分主要介紹了變形監(jiān)測(cè)、GPS變形觀測(cè)原理、GPS定位原理。2.1變形監(jiān)測(cè)

26、變形是指變形體在各種荷載作用下，其形狀、大小及位置在時(shí)間域和空間域的變化，超出了變形體一定的允許范圍，可能會(huì)發(fā)生滑坡、巖崩等自然災(zāi)害。 變形監(jiān)測(cè)就是利用測(cè)量?jī)x器對(duì)選定的具有代表性的特征點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)或者周期性的監(jiān)測(cè)，以確定變形體在時(shí)空中的變化，變形的類(lèi)型可分為靜態(tài)觀測(cè)和動(dòng)態(tài)觀測(cè)，靜態(tài)觀測(cè)是變形體隨時(shí)間的變化而發(fā)生緩慢的變形，需要長(zhǎng)時(shí)間多周期的監(jiān)測(cè)才能發(fā)現(xiàn)其變形規(guī)律；動(dòng)態(tài)變形主要是變形體在外界負(fù)荷壓力的作用下而發(fā)生的變形，一般這種變形是在瞬間壓力的作用下很快的發(fā)生。 變形監(jiān)測(cè)的方法：大地測(cè)量方法中，常用的大地測(cè)量方法主要是通過(guò)測(cè)角、測(cè)邊、水準(zhǔn)等方法測(cè)定變形，此類(lèi)傳統(tǒng)的方法費(fèi)用低、精度可靠、勞動(dòng)強(qiáng)度大

27、等特點(diǎn)。GPS已經(jīng)隨著衛(wèi)星大地測(cè)量技術(shù)的發(fā)展在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，具有著傳統(tǒng)大地測(cè)量方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)；變形監(jiān)測(cè)的新技術(shù)中合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)、激光掃描技術(shù)、計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)等變形監(jiān)測(cè)技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，并得到廣泛應(yīng)用。 目前大型建筑物和大型礦區(qū)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的作用，由于其安全性和精度要求的進(jìn)一步提高，更加需要周期的監(jiān)測(cè)，通過(guò)GPS觀測(cè)技術(shù)來(lái)分析和評(píng)價(jià)建筑物和大型廠區(qū)的安全狀態(tài)、驗(yàn)證設(shè)計(jì)原理和反饋施工質(zhì)量、研究變形規(guī)律，進(jìn)行合理分析和預(yù)報(bào)。2.2 GPS 變形觀測(cè)原理2.2.1 GPS全球定位系統(tǒng)概述 GPS的英文全稱(chēng)是Navigation Satellite Timi

28、ng And Ranging Global Position System，簡(jiǎn)稱(chēng)GPS，有時(shí)也被稱(chēng)作NAVSTAR GPS。其意為“導(dǎo)航星測(cè)時(shí)與測(cè)距全球定位系統(tǒng)”，或簡(jiǎn)稱(chēng)全球定位系統(tǒng)。它是美國(guó)國(guó)防部建立的海陸空三軍共用的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 GPS系統(tǒng)由3部分組成：空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶(hù)接收部分（如圖21）。 圖21. GPS系統(tǒng) 圖22. GPS 衛(wèi)星星座 （1）空間部分空間段有一系列在軌運(yùn)行衛(wèi)星（來(lái)自一個(gè)或者多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)）構(gòu)成，提供系統(tǒng)自主導(dǎo)航定位服務(wù)所必必需的無(wú)線電導(dǎo)航定位信號(hào)。其中，GPS衛(wèi)星星座由21顆衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，衛(wèi)星裝備4臺(tái)高精度原子鐘，衛(wèi)星分布于6個(gè)軌道

29、平面，軌道平均高度約為20200km，每個(gè)軌道面上分布4顆衛(wèi)星，軌道傾角約為55°，各軌道平面升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60°，在相鄰軌道上，衛(wèi)星的升交距角相差30°。 （2）控制部分 GPS地面部分由全球分布的5個(gè)地面站組成，由監(jiān)測(cè)站、主控站和注入站組成。監(jiān)測(cè)站配備有雙頻GPS接收機(jī)、高精度原子鐘、計(jì)算機(jī)和各種環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器，對(duì)系統(tǒng)所需的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集。主控站具有監(jiān)測(cè)站的全部功能，協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其核心功能為：利用監(jiān)測(cè)站的全部觀測(cè)資料，推算衛(wèi)星星歷、工作狀態(tài)、衛(wèi)星鐘差和大氣層的改正參數(shù)等，并將并將生成的導(dǎo)航電文傳送給注入站；提供整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)，推算監(jiān)測(cè)站

30、和GPS衛(wèi)星鐘差，并將鐘差編入導(dǎo)航電文；生成衛(wèi)星狀態(tài)和衛(wèi)星調(diào)度信息。（3）用戶(hù)部分 用戶(hù)設(shè)備主要是GPS接收機(jī)，主要由接收機(jī)硬件、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備組成，GPS接收機(jī)的主要功能是接受GPS衛(wèi)星信號(hào)，獲取必要的導(dǎo)航和定位信息和觀測(cè)量，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位。2.2.2 GPS定位測(cè)量原理GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)一般包括載波、測(cè)距碼、和數(shù)據(jù)碼三類(lèi)信號(hào)。GPS導(dǎo)航電文（D）碼是包含有關(guān)衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)、軌道攝動(dòng)改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲P碼信息的數(shù)據(jù)碼。導(dǎo)航電文是利用GPS進(jìn)行定位的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。GPS發(fā)射兩種偽隨機(jī)測(cè)距碼，即C/A碼和P碼。 利用

31、GPS進(jìn)行定位的定位原理實(shí)質(zhì)上是空間的三維后交會(huì)，利用衛(wèi)星星歷計(jì)算出某一時(shí)刻三顆衛(wèi)星的空間三維坐標(biāo)和接受機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算接收機(jī)的坐標(biāo)。由于接收機(jī)鐘差在某一時(shí)間為未知常數(shù)，因此至少要同時(shí)觀測(cè)出四顆衛(wèi)星（如圖23 ）。(21) (22)圖2-3. GPS接收機(jī)原理根據(jù)接收到的不同衛(wèi)星信號(hào)和處理方法的不同，GPS衛(wèi)星定位的主要方式可分為偽距測(cè)量定位、載波相位測(cè)量定位和差分GPS定位。對(duì)于待定點(diǎn)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位。單臺(tái)GPS接收機(jī)進(jìn)行的定位成為單點(diǎn)定位，或絕對(duì)定位；兩臺(tái)或兩臺(tái)以上接收機(jī)分別安置在不同的待測(cè)點(diǎn)上，通過(guò)同步觀測(cè)衛(wèi)星信號(hào)，確定待測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置，成為相對(duì)定位。 對(duì)于GPS測(cè)量

32、方法：偽距觀測(cè)，載波相位觀測(cè)， （一）偽距測(cè)量： （1）衛(wèi)星依據(jù)自己時(shí)鐘（鐘脈沖）發(fā)出某一結(jié)構(gòu)的測(cè)距碼，經(jīng)過(guò)t時(shí)的傳播到達(dá)GPS接收機(jī)。 （2）接收機(jī)在自己鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生一組結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼。 （3）通過(guò)時(shí)延器使之延遲時(shí)間，對(duì)兩碼進(jìn)相關(guān)比較。 （4）直至兩碼完全對(duì)齊，相關(guān)系數(shù)R（t）=max=1，則該時(shí)間延遲即為傳播時(shí)間t（=t）。 （5）距離=ct=c。 由于實(shí)際中衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘存在著誤差，所以上述方法求出的距離將受到兩臺(tái)鐘不同步的誤差影響，此外，衛(wèi)星信號(hào)還需要穿過(guò)電離層和對(duì)流層到達(dá)地面觀測(cè)站，在電離層和對(duì)流層中信號(hào)傳播的速度V不等于C，所以根據(jù)上述公式求得的距離不是真實(shí)的距離，稱(chēng)

33、為偽距。 當(dāng)對(duì)偽距進(jìn)行各項(xiàng)誤差改正，精確計(jì)算時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)由衛(wèi)星到達(dá)測(cè)站的鐘面?zhèn)鞑r(shí)間： (23)在不顧及大氣折射等誤差影響的情況下，由鐘面?zhèn)鞑r(shí)間乘以光速，就得到衛(wèi)星至測(cè)站的偽距。 (24)現(xiàn)顧及大氣折射影響 (25) 為理想距離。 顯然，偽距觀測(cè)方程中是非線性項(xiàng)，表示測(cè)站與衛(wèi)星之間的幾何距離： (26)由于方程為非線性方程，需要對(duì)上述方程進(jìn)行線性化，線性化后的方程為： (27)有三個(gè)測(cè)站未知數(shù) 以及一個(gè)鐘差未知數(shù) 電離層和對(duì)流層改正一般通過(guò)專(zhuān)門(mén)的數(shù)學(xué)模型另行處理。這樣，接收機(jī)至少需要跟蹤4顆衛(wèi)星，才能求解。（二、）載波相位觀測(cè) GPS載波信號(hào)存在著兩種頻率的正弦波 L1: L2： 對(duì)衛(wèi)星信號(hào)

34、進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)后被GPS接收機(jī)接受，載波相位的測(cè)量原理為（圖2-4）衛(wèi)星信號(hào)傳至接收機(jī)的過(guò)程（圖2-5） 。圖2-4. 載波相位觀測(cè)原理 圖2-5. 信號(hào)傳播示意圖在實(shí)際進(jìn)行載波相位測(cè)量的時(shí)候，當(dāng)接收機(jī)跟蹤上衛(wèi)星信號(hào)，并在起始?xì)v元瞬間 進(jìn)行首次載波相位測(cè)量時(shí)，只能測(cè)到不足一整周的相位，因?yàn)檩d波是一種單純的正弦， 沒(méi)有任何標(biāo)志，不能測(cè)得第幾周，于是出現(xiàn)了整周模糊度，相位差公式應(yīng)為： (28) (29) (210) 載波相位觀測(cè)示意圖：圖2-6. 載波相位信號(hào)傳播圖由于接收機(jī)的頻率漂移比較小，一般可以忽略，即： 考慮到接收機(jī)鐘差，相位觀測(cè)方程可表示為： (211)而 電流層和對(duì)流層都會(huì)對(duì)傳播相位產(chǎn)

35、生影響，載波相位觀測(cè)方程可表示為： (212)式子兩邊都乘以 可轉(zhuǎn)化為： (213)載波相位觀測(cè)方程： (214) 測(cè)向距離形式的觀測(cè)方程： (215)根據(jù)上述式子，可進(jìn)行對(duì)接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差、多路徑效應(yīng)、電離層誤差、對(duì)流層誤差進(jìn)行改正，并通過(guò)最小二乘原理或者卡拉曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)或者后處理的解算。其中某一時(shí)刻接收機(jī)鐘差可視為常數(shù)，多路徑效應(yīng)是隨機(jī)誤差，電離層和對(duì)流層均可以根據(jù)前期觀測(cè)值總結(jié)出其隨時(shí)間變化的模型，進(jìn)行對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正。2.3 GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析原理 2.3.1 數(shù)據(jù)處理過(guò)程 GPS接受機(jī)接受到的大壩數(shù)據(jù)需要通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)杰浖糠诌M(jìn)行預(yù)處理、基

36、線解算和平差，其示意圖如下(2-7)： 圖2-7. GPS數(shù)據(jù)處理基本流程圖圖中第一步數(shù)據(jù)采集的是GPS接收機(jī)野外觀測(cè)記錄的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，野外觀測(cè)記錄的同時(shí)用隨機(jī)阮籍解算出測(cè)站點(diǎn)的位置和運(yùn)動(dòng)速度，提供導(dǎo)航服務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸至基線解算一般是用隨機(jī)軟件（后處理軟件）將接收機(jī)記錄的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行預(yù)處理和基線解算。GPS網(wǎng)平差包括GPS基線向量網(wǎng)平差、GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)聯(lián)合平差等內(nèi)容。整個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程可以建立數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。大多數(shù)的GPS接收機(jī)，采集的數(shù)據(jù)記錄在接收機(jī)的內(nèi)存模塊上。數(shù)據(jù)傳輸是用專(zhuān)用電纜將接收機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，并在后處理軟件的菜單中選擇傳輸數(shù)據(jù)選項(xiàng)后，便將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，

37、書(shū)記傳輸?shù)耐瑫r(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，生成四個(gè)數(shù)據(jù)文件：載波相位和偽距觀測(cè)值文件、星歷參數(shù)文件、電離層參數(shù)和UTC參數(shù)文件、測(cè)站信息文件。2.3.2 大壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)模型針對(duì)高邊坡在大型工程建設(shè)中的重要性和常規(guī)GPS監(jiān)測(cè)方法在高邊坡監(jiān)測(cè)中無(wú)法克服的弱點(diǎn)問(wèn)題，從系統(tǒng)的投入成本、自動(dòng)化及可靠性角度考慮，提出了基于GPS技術(shù)、GPRS無(wú)線通訊與控制等技術(shù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化高邊坡安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高危邊坡現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與無(wú)線傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，并在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的解算與分析。對(duì)于自然或人工邊坡的形變監(jiān)測(cè)，通常有常規(guī)監(jiān)測(cè)和GPS監(jiān)測(cè)兩種方法。常由于高壩修筑在山區(qū)峽谷地帶，范圍大，氣候復(fù)雜多變，每

38、到雨季更有濕度大、霧氣大的特點(diǎn)，使得常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法在雨季這樣監(jiān)測(cè)的重要時(shí)期不具備時(shí)效性。根據(jù)上述，以大壩GPS自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型的建立作為例子來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明數(shù)據(jù)的采集和處理方法流程。 圖2-8. 數(shù)據(jù)的采集和處理方法流程在根據(jù)初始的概念圖建立起大壩GPS自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)模型，如下： 圖2-9. 大壩GPS自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)模型當(dāng)然上面的模型是非常簡(jiǎn)單的，只是一個(gè)大概的框架，要實(shí)現(xiàn)具體的大壩GPS自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)模型，還要對(duì)各部分進(jìn)行詳細(xì)的分析，例如我們想得到大壩變形的數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)配帶的設(shè)備，能馬上在人和大壩之間很快的建立起無(wú)線局域網(wǎng)，并同時(shí)啟動(dòng)空間GPS觀測(cè)系統(tǒng)，控制中心，和提取大

39、壩數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅能反饋給你當(dāng)前的變形數(shù)據(jù)，還可以顯示出以前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，較為方便的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2.4 GPS在變形監(jiān)測(cè)中的特點(diǎn)GPS技術(shù)的應(yīng)用給測(cè)量技術(shù)帶來(lái)了一場(chǎng)深刻的革命，經(jīng)過(guò)近十年的迅速發(fā)展，GPS觀測(cè)邊長(zhǎng)相對(duì)精度已經(jīng)能夠達(dá)到 ,比傳統(tǒng)大地測(cè)量精度提高了3個(gè)量級(jí)。目前GPS技術(shù)已成為監(jiān)測(cè)地殼形變和板塊運(yùn)動(dòng)的有效手段。我國(guó)從1990年開(kāi)始先后建立了多個(gè)全國(guó)性的GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)和主要活動(dòng)地帶的區(qū)域性監(jiān)測(cè)網(wǎng)，并進(jìn)行多期的復(fù)測(cè)和連續(xù)觀測(cè)，得到了中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)明顯的非均勻性的結(jié)論。大壩變形監(jiān)測(cè)方面也成功的建立了GPS自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 GPS監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)：（1）測(cè)站間無(wú)需同時(shí)通視。對(duì)于傳統(tǒng)的地表變形監(jiān)測(cè)方法

40、,點(diǎn)之間只有通視才能進(jìn)行觀測(cè),而運(yùn)用GPS測(cè)一個(gè)顯著特點(diǎn)就是點(diǎn)之間無(wú)需保持通視,只需保證測(cè)站上空開(kāi)闊即可。（2）可同時(shí)提供監(jiān)測(cè)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(cè)時(shí),平面位移和垂直位移是采用不同方法分別進(jìn)行監(jiān)測(cè),這樣不僅監(jiān)測(cè)的周期長(zhǎng)、工作量大,而且監(jiān)測(cè)的時(shí)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(shí)精確測(cè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維位移信息。（3）可以全天候監(jiān)測(cè)。GPS測(cè)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(cè),配備防雷電設(shè)施后,GPS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)便可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的全天候觀測(cè)。（4）監(jiān)測(cè)精度高。GPS可以提供1×10-6甚至更的相對(duì)定位精度。（5）操作簡(jiǎn)便,

41、易于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。GPS接收機(jī)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高,且體積越來(lái)越小,重量越來(lái)越輕,便于安置和操作。同時(shí),GPS接收機(jī)為用戶(hù)準(zhǔn)備了必要的接口,用戶(hù)可以較為方便地利用各監(jiān)測(cè)點(diǎn),建成無(wú)人值守的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析、報(bào)警到入庫(kù)的全自動(dòng)化。（6）GPS大地高用于垂直位移測(cè)量3。用于GPS定位獲得的是大地高,而用戶(hù)需要的是正常高或正高,它們之間有以下關(guān)系 (216)式中,hz為大地高, 為正常高, 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 ,對(duì)于工程的局部范圍而言,完全可以用大地高的變化來(lái)進(jìn)行垂直位移

42、監(jiān)測(cè) 3實(shí)例解算利用ashtech solutions軟件，根據(jù)GPS觀測(cè)原理，結(jié)合某大壩的實(shí)際情況，GPS接收機(jī)觀測(cè)測(cè)量區(qū)域特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，軟件進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差，通過(guò)對(duì)其行變形的監(jiān)測(cè)，并分析其變形規(guī)律，從而及時(shí)作出預(yù)防措施。 3.1 ashtech solutions 軟件簡(jiǎn)要介紹 ashtech solutions 是北京天測(cè)研發(fā)的主要處理單頻、雙頻GPS數(shù)據(jù)基線解算，平差處理。其利用GPS數(shù)據(jù)，將各種形式的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用最小二乘算法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到最優(yōu)估計(jì)值，并評(píng)定未知點(diǎn)的精度。 3.2大壩上選擇標(biāo)志點(diǎn)位置 3.2.1 工程概況某大壩的現(xiàn)場(chǎng)分布情況：CG06、CG11是兩個(gè)基

43、準(zhǔn)點(diǎn)，OP03、OP04、OP05是大壩體上的三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。要在這座大壩上建立一個(gè)GPS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其實(shí)是組建一個(gè)小型局域網(wǎng)。其網(wǎng)絡(luò)中心要設(shè)在電廠辦公樓，具體流程是：每臺(tái)工作站與GPS接收機(jī)相連，以便實(shí)時(shí)地將GPS接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳到工作站上，然后經(jīng)傳輸設(shè)備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，最后對(duì)實(shí)時(shí)觀測(cè)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解算、分析。 3.2.2控制網(wǎng)的布設(shè)： （1）.了解控制測(cè)量的目的和收集資料 主要了解測(cè)區(qū)的地理位置、形狀大小，今后發(fā)展遠(yuǎn)景，測(cè)量成果使用的精度要求，完成任務(wù)的期限以及生產(chǎn)上對(duì)控制點(diǎn)位置、密度的要求等。大壩變形測(cè)繪人員應(yīng)到有關(guān)測(cè)繪業(yè)務(wù)及管理部門(mén)收集有關(guān)資料。如設(shè)計(jì)時(shí)需用的地形圖(比例尺為1100

44、0150000)，測(cè)區(qū)已有的控制成果，并到測(cè)區(qū)踏勘了解舊標(biāo)石標(biāo)架的保存情況，為確定布網(wǎng)方案、設(shè)計(jì)和施測(cè)做好一切準(zhǔn)備工作。 （2）.確定布網(wǎng)方案 根據(jù)控制成果今后的使用要求和已收集到的測(cè)量資料及擁有的儀器設(shè)備、技術(shù)力量等條件，確定布設(shè)控制網(wǎng)的方案。由于僅僅是對(duì)大壩所在區(qū)域相對(duì)于大壩外控制點(diǎn)的變形，因此布設(shè)成獨(dú)立網(wǎng)；測(cè)量方法是GPS相對(duì)定位測(cè)量；是一次全面布設(shè)；是采用三度帶投影。 圖上設(shè)計(jì)宜在1:10000或1:25000的地形圖上進(jìn)行:首先展繪已知點(diǎn)、網(wǎng)；按照已定的布網(wǎng)方案從圖上判斷點(diǎn)與點(diǎn)之間是否彼此通視，由各點(diǎn)組成的圖形能滿足規(guī)范所規(guī)定的精度和其他要求，布在位置也應(yīng)能滿足使用要求。圖上選點(diǎn)后，

45、須到實(shí)地確定，是否切實(shí)可行，為了保證控制網(wǎng)精度和避免返工浪費(fèi)，還應(yīng)該估算控制網(wǎng)中推算元素的精度。 （3）.編寫(xiě)技術(shù)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 編寫(xiě)技術(shù)設(shè)計(jì)的目的在于擬定大壩監(jiān)測(cè)控制測(cè)量的實(shí)施計(jì)劃，從整體規(guī)劃上、技術(shù)上、組織上作出說(shuō)明。 （4）造標(biāo)埋石 確定了控制點(diǎn)的位置以后，須著手進(jìn)行造標(biāo)埋石工作，埋設(shè)的標(biāo)石作為點(diǎn)的標(biāo)志，建造的覘標(biāo)作為觀測(cè)時(shí)照準(zhǔn)的目標(biāo)，一切觀測(cè)成果和點(diǎn)的坐標(biāo)都?xì)w算到標(biāo)石中心上。因此，標(biāo)志點(diǎn)的選取一定要堅(jiān)固，有效反應(yīng)大壩的變形情況，并且還要選取大壩外的基準(zhǔn)點(diǎn)，作為對(duì)大壩上標(biāo)志點(diǎn)的對(duì)照。3.2.3 投影帶的選取 此次控制網(wǎng)點(diǎn)均分布在101°104°之間，靠近101°

46、，選取3°帶作為投影帶。為了避免投影誤差，還可在WGS84坐標(biāo)系下進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算、比較和評(píng)定。3.2.4測(cè)量規(guī)范一般傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)中需要分別設(shè)置平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)，但是有時(shí)測(cè)圖網(wǎng)的精度和密度要求，需要同時(shí)獲取標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)，觀測(cè)要滿足國(guó)家規(guī)范要求，一般是距離丈量相對(duì)誤差不超過(guò)1/10000，測(cè)角誤差不超過(guò)10分。為了保證整個(gè)建筑場(chǎng)地各部分高程的統(tǒng)一和精度要求以及高程測(cè)設(shè)的便利，采用GPS進(jìn)行觀測(cè)實(shí)施監(jiān)測(cè)， 此大壩的點(diǎn)位分布圖（3-1）： 圖3-1. 某大壩的現(xiàn)場(chǎng)分布圖此大壩共有5個(gè)標(biāo)志點(diǎn)GC06、OP05、OP04、OP03、GC11，其中GC06、GC11兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)位于壩體之外

47、，可認(rèn)為是固定的，在沒(méi)有較大的運(yùn)動(dòng)情況下，基本上可視為是壩體運(yùn)動(dòng)的參考點(diǎn)。OP05、OP04、OP03位于壩體上的特征點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)這三個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，可分析壩體的大致運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。3.3 數(shù)據(jù)處理處理數(shù)據(jù)的思路：總有兩期對(duì)大壩的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在大壩整體位移不大、主要研究大壩控制網(wǎng)內(nèi)標(biāo)志點(diǎn)變化的情況下，可將壩體外的兩個(gè)點(diǎn)視為基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)整個(gè)網(wǎng)進(jìn)行整體基線解算和網(wǎng)平差，輸出各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)及精度評(píng)定結(jié)果；然后以第一期觀測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)GC06、GC11為固定點(diǎn)，利用第二期數(shù)據(jù)進(jìn)基線解算和網(wǎng)平差，并對(duì)各個(gè)點(diǎn)的精度進(jìn)行檢核是否在控制的范圍內(nèi)，如果超出限差，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，然后同比第一期處理的OP05、OP04、O

48、P03點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，比較兩期觀測(cè)中，大壩總體的結(jié)構(gòu)位移，從而對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。每個(gè)觀測(cè)時(shí)刻的觀測(cè)衛(wèi)星大于4顆，儀器采樣間隔統(tǒng)一設(shè)置為10妙，天線采用腳架安置在點(diǎn)位垂線方向上，對(duì)中誤差小于3mm，基座均整平，居中。接收機(jī)采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)rinex格式，運(yùn)行ashtech solutions后處理軟件，建立新項(xiàng)目，定義坐標(biāo)系統(tǒng)，輸入中央子午線137°，比例因子是1，橢球是1984北京坐標(biāo)系，導(dǎo)入renix格式數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)F5鍵，軟件默認(rèn)處理所以基線，共有10條基線，處理后的基線標(biāo)準(zhǔn)差值均小于限差，然后進(jìn)行最小約束平差，平差后的基線向量的徑向殘差均小于限差，Netwo

49、rk rel. Accuracy 顯示通過(guò)。處理結(jié)果均小于限差。 3.3.1 數(shù)據(jù)觀測(cè)要求外業(yè)觀測(cè)作業(yè)中，為提高觀測(cè)精度，采取了如下幾個(gè)具體的措施：1）衛(wèi)星選擇。同步觀測(cè)的衛(wèi)星不少于4 顆，且均勻分布在四個(gè)象限；2）圖形強(qiáng)度因子GDOP 值的選擇。較小的GDOP值表明衛(wèi)星星座與測(cè)站構(gòu)成的幾何圖形較好， GDOP值越佳則意味著越能獲得良好的觀測(cè)成果，所以觀測(cè)中選擇的GDOP 值均在6以下；3）量取天線高時(shí)，用三角板直接丈量到天線相位中心的參考點(diǎn)（ARP） 。由于GPS 接收機(jī)自動(dòng)化程度較高，且各測(cè)站間無(wú)需通視，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，完全無(wú)需人員看守，所以大大減輕了監(jiān)測(cè)人員的工作量。3.3.2 數(shù)據(jù)處

50、理過(guò)程安裝ashtech solutions后處理軟件包，雙擊圖標(biāo)打開(kāi)軟件，首先建立一個(gè)工程，顯示出如下界面3-2 ： 圖3-3. 第一期數(shù)據(jù)分布圖圖3-2. 軟件界面導(dǎo)入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分布如圖3-3進(jìn)行基線解算和平差處理，結(jié)果為3-4：圖3-4. 第一期數(shù)據(jù)整體平差圖 圖3-4. 第一期數(shù)據(jù)整體平差圖 解算完畢，從網(wǎng)精度圖上分析基線的精度，對(duì)精度較差的基線進(jìn)行處理。以基線OP05GC06為例，查看OP05GC06基線的載波相位雙差殘差（carrier phase double differenced residuals），從中找出誤差較大的時(shí)間段，進(jìn)行有效的篩除，從而進(jìn)一步提高GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高

51、精度。其他殘差圖曲線基本平滑連續(xù)而且數(shù)值比較小，說(shuō)明觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量比較好，符合高精度滑坡變形監(jiān)測(cè)的要求。 對(duì)第二期數(shù)據(jù)進(jìn)行相同的方式進(jìn)行處理：將第一期觀測(cè)的兩基準(zhǔn)點(diǎn)作為第二期觀測(cè)的控制點(diǎn)，1954坐標(biāo)系中平差結(jié)果如下（36）：3.3.3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果經(jīng)過(guò)ashtech solutions軟件處理，可到兩期觀測(cè)的平差網(wǎng)點(diǎn)圖和分別在WGS84坐坐標(biāo)系和1954北京坐標(biāo)系下的包含基線向量、各點(diǎn)坐標(biāo)及精度的報(bào)告，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比，從而分析大壩變形。對(duì)第一期數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差，在WGS84坐標(biāo)系下其平差結(jié)果為：對(duì)第一期數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到在1954坐標(biāo)系下標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)和精度： 圖3-6. 第二期數(shù)據(jù)處理點(diǎn)

52、的結(jié)果Site PositionsHorizontal Coordinate System: 1954 Beijing Coordinate Date: 05/23/11 Height System: Ortho. Ht. (EGM96) Project file: Desired Horizontal Accuracy: 0.020m + 1ppmDesired Vertical Accuracy: 0.040m + 2ppmConfidence Level: 95% Err.Linear Units of Measure: Meters 將第一期觀測(cè)的兩基準(zhǔn)點(diǎn)作為第二期觀測(cè)的控制點(diǎn)，195

53、4坐標(biāo)系中平差結(jié)果如下（3-2）： 以GC06和GC11為基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)第二期網(wǎng)進(jìn)行平差，在1954坐標(biāo)下平差結(jié)果坐標(biāo)為：Site PositionsHorizontal Coordinate System: 1954 Beijing Coordinate Date: 05/23/11Height System: Ortho. Ht. (EGM96) Desired Horizontal Accuracy: 0.020m + 1ppmDesired Vertical Accuracy: 0.040m + 2ppmConfidence Level: 95% Err.Linear Units of Measure: Meters將兩組數(shù)據(jù)用1954北京坐標(biāo)系下的坐標(biāo)表格對(duì)比： （注：差值是第一期與第二期之差）坐標(biāo)