论文部分内容阅读
随着时代的进步，人类生产、生活领域不断扩大，需要监视地表、地面建筑和各种工程设施以及生存空间的点位移动状况，并进行地面形变测量。
传统的测量方法观测时间长，劳动量大，已经不能很好的满足变形监测的需求，GPS定位技术具有，精度高、速度快、全天候等特点。GPS技术解决了常规测量中需要多种观测的问题，观测结果能充分反映出变形体的全方位活动性，利用GPS技术对不稳定区域进行变形监测，处理后的结果能很好的反映变形的趋势，可以有效的预防灾难性事故的发生。
实践证明，对于数公里的短边长，GPS相对定位可达毫米级精度。随着GPS系统的完善，GPS接收机性能和解算软件不断改进，在短距离（二三公里以内）上能够达到亚毫米级的精度。比如目前标称精度为1mm十（0.1～1）×106×D的接收机已经问世；使用精密星历和高精度的基线解算软件（如Trimble Geomatics Office软件），对观测时段长为1h的观测资料的解算其水平精度优于1mm，垂直精度优于1.5mm。这样，高精度的GPS定位技术便可用于水库大坝的变形监测。
一、GPS变形监测网形设计
点连式是指相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接。由于点连式所构成的网形几何强度很弱，在GPS形变监测网中一般不使用。
边连式是指同步图形之间由—条公共基线连接。这种布网方案，网的几何强度高，有较多的重复边和非同步图形闭合条件，在GPS形变监测网中多采用。若设计为GPS网，则可以去掉网中变形监测控制点中的导线点，保留控制点中的三角点（A、B、C、D）作为基准点与变形观测点一同进行GPS网的网形设计。用三台接收机进行观测的网形设计如图1所示，用四台接收机进行观测的网形设计如图2所示。
对于图1，基准网点4个，三个时段，基准点与变形观测点连成三角形16个，观测16个时段。对于图2，4个基准网点观测一个时段，基准点与变形观测点连成8个大地四边形，观测8个时段。显然用四台接收机观测比用三台接收机观测时段数少了一半，两种网形的多余观测数都比较多，属于可靠性较强，精度较高的网形。
二、基准控制点与变形监测点的布设
为了提高大坝监测的精度和可靠性，在大坝两岸坚固的山岩上选定了两个点位地质条件好、点位稳定且能满足GPS观测条件的基准控制点。在大坝上选定了既能反映大坝形变又能满足GPS观测条件的5个监测点。5个监测点和两个基准控制点共同组成GPS监测网。
GPS自动化监测系統的构成：GPS接收机数据的传输采用有线和无线相结合的方法，将监测点上GPS接收机的观测数据和基准点上GPS接收机的观测数据传输给数据处理终端。安置于两个基准点与5个监测点的7台GPS接收机昼夜连续观测，实时将观测资料传输至控制中心，进行处理、分析、贮存。从每台GPS接收机传输数据开始到处理、分析、变形显示为止，总共需时小于10min。完全可以完成lh、2h或更长时间的相对定位结果的解算。
三、系统运行与结果分析
（一）数据传输及数据处理
坝面上5台GPS接收机通过有线指令定时（1h、2h或6h）将观测数据传输
至坝面数据采集器，再通过光纤送至控制中心.两个基准点的GPS观测数据也按指令通过无线方式传送至控制中心。在控制中心用GPSurvey软件和Trimble Geomatics Office软件进行基线向量的解算和GPS基线向量网平差计算。从数据传输到基线解算和平差计算约需15min。
（二）变形分析及结果显示
平差后得到监测点的实时定位坐标。再经过坐标转换并经滤波输出变形量、变形曲线，并在屏幕上实时显示变形曲线和有关信息。变形观测数据、数据处理结果、变形分析的结果，进入数据库并定期自动转存于光盘、硬盘。
（三）实时监控
在总控终端屏幕上，实时显示7台GPS接收机的工作状态系统能自动报警，便于及时排除故障，保证系统正常工作。
（四）实测精度
通过比较连续数日同一时段的lh解基线的重复性结果与均值之差，在南北方向、东西方向均小于1.2mm，垂直方向均小于4mm。其中误差分别为0.4、0.7和1.4mm。6h解基线重复性结果与均值之差更小。
四、关于坐标转换问题
（一）由GPS定位确定的WGS—84椭球坐标转换为大坝工程测区的工程椭球坐标
工程椭球与WGS—84椭球中心和扁率不变。按测区平均高程确定椭球半径增量△a，按大地坐标椭球变换微分公式将GPS点的WGS—84坐标转换为工程椭球坐标。
（二）工程椭球至高斯平面坐标转换
按照工程测区给定的中央子午线经度L0，用高斯投影公式、实现工程椭球坐标至高斯平面坐标的转换。
（三）高斯平面坐标至大坝坐标的转换
设定坐标轴旋转角与尺度比参数后，在至少有两个公共点坐标的条件下，按平面坐标转换公式将高斯平面坐标转换为大坝坐标。当公共点多于两个点，可按最小二乘法求解。
（四）工程平面坐标位移转换为径向和切向位移
根据实际需要，对于非直线性工程建筑物，需要知道监测点在径向和切向方向上的位移变化情况。为此还需将各点在工程平面坐标系中的位移转换为径切向位移。可以不考虑尺度比参数，仅考虑切向与工程平面坐标X轴的夹角，即可实现坐标位移的径切向转换。
五、结语
GPS技术以其全天候、高精度、高速度、实时三维定位等特点优于传统的测量技术，对于大坝变形监测是一种非常有效的方法，在确保精度的前提下，节省了大量的人力、物力、财力，对于大坝的安全运营，具有重要的意义。
参考文献
[1] 张华海，王爱生.GPS形变监测网的动态数据处理[J].解放军测绘学院学报，1999，16（1）.
[2] 徐绍全，张华海，杨志强.GPS测量原理及应用[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，1998.
[3] 柳太康，张绍全.GPS定位技术在隔河岩大坝变形监测中的应用[J].武汉测绘科技大学学报，1998，23（增刊）.
[4] 刘大杰，施一民，余晓红.GPS技术用于监测大城市三锥形变[C].中国全球定位系统技术应用协会论文集，1996.
传统的测量方法观测时间长，劳动量大，已经不能很好的满足变形监测的需求，GPS定位技术具有，精度高、速度快、全天候等特点。GPS技术解决了常规测量中需要多种观测的问题，观测结果能充分反映出变形体的全方位活动性，利用GPS技术对不稳定区域进行变形监测，处理后的结果能很好的反映变形的趋势，可以有效的预防灾难性事故的发生。
实践证明，对于数公里的短边长，GPS相对定位可达毫米级精度。随着GPS系统的完善，GPS接收机性能和解算软件不断改进，在短距离（二三公里以内）上能够达到亚毫米级的精度。比如目前标称精度为1mm十（0.1～1）×106×D的接收机已经问世；使用精密星历和高精度的基线解算软件（如Trimble Geomatics Office软件），对观测时段长为1h的观测资料的解算其水平精度优于1mm，垂直精度优于1.5mm。这样，高精度的GPS定位技术便可用于水库大坝的变形监测。
一、GPS变形监测网形设计
点连式是指相邻同步图形之间仅有一个公共点的连接。由于点连式所构成的网形几何强度很弱，在GPS形变监测网中一般不使用。
边连式是指同步图形之间由—条公共基线连接。这种布网方案，网的几何强度高，有较多的重复边和非同步图形闭合条件，在GPS形变监测网中多采用。若设计为GPS网，则可以去掉网中变形监测控制点中的导线点，保留控制点中的三角点（A、B、C、D）作为基准点与变形观测点一同进行GPS网的网形设计。用三台接收机进行观测的网形设计如图1所示，用四台接收机进行观测的网形设计如图2所示。
对于图1，基准网点4个，三个时段，基准点与变形观测点连成三角形16个，观测16个时段。对于图2，4个基准网点观测一个时段，基准点与变形观测点连成8个大地四边形，观测8个时段。显然用四台接收机观测比用三台接收机观测时段数少了一半，两种网形的多余观测数都比较多，属于可靠性较强，精度较高的网形。
二、基准控制点与变形监测点的布设
为了提高大坝监测的精度和可靠性，在大坝两岸坚固的山岩上选定了两个点位地质条件好、点位稳定且能满足GPS观测条件的基准控制点。在大坝上选定了既能反映大坝形变又能满足GPS观测条件的5个监测点。5个监测点和两个基准控制点共同组成GPS监测网。
GPS自动化监测系統的构成：GPS接收机数据的传输采用有线和无线相结合的方法，将监测点上GPS接收机的观测数据和基准点上GPS接收机的观测数据传输给数据处理终端。安置于两个基准点与5个监测点的7台GPS接收机昼夜连续观测，实时将观测资料传输至控制中心，进行处理、分析、贮存。从每台GPS接收机传输数据开始到处理、分析、变形显示为止，总共需时小于10min。完全可以完成lh、2h或更长时间的相对定位结果的解算。
三、系统运行与结果分析
（一）数据传输及数据处理
坝面上5台GPS接收机通过有线指令定时（1h、2h或6h）将观测数据传输
至坝面数据采集器，再通过光纤送至控制中心.两个基准点的GPS观测数据也按指令通过无线方式传送至控制中心。在控制中心用GPSurvey软件和Trimble Geomatics Office软件进行基线向量的解算和GPS基线向量网平差计算。从数据传输到基线解算和平差计算约需15min。
（二）变形分析及结果显示
平差后得到监测点的实时定位坐标。再经过坐标转换并经滤波输出变形量、变形曲线，并在屏幕上实时显示变形曲线和有关信息。变形观测数据、数据处理结果、变形分析的结果，进入数据库并定期自动转存于光盘、硬盘。
（三）实时监控
在总控终端屏幕上，实时显示7台GPS接收机的工作状态系统能自动报警，便于及时排除故障，保证系统正常工作。
（四）实测精度
通过比较连续数日同一时段的lh解基线的重复性结果与均值之差，在南北方向、东西方向均小于1.2mm，垂直方向均小于4mm。其中误差分别为0.4、0.7和1.4mm。6h解基线重复性结果与均值之差更小。
四、关于坐标转换问题
（一）由GPS定位确定的WGS—84椭球坐标转换为大坝工程测区的工程椭球坐标
工程椭球与WGS—84椭球中心和扁率不变。按测区平均高程确定椭球半径增量△a，按大地坐标椭球变换微分公式将GPS点的WGS—84坐标转换为工程椭球坐标。
（二）工程椭球至高斯平面坐标转换
按照工程测区给定的中央子午线经度L0，用高斯投影公式、实现工程椭球坐标至高斯平面坐标的转换。
（三）高斯平面坐标至大坝坐标的转换
设定坐标轴旋转角与尺度比参数后，在至少有两个公共点坐标的条件下，按平面坐标转换公式将高斯平面坐标转换为大坝坐标。当公共点多于两个点，可按最小二乘法求解。
（四）工程平面坐标位移转换为径向和切向位移
根据实际需要，对于非直线性工程建筑物，需要知道监测点在径向和切向方向上的位移变化情况。为此还需将各点在工程平面坐标系中的位移转换为径切向位移。可以不考虑尺度比参数，仅考虑切向与工程平面坐标X轴的夹角，即可实现坐标位移的径切向转换。
五、结语
GPS技术以其全天候、高精度、高速度、实时三维定位等特点优于传统的测量技术，对于大坝变形监测是一种非常有效的方法，在确保精度的前提下，节省了大量的人力、物力、财力，对于大坝的安全运营，具有重要的意义。
参考文献
[1] 张华海，王爱生.GPS形变监测网的动态数据处理[J].解放军测绘学院学报，1999，16（1）.
[2] 徐绍全，张华海，杨志强.GPS测量原理及应用[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，1998.
[3] 柳太康，张绍全.GPS定位技术在隔河岩大坝变形监测中的应用[J].武汉测绘科技大学学报，1998，23（增刊）.
[4] 刘大杰，施一民，余晓红.GPS技术用于监测大城市三锥形变[C].中国全球定位系统技术应用协会论文集，1996.