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摘要：20世纪90年代初，美国的全球定位系统(GPS)投入了运行，90年代中期，俄罗斯的GLONASS系统完成构建，从而为开创现代卫星定位技术打下了基础。GPS技术以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点, 赢得了广大测绘工作者的信赖, 并成功地应用于大地测量、工程测量、地壳运动监测、工程变形监测等多种学科, 从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。下面本文就具体工程实例来说明GPS在工程安全监测中的应用。
关键词：GPS、工程安全监测、具体应用
中图分类号：C35文献标识码： A
一、前言
近几年,国家对自然灾害的防治工作力度逐步增大,而现实世界中灾害的发生都与变形有密切的联系,如滑坡、地震、建(构)筑物垮塌等,都是典型的变形破坏现象。因此,可以通过对变形体的监测对其可能发生的破坏进行预测。目前,变形监测技术已经呈现多学科交叉发展的趋势,主要涉及地壳变形、大坝、高层建筑及桥梁等领域。
传统的变形监测技术是采用水准仪、经纬仪或全站仪等技术来实施,这些方法虽然投入比较少,但往往只能以人工的方式进行间断式监测,不仅费时费力,而且易受天气变化和地形地貌等条件的限制,很难达到监测预警的目的。近十几年以来,GPS(G1obal Posi-tioning System)作为20世纪的一项高新技术得到了飞速发展,其定位精度大幅度提高,用户设备重量大大减轻,尺寸也大幅度缩小,系统应用软件越来越简便实用,应用成本大矢降低。因此,GPS对经典大地测量以及地球动力学研究的诸多方面产生了极其深刻的影响,国内外也有了很多成功的应用实例。总之,利用GPS定位技术进行变形监测,发挥其定位速度快、全天候、自动化、测站之间无需通视、可同时测定点的三维坐标及精度高等优势,为变形监测及安全预报技术的研究开辟了一条新的有效途径,在灾害监测中的应用也越来越广泛。
二、有关GPS监测精度的影响因素分析
利用GPS静态定位技术进行变形监测，首先要建立变形监测控制网，而后对基准点和变形观测点进行周期观测。每期变形观测结束后，应依据测量误差理论和统计检验院里，对获得的观测数据及时进行平差计算和处理，并计算各种变形量。GPS误差来源有以下三点：（1）与卫星有关的误差,包括:轨道误差和卫星钟差；（2）与信号传播有关的误差,包括:电离层误差万对流层误差、载波相位的周跳和多路径误差;（3）与测站有关的误差,包括:测站坐标、观测值噪声和接收机钟差闭。而从目前所使用的接收机和数据采集模式来看,以性能稳定、精确度和自动化程度高的GPS接收机进行同步观测为主,再加上采用静态差分观测的相对定位技术,使GPS观测精度大幅度提高。另一方面,考虑到GPS监测的特点:（1）监测区域较小;（2）多为短基线;（3）观测时间相对较长,则卫星钟差、接收机钟差等因素可采用适当措施使其影响降低到最低程度。目前,很多GPS接收机的标称定位精度都达到毫米级,但是考虑到布设在坡脚和坡体上的监测点在部分观测时段信号被遮挡严重,坡体、护坡等对信号的反射作用易产生多路径效应等因素,所以有必要分析这些限制因素及其对监测精度的影响。
变形观测的基准设计是一项关系到监测成果是否能够可靠、准确地反映变形情况的工作;同时,为了比较各期监测点观测结果,也需要解决监测网基准统一的问题,以便于进行后期的变形分析。利用传统方法进行监测,不仅不能估计到基准点的稳定性问题,还有可能在基准传递过程中积累较大的误差,对变形分析造成不利影响;而高精度GPS接收机的逐渐普及,统一监测基准问题就迎刃而解,即可在變形影响区外选择稳定基点,以保证数据的可靠性。
为了实现GPS监测基准的统一,必须首先明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据。GPS变形监测网坐标系统可以选择WGS-84坐标系,即可直接利用首期观测所得基准点的WGS-84坐标进行基准传递和后期的数据处理,也可利用已有国家或地方高级控制成果,进行联测转换,最后统一到国家或地方坐标系。如图1所示为GPS传递基准常用的几种连接方式,一般在条件容许的情况下易使用边连接或网连接,且在整个观测周期内其连接方式应该保持一致。
图1 GPS监测网基准传递的连接方式
三、GPS静态定位技术 在工程安全监测中的应用
某抽水蓄能电厂工程包括上水库、下水库、输水系统和厂房等部分，处于山区中部的崇山峻岭中，河道落差很大，下水库位于支流大溪上，上水库位于一条小支沟的沟源洼地，输水系统和厂房均设在地下，上、下水库库底天然高差约590m，筑坝形成水库后平均水头约 570m，两个水库的水平距离仅 1km 左右。因此，建立先进可靠的 GPS 形变监测系统，对于实时监控枢纽的安全运行，具有特别重大的意义。
将 GPS静态定位技术 应用于抽水蓄能电厂大坝的形变监测，工程实践中要考虑 GPS 的一些限制因素及其对定位精度的影响，我们考虑如下问题：
其一，在大坝的高边坡上设置的变形监测点，由于受高边坡的遮挡，就要合理设置卫星观测的高度截止角，不同的截止角对变形监测有无显著的影响。
其二，使用 GPS 定位首先要求接收机跟踪锁定足够数目的卫星，以便进行整周模糊度解算。在大坝的变形监测中需要多长的观测时间达到形变观测的精度要求。针对以上问题，我们在抽水蓄能电厂的坝区进行了以下应用研究：
（1）选择不同高度截止角
对受边坡遮挡的监测点，变换不同的高度角，观测各条基线长，与当地的常规全站仪测量得出的坐标（假定为真值）反算得出的基线长进行比较。选择 6个坝坡的观测墩架设天线，使用 Trimble 双频接收机按 15°、20°、25°、30°、35°高度截止角分期进行观测。使用 Trimble 的随机基线解算软件 TBC 算得基线长如表 1 所示：
表1 不同高度截止角观测结果
从以上的观测结果比较表可以看出，在 15°到 35°的变化区间上，观测结果的外符合误差基本上是在几个厘米的变化范围上浮动，取 15°到 20°左右可以达到最好的观测效果。因此，在对较高的建筑物进行形变监测过程中，一定要考虑是否有其他地物遮挡的问题。但是对于普通的滑坡位移监测，这样的精度已经能够满足要求，可以容许高度截止角在一定范围内的变化来避开被遮挡的空间。
（2）选择不同观测时段
考虑到用 GPS 观测不同于普通的全站仪，需要先对可见卫星进行信号锁定，计算出卫星的整周模糊度，根据卫星的分布计算几何精度因子，评价 GPS 定位的精度。当接收机失去对卫星的锁定时（比如遮挡或者卫星飞离可视空间），需要重新锁定新出现的卫星，比较并使用最优卫星空间结构计算天线位置。因此，就观测时段，我们作了相关的比较分析。在下水库，选取 C6、C7、C4 作为基准点，因其具有良好的环境条件和稳定性，将边坡上 D11、D7、D1 作为变形监测点，使用双频接收机分别连续观测 15、30、45、60、90 分钟，并使用 TBC 随机软件经过基线解算及网平差处理结果如表 2 所示：
表 2 不同 GPS 观测时段平差结果
从以上表 2 中三个监测点的坐标分量中误差可以看出，15 分钟观测精度只能达到厘米级的精度，最小是 1cm，最大达到 7cm。因此，15 分钟的时间不适合用 GPS 监测大坝的形变。观测时间大于 45 分钟，精度稳定在 2～3 毫米，90 分钟与 45 分钟观测结果相差已经不很明显。从工作效率考虑，45 分钟的 GPS 测量时间已经满足滑坡及大坝形变监测的要求。此外，在观测中发现，观测的时间周期越长，观测精度越高，。
四、结束语
1、GPS静态定位技术可以应用于工程安全监测中；
2、影响GPS静态定位技术精度的因素主要有：高度截止角，测量时间及观测频率；
3、利用GPS静态定位技术进行大坝监测的方法较传统大坝监测方法工作效率大大提高,具有较好的推广价值。
参考文献：
[1] 尹湃 张二林 孔庆宇：《测斜仪在软土地基监测中的应用及成果分析》,《港工技术》，2009年S1期
[2] 阳仁贵 欧吉坤 闻德保：《GPS广播星历误差及对定位结果的影响》，《测绘信息与工程》，2006年01期
[3] 王继卫 徐学辉 刘茂华：《GPS在变形观测中的应用》，《江西测绘》，2006年04期
[4] 俞得响 邹双朝：《GPS技术在滑坡变形监测中的应用》，《地理空间信息》，2009年01期
关键词：GPS、工程安全监测、具体应用
中图分类号：C35文献标识码： A
一、前言
近几年,国家对自然灾害的防治工作力度逐步增大,而现实世界中灾害的发生都与变形有密切的联系,如滑坡、地震、建(构)筑物垮塌等,都是典型的变形破坏现象。因此,可以通过对变形体的监测对其可能发生的破坏进行预测。目前,变形监测技术已经呈现多学科交叉发展的趋势,主要涉及地壳变形、大坝、高层建筑及桥梁等领域。
传统的变形监测技术是采用水准仪、经纬仪或全站仪等技术来实施,这些方法虽然投入比较少,但往往只能以人工的方式进行间断式监测,不仅费时费力,而且易受天气变化和地形地貌等条件的限制,很难达到监测预警的目的。近十几年以来,GPS(G1obal Posi-tioning System)作为20世纪的一项高新技术得到了飞速发展,其定位精度大幅度提高,用户设备重量大大减轻,尺寸也大幅度缩小,系统应用软件越来越简便实用,应用成本大矢降低。因此,GPS对经典大地测量以及地球动力学研究的诸多方面产生了极其深刻的影响,国内外也有了很多成功的应用实例。总之,利用GPS定位技术进行变形监测,发挥其定位速度快、全天候、自动化、测站之间无需通视、可同时测定点的三维坐标及精度高等优势,为变形监测及安全预报技术的研究开辟了一条新的有效途径,在灾害监测中的应用也越来越广泛。
二、有关GPS监测精度的影响因素分析
利用GPS静态定位技术进行变形监测，首先要建立变形监测控制网，而后对基准点和变形观测点进行周期观测。每期变形观测结束后，应依据测量误差理论和统计检验院里，对获得的观测数据及时进行平差计算和处理，并计算各种变形量。GPS误差来源有以下三点：（1）与卫星有关的误差,包括:轨道误差和卫星钟差；（2）与信号传播有关的误差,包括:电离层误差万对流层误差、载波相位的周跳和多路径误差;（3）与测站有关的误差,包括:测站坐标、观测值噪声和接收机钟差闭。而从目前所使用的接收机和数据采集模式来看,以性能稳定、精确度和自动化程度高的GPS接收机进行同步观测为主,再加上采用静态差分观测的相对定位技术,使GPS观测精度大幅度提高。另一方面,考虑到GPS监测的特点:（1）监测区域较小;（2）多为短基线;（3）观测时间相对较长,则卫星钟差、接收机钟差等因素可采用适当措施使其影响降低到最低程度。目前,很多GPS接收机的标称定位精度都达到毫米级,但是考虑到布设在坡脚和坡体上的监测点在部分观测时段信号被遮挡严重,坡体、护坡等对信号的反射作用易产生多路径效应等因素,所以有必要分析这些限制因素及其对监测精度的影响。
变形观测的基准设计是一项关系到监测成果是否能够可靠、准确地反映变形情况的工作;同时,为了比较各期监测点观测结果,也需要解决监测网基准统一的问题,以便于进行后期的变形分析。利用传统方法进行监测,不仅不能估计到基准点的稳定性问题,还有可能在基准传递过程中积累较大的误差,对变形分析造成不利影响;而高精度GPS接收机的逐渐普及,统一监测基准问题就迎刃而解,即可在變形影响区外选择稳定基点,以保证数据的可靠性。
为了实现GPS监测基准的统一,必须首先明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据。GPS变形监测网坐标系统可以选择WGS-84坐标系,即可直接利用首期观测所得基准点的WGS-84坐标进行基准传递和后期的数据处理,也可利用已有国家或地方高级控制成果,进行联测转换,最后统一到国家或地方坐标系。如图1所示为GPS传递基准常用的几种连接方式,一般在条件容许的情况下易使用边连接或网连接,且在整个观测周期内其连接方式应该保持一致。
图1 GPS监测网基准传递的连接方式
三、GPS静态定位技术 在工程安全监测中的应用
某抽水蓄能电厂工程包括上水库、下水库、输水系统和厂房等部分，处于山区中部的崇山峻岭中，河道落差很大，下水库位于支流大溪上，上水库位于一条小支沟的沟源洼地，输水系统和厂房均设在地下，上、下水库库底天然高差约590m，筑坝形成水库后平均水头约 570m，两个水库的水平距离仅 1km 左右。因此，建立先进可靠的 GPS 形变监测系统，对于实时监控枢纽的安全运行，具有特别重大的意义。
将 GPS静态定位技术 应用于抽水蓄能电厂大坝的形变监测，工程实践中要考虑 GPS 的一些限制因素及其对定位精度的影响，我们考虑如下问题：
其一，在大坝的高边坡上设置的变形监测点，由于受高边坡的遮挡，就要合理设置卫星观测的高度截止角，不同的截止角对变形监测有无显著的影响。
其二，使用 GPS 定位首先要求接收机跟踪锁定足够数目的卫星，以便进行整周模糊度解算。在大坝的变形监测中需要多长的观测时间达到形变观测的精度要求。针对以上问题，我们在抽水蓄能电厂的坝区进行了以下应用研究：
（1）选择不同高度截止角
对受边坡遮挡的监测点，变换不同的高度角，观测各条基线长，与当地的常规全站仪测量得出的坐标（假定为真值）反算得出的基线长进行比较。选择 6个坝坡的观测墩架设天线，使用 Trimble 双频接收机按 15°、20°、25°、30°、35°高度截止角分期进行观测。使用 Trimble 的随机基线解算软件 TBC 算得基线长如表 1 所示：
表1 不同高度截止角观测结果
从以上的观测结果比较表可以看出，在 15°到 35°的变化区间上，观测结果的外符合误差基本上是在几个厘米的变化范围上浮动，取 15°到 20°左右可以达到最好的观测效果。因此，在对较高的建筑物进行形变监测过程中，一定要考虑是否有其他地物遮挡的问题。但是对于普通的滑坡位移监测，这样的精度已经能够满足要求，可以容许高度截止角在一定范围内的变化来避开被遮挡的空间。
（2）选择不同观测时段
考虑到用 GPS 观测不同于普通的全站仪，需要先对可见卫星进行信号锁定，计算出卫星的整周模糊度，根据卫星的分布计算几何精度因子，评价 GPS 定位的精度。当接收机失去对卫星的锁定时（比如遮挡或者卫星飞离可视空间），需要重新锁定新出现的卫星，比较并使用最优卫星空间结构计算天线位置。因此，就观测时段，我们作了相关的比较分析。在下水库，选取 C6、C7、C4 作为基准点，因其具有良好的环境条件和稳定性，将边坡上 D11、D7、D1 作为变形监测点，使用双频接收机分别连续观测 15、30、45、60、90 分钟，并使用 TBC 随机软件经过基线解算及网平差处理结果如表 2 所示：
表 2 不同 GPS 观测时段平差结果
从以上表 2 中三个监测点的坐标分量中误差可以看出，15 分钟观测精度只能达到厘米级的精度，最小是 1cm，最大达到 7cm。因此，15 分钟的时间不适合用 GPS 监测大坝的形变。观测时间大于 45 分钟，精度稳定在 2～3 毫米，90 分钟与 45 分钟观测结果相差已经不很明显。从工作效率考虑，45 分钟的 GPS 测量时间已经满足滑坡及大坝形变监测的要求。此外，在观测中发现，观测的时间周期越长，观测精度越高，。
四、结束语
1、GPS静态定位技术可以应用于工程安全监测中；
2、影响GPS静态定位技术精度的因素主要有：高度截止角，测量时间及观测频率；
3、利用GPS静态定位技术进行大坝监测的方法较传统大坝监测方法工作效率大大提高,具有较好的推广价值。
参考文献：
[1] 尹湃 张二林 孔庆宇：《测斜仪在软土地基监测中的应用及成果分析》,《港工技术》，2009年S1期
[2] 阳仁贵 欧吉坤 闻德保：《GPS广播星历误差及对定位结果的影响》，《测绘信息与工程》，2006年01期
[3] 王继卫 徐学辉 刘茂华：《GPS在变形观测中的应用》，《江西测绘》，2006年04期
[4] 俞得响 邹双朝：《GPS技术在滑坡变形监测中的应用》，《地理空间信息》，2009年01期