GPS在变形监测中的运用

1、摘要变形监测是按照一定的周期对变形体进行重复观测以确定其形状在空间位置随时间的变化量，并利用观测结果总结出变形规律从而监测变形体的运动.对并形体监测有实时观测和周期性观测，如果变形体变形缓慢，一般选取周期性变形监测，变形体有可能在压力作用下瞬间发生变形，则使用需要实时监测。每一种变形体在变形过程中需要同时获取大量相关数据，如果监测环境恶劣、高温、高压或者工作人员不能直接到达，同时满足在监测过程中不能影响生产施工等众多要求。传统的测量方法观测时间长，劳动量大已经不能满足变形监测的要求，GPS定位技术具有精度高、速度快、全天候，借助GPS数据解算软件可同时获得空间点的三维坐标，已经广泛在变形监测中

2、得到应用。本文对变形监测、GPS观测原理、ashtechsolutions后处理软件包的原理进行了说明，并借助分析GPS在某大坝获得的两期数据，用ashtech solutions后处理软件包进行对控制网的数据处理平差解算，从而解算出观测点的在WGS-84坐标系下的坐标，比较各个时期的观测数据，完成对此大坝的监测。关键字：变形监测 GPS技术 ashtech solutions 后处理软件包 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 概述随着经济、社会的发展，科学技术的进步，人们对高质量的大型桥梁、水电站的需求也日益增长，

7、同时，我国已经投入较大的人力、物力、财力修路筑桥，目前我国已是世界坝工大国，修建了8万多座坝，这些工程兴利除害，为国民经济发展发挥了巨大作用。我国由电力部门负责管理的130多座水电站大坝，从数量上看，虽然只占全国筑坝总数的很小一部分，但在国计民生中却占有特别重要的地位，这些大坝的安全，不仅直接影响到水电站自身发、供电效益的发挥，并与下游人民的生命财产、国民经济建设命脉乃至生态环境密切相关。水电站大坝与世界上所有建筑物一样，都有一个建成使用、渐趋老化直到消亡的过程，人们奋斗的目标，就是要对这一过程实行有效的控制，延长大坝的正常使用年限，避免大坝溃决失事造成巨大灾难。大坝溃决失事是一种突发性事件，

8、当其发生时已无法挽回，但引起大坝溃决失事的原因，是有规律可寻的，多数大坝的溃决失事，是某些不安全因素由量变发展到质变的结果。如何从大坝已经发生的一些事故中，总结出经验教训，及时采取对策，消除大坝的病害和隐患，防微杜渐，防患于未然，这是摆在广大坝工建设和管理人员面前的重大课题。多事故的发生，也对我们经济和人民生命安全造成了威胁，同时，造成很大损失，因此，对坝体的实时监测显得尤为重要。变形监测方法主要有传统的大地测量方法、特殊大地测量方法、摄影测量方法、智能全站仪、空间测量技术等，近年来，由于GPS具有劳动量相对小、全天候、速度快、精度高等优点已经广泛应用于地表的变形监测，对于较小区域监测，利用最

9、小二乘原理来估计或者通过基线向量的重复性来评定时程序较为常用，ashtech solutions 软件恰好可以根据观测数据运用最小二乘算法，对观测数据进行结算、平差，并且结果满足精度要求，在GPS数据处理中的应用得到广泛的研究。对不稳定区域进行及时监测，避免灾难性事故的发生。1.1 研究目的和意义我国20世纪70年代河南板桥、石漫滩两座水库溃坝，给社会和人民带来极大灾难；20世纪90年代青海沟后水库溃坝，再次造成巨大损失。这3座水库溃坝事件，留下了让人们永远难忘的深刻教训。多年来，我国大、中型水电站大坝虽未发生溃坝失事，但重大工程事故却多次出现，个别装机容量较小的大坝，也曾溃决失事。现将196

10、1至1998年之间，水电站大坝发生的21起事故。前事不忘，后事之师，认真分析这些事故的原因，从中吸取深刻教训，无疑是非常必要的。大多数事故与设计阶段的失误、施工过程遗留下的隐患 、运行管理中的差错等因素有关。应强化设计、施工、运行全过程的风险意识和安全管理。对运行中的大坝要坚持实施定期检查，及时维修加固和改造，认真进行安全注册，严密制定汛期和低水位时的防范措施，加大科研力度和开展险情预计，以防止重大事故的突然发生。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

11、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。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。并实现在这些领域的中的实时监测，及时预报。1.2 GPS变形监测技术的背景在上世纪80年代末，当人类完全掌握运用GPS人造卫星技术后，许多大坝的安全工程师开始逐渐重视GPS系统监测大型建筑物

12、的潜能。据有关报告，最早把这一系统应用在变形观测上的是瑞士的Naret大坝。这份研究报告指出，安装在大坝将近5公里轴线上的固定永久GPS监测仪器精度在水平距离上达到了毫米，垂直距离上的精度在1mm2mm之间。报告的作者也预言许多潜在的问题能够在长期的运用中得到解决。虽然作者短期的相关应用分析不能揭示数据的长期分布，但仍然显示了GPS获取高精度的大坝监测数据的价值。加利福尼亚南部的LosAngeles Countys Pacoima 大坝使用GPS监测是在90年代中期。1929年建成的高达113m的Paconima 防洪大坝是当时世界上最高的大坝。它已经经受住了1971年San Fernando

13、和1994年Northridge地震的严重破坏。大坝上布置了两个GPS测点。一个安装在大坝左肩止推座上混凝土操作间的屋顶上；另一个安装在了距拱坝中心约100m的地方。还有一个基准点安装在了距离大坝2.5km，高度高出大坝160m的山顶上。经过处理三年来得到的数据，研究人员发现大坝拱顶每年都有一个沿上下游移动的周期变化规律，运动幅度大约在15mm18mm之间。这组数据也使研究人员开始分析大坝年周期运动与短期温度变化之间的关系。Pacoima 大坝的报告也强调了GPS在大坝变形监测中的重要性。我国首次在虎门大桥采用GPS RTK技术监测桥梁的监测的动态变化。1.3 GPS在变形监测中的研究现状工程

14、变形监测方法主要有常规大地测量方法、特殊大地测量方法、摄影测量方法、智能全站仪(测量机器人)、空间测量技术(如GPS技术、合成孔径雷达干技术(InSAR)等。近年来，合成孔径雷达干涉技术(InSAR)、GPS技术、激光扫描技术、布里渊散射光时域反射测量技术(BOTDR)、计算机层析成像(CT)技术等变形监测新技术成为国内外研究热点，并得到了广泛应用.基于GPS技术的变形监测理论与方法，是当前广泛采用的变形监测新方法、新技术之一。GPS卫星定位技术相比于传统的测绘作业方法与模式有着显著的特点和优越性，其优越的性能及广泛的适用性，是常规测量作业难以比拟的。GPS以其全天候、高精度、高效率、实时动态

15、等优点，成为当今极为重要的监测手段之一。如今，GPS技术已广泛应用与地壳运动观测，区域地面沉降监测，矿区、坝区边坡稳定性监测，桥梁大坝及其他大型工程形变监测等诸多方面并取得了一系列成果，在实践中逐步发展、完善，积累了丰富的经验。将GPS技术应用于桥梁工程的变形监测方面，国内外开展了广泛的研究和试验。1997年，Ashkenazi等人曾用GPS系统实际动态测量英国的亨伯大桥(HumberBridge)形变，但由于天线安置较低，实验结果不够理想；为验证亨伯大桥的有限元模型，得到对建立非线性模型十分重要的大桥初始应变值，随后Brown等人用总重达160吨的5辆货车作为控制荷载，于1998年进行了第二

16、次GPS测试，分析结果显示与有限元模型吻合良好，认为GPS可用于悬索桥的实时监测。美国Guo qing Zhou等人建立了一个基于GPS的多传感器桥梁结构变形监测系统，将该系统布置在位于威斯康星州一座己有65年历史的提升式桥Michigan Street Bridge上，并通过无线和有线通信技术的结合实现了桥梁的远程实时监测。日本的明石海峡大桥(Akashi Kaikyo Bridge)，是一座主跨长度为1991m，全长为391 lm的悬索桥。FujinoY等人用GPS测定桥中跨的中点、一个塔的塔顶和桥梁一端锚底点的三维坐标，其中锚底点的坐标用于做参照，对监测点三维坐标进行换算以计算在桥梁轴线

17、方向上的位移。同时测定相应点处的温度和风力风向，以获取位移值和温度的对应关系、风速与位移值的关系，结果表明，6个月的桥塔顶端主缆温度与GPS实测加劲梁跨中挠度曲线的相关系数为1.996，吻合较好。该系统GPS接收机为LeicaMCl000型，在地震和强台风时的数据采样频率为20Hz。监测系统建立的目的是保证交通安全和结构的稳固性。法国的Leroy等人用GPS技术对全长为2141m，中央跨径为856m的诺曼底大桥(Normandy Bridge)，在1995年1月交付使用前进行了测试，证明了GPS能够以厘米级的精度进行实时水平位移监测。80年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。十多

18、年来，我国的测绘工作者在GPS定为基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自己的卫星导航系统。至今十多年来，据有关人士估计，目前我国的GPS接收机拥有量约有10万台左右，其中测量类约800-1200台，航空类约几百台，航海类约6万多台，车载类约2万多台。而且以每年2万台地速度增加。足以说明GPS技术在我国各行业中应用的广泛性。在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面。组织个部门参加1992年全国GPS定位大会战。经过数据处理，GPS网点地心坐标精度优于0

19、.2m，点间位置精度优于10-8。在我国建成了平均边长约100km的GPS A级网，提供了亚米级精度地心坐标基准。此后，在A级网的基础上，我国又布设了边长约30-100km的B级网，全国约2500个点。A、B级GPS网点都联测了几何水准。这样，就为我国各部门的测绘工作，建立各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。我国已完成西沙、南沙群岛个岛屿与大陆的GPS联测，使海岛与全国大地网联结成一个整体。在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技

20、术（简称RTK）测绘各种比例尺地形图和用于工程建设中的施工放样。在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。我国已开始运用GPS技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水和地壳断裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS形变监测网等。GPS技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。此外，在军事国防、智能交通、邮电通信，地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理

21、探矿、姿态测定等领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。在我国，也有许多将GPS技术成功运用于桥梁变形监测的案例。2000年，香港高速公路管理局的KaiYue Wong等人利用GPS实时动态载波相位差分(RTK)技术建立了香港青马大桥监测系统1141，在桥面、桥柱和桥塔上布有27个测站，另外还设有两个基准站。GPS接收机与其它监测传感器一起组成了监测系统对青马大桥的安全进行监测，数据采样率为10Hz，通过通信光纤把数据从各个监测站传输到数据处理中心。该系统通过对桥梁位移和变形的高精度实时监测和分析，为桥梁的管理和维护提供了科学的依据。广东虎门大桥有限公司联合清华大学地球空间信息研究所于2000

22、年5月建立了利用GPS RTK技术的虎门大桥实时动态三维位移监测系统，该系统包括1个GPS基准站、7个GPS监测站，光纤数据传输系统和中心计算机系统及相关的数据采集传输和数据处理软件。实现多测点的实时数据双向传输和远程系统管理。该系统能在各种条件下24小时运行，可以监测悬索桥在风荷载、温度变化、地震和车辆等因素激励下的三维位移变化情况，并可分析箱梁振动频率，箱梁扭转和整桥变形。通过长期积累这些数据，可以分析悬索桥在实际运行状况下的规律及其安全特性规律，可做为安全监测的手段之一。该系统的建立，为悬索桥的科学管理提供强有力的手段，分析掌握所积累的数据，可以印证原设计的准确性，提高中国的悬索桥设计理

23、论水平。该技术的开发应用有助于提高中国悬索桥等大型构筑物的安全监测水平。此外，天津永河大桥、江苏苏通大桥等大型桥梁也都采用GPS技术进行了监测。前人的研究为GPS技术在桥梁监测中的应用打下了基础，为后续研究提供了理论依据。GPS与其它传感器结合用于桥梁健康监测已形成了趋势。在数据处理方面，基于GPS技术的变形监测数据处理主要包括GPS定位测量的数据处理及工程变形监测的数据处理、变形分析和预报两方面。GPS应用与在变形监测领域，多采用静态相对定位方式和实时动差分定位方式(GPS RTK模式)。在GPS静态相对定位中，一般采用载波相位差分技术。根据求差的方式可分为单差法、双差法及三差法。在GPS测

24、量的数据处理中，整周未知数的求解以及周跳的探测与修复是GPS数据处理中的关键问题。此外，电离层延迟模型、对流层延迟模型的改进与完善、多路径效应影响等方面的研究也是GPS数据处理中的重要内容。在变形分析与预报方面，小波变换理论、卡尔曼滤波理论、线性平滑理论、BP神经网络方法、时间序列和谱分析方法、灰色理论等理论方法被广泛应用与变形监测分析与预报，传统方法和现代方法并存，并向程序化、自动化、智能化、可视化方向发展。工程变形监测技术的发展，工程变形分析预报方法的日趋成熟，促进了GPS技术在变形监测的应1.4 本论文的主要研究内容与论文结构本文对变形监测、GPS观测原理、ashtechsolution

25、s软件原理进行了说明，并借助分析GPS在某大坝获得的两期数据，用ashtech solutions软件解算出观测点的在WGS-84坐标系下的坐标，比较各个时期的观测数据，完成对此大坝的监测。第一章主要讲述GPS应用于变形监测的背景，在国内外的研究现状。第二章对GPS观测的原理、变形监测的原理、GPS在变形监测中的特点进行了详细的说明。第三章对控网的布设，投影带的选取，测量规范进行说明，以及数据的处理过程，容纳后对处理后的数据进行分析。第四章主要是对GPS应用于变形监测的展望和总结。2 GPS观测原理及在变形监测中的应用此部分主要介绍了变形监测、GPS变形观测原理、GPS定位原理。2.1变形监测

26、变形是指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时间域和空间域的变化，超出了变形体一定的允许范围，可能会发生滑坡、岩崩等自然灾害。 变形监测就是利用测量仪器对选定的具有代表性的特征点进行实时或者周期性的监测，以确定变形体在时空中的变化，变形的类型可分为静态观测和动态观测，静态观测是变形体随时间的变化而发生缓慢的变形，需要长时间多周期的监测才能发现其变形规律；动态变形主要是变形体在外界负荷压力的作用下而发生的变形，一般这种变形是在瞬间压力的作用下很快的发生。 变形监测的方法：大地测量方法中，常用的大地测量方法主要是通过测角、测边、水准等方法测定变形，此类传统的方法费用低、精度可靠、劳动强度大

27、等特点。GPS已经随着卫星大地测量技术的发展在变形监测领域的应用越来越广泛，具有着传统大地测量方法不可比拟的优点；变形监测的新技术中合成孔径雷达干涉技术、激光扫描技术、计算机层析成像技术等变形监测技术成为国内外研究热点，并得到广泛应用。 目前大型建筑物和大型矿区在国民经济建设具有重要的作用，由于其安全性和精度要求的进一步提高，更加需要周期的监测，通过GPS观测技术来分析和评价建筑物和大型厂区的安全状态、验证设计原理和反馈施工质量、研究变形规律，进行合理分析和预报。2.2 GPS 变形观测原理2.2.1 GPS全球定位系统概述 GPS的英文全称是Navigation Satellite Timi

28、ng And Ranging Global Position System，简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS。其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统。它是美国国防部建立的海陆空三军共用的新一代卫星导航系统。 GPS系统由3部分组成：空间部分、地面监控部分和用户接收部分（如图21）。 图21. GPS系统 图22. GPS 卫星星座 （1）空间部分空间段有一系列在轨运行卫星（来自一个或者多个卫星导航定位系统）构成，提供系统自主导航定位服务所必必需的无线电导航定位信号。其中，GPS卫星星座由21颗卫星和3颗备用卫星组成，卫星装备4台高精度原子钟，卫星分布于6个轨道

29、平面，轨道平均高度约为20200km，每个轨道面上分布4颗卫星，轨道倾角约为55，各轨道平面升交点的赤经相差60，在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30。 （2）控制部分 GPS地面部分由全球分布的5个地面站组成，由监测站、主控站和注入站组成。监测站配备有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机和各种环境数据传感器，对系统所需的各种数据进行自动采集。主控站具有监测站的全部功能，协调和管理地面监测系统，其核心功能为：利用监测站的全部观测资料，推算卫星星历、工作状态、卫星钟差和大气层的改正参数等，并将并将生成的导航电文传送给注入站；提供整个系统的时间基准，推算监测站和GPS卫星钟差，并将钟差编入导航电

30、文；生成卫星状态和卫星调度信息。（3）用户部分 用户设备主要是GPS接收机，主要由接收机硬件、数据处理软件及其终端设备组成，GPS接收机的主要功能是接受GPS卫星信号，获取必要的导航和定位信息和观测量，经过数据处理实现导航和定位。2.2.2 GPS定位测量原理GPS卫星发送的导航定位信号一般包括载波、测距码、和数据码三类信号。GPS导航电文（D）码是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码信息的数据码。导航电文是利用GPS进行定位的数据基础。GPS发射两种伪随机测距码，即C/A码和P码。 利用GPS进行定位的定位原理实质上是空间

31、的三维后交会，利用卫星星历计算出某一时刻三颗卫星的空间三维坐标和接受机观测数据计算接收机的坐标。由于接收机钟差在某一时间为未知常数，因此至少要同时观测出四颗卫星（如图23 ）。(21) (22)图2-3. GPS接收机原理根据接收到的不同卫星信号和处理方法的不同，GPS卫星定位的主要方式可分为伪距测量定位、载波相位测量定位和差分GPS定位。对于待定点，根据运动状态可分为静态定位和动态定位。单台GPS接收机进行的定位成为单点定位，或绝对定位；两台或两台以上接收机分别安置在不同的待测点上，通过同步观测卫星信号，确定待测点的相对位置，成为相对定位。 对于GPS测量方法：伪距观测，载波相位观测， （一

32、）伪距测量： （1）卫星依据自己时钟（钟脉冲）发出某一结构的测距码，经过t时的传播到达GPS接收机。 （2）接收机在自己钟脉冲驱动下，产生一组结构完全相同的复制码。 （3）通过时延器使之延迟时间，对两码进相关比较。 （4）直至两码完全对齐，相关系数R（t）=max=1，则该时间延迟即为传播时间t（=t）。 （5）距离=ct=c。 由于实际中卫星钟和接收机钟存在着误差，所以上述方法求出的距离将受到两台钟不同步的误差影响，此外，卫星信号还需要穿过电离层和对流层到达地面观测站，在电离层和对流层中信号传播的速度V不等于C，所以根据上述公式求得的距离不是真实的距离，称为伪距。 当对伪距进行各项误差改正，

33、精确计算时，卫星信号由卫星到达测站的钟面传播时间： (23)在不顾及大气折射等误差影响的情况下，由钟面传播时间乘以光速，就得到卫星至测站的伪距。 (24)现顾及大气折射影响 (25) 为理想距离。 显然，伪距观测方程中是非线性项，表示测站与卫星之间的几何距离： (26)由于方程为非线性方程，需要对上述方程进行线性化，线性化后的方程为： (27)有三个测站未知数 以及一个钟差未知数 电离层和对流层改正一般通过专门的数学模型另行处理。这样，接收机至少需要跟踪4颗卫星，才能求解。（二、）载波相位观测 GPS载波信号存在着两种频率的正弦波 L1: L2： 对卫星信号进行调制和解调后被GPS接收机接受，

34、载波相位的测量原理为（图2-4）卫星信号传至接收机的过程（图2-5） 。图2-4. 载波相位观测原理 图2-5. 信号传播示意图在实际进行载波相位测量的时候，当接收机跟踪上卫星信号，并在起始历元瞬间 进行首次载波相位测量时，只能测到不足一整周的相位，因为载波是一种单纯的正弦， 没有任何标志，不能测得第几周，于是出现了整周模糊度，相位差公式应为： (28) (29) (210) 载波相位观测示意图：图2-6. 载波相位信号传播图由于接收机的频率漂移比较小，一般可以忽略，即： 考虑到接收机钟差，相位观测方程可表示为： (211)而 电流层和对流层都会对传播相位产生影响，载波相位观测方程可表示为：

35、(212)式子两边都乘以 可转化为： (213)载波相位观测方程： (214) 测向距离形式的观测方程： (215)根据上述式子，可进行对接收机钟差、卫星钟差、卫星轨道误差、多路径效应、电离层误差、对流层误差进行改正，并通过最小二乘原理或者卡拉曼滤波算法对数据进行实时或者后处理的解算。其中某一时刻接收机钟差可视为常数，多路径效应是随机误差，电离层和对流层均可以根据前期观测值总结出其随时间变化的模型，进行对观测数据进行改正。2.3 GPS变形监测数据分析原理 2.3.1 数据处理过程 GPS接受机接受到的大坝数据需要通过数据传输系统传输到软件部分进行预处理、基线解算和平差，其示意图如下(2-7)

36、： 图2-7. GPS数据处理基本流程图图中第一步数据采集的是GPS接收机野外观测记录的原始观测数据，野外观测记录的同时用随机阮籍解算出测站点的位置和运动速度，提供导航服务。数据传输至基线解算一般是用随机软件（后处理软件）将接收机记录的数据传输到计算机，在计算机上进行预处理和基线解算。GPS网平差包括GPS基线向量网平差、GPS网与地面网联合平差等内容。整个数据处理过程可以建立数据库管理系统。大多数的GPS接收机，采集的数据记录在接收机的内存模块上。数据传输是用专用电缆将接收机与计算机连接，并在后处理软件的菜单中选择传输数据选项后，便将观测数据传输至计算机，书记传输的同时进行数据分流，生成四个

37、数据文件：载波相位和伪距观测值文件、星历参数文件、电离层参数和UTC参数文件、测站信息文件。2.3.2 大坝自动化监测模型针对高边坡在大型工程建设中的重要性和常规GPS监测方法在高边坡监测中无法克服的弱点问题，从系统的投入成本、自动化及可靠性角度考虑，提出了基于GPS技术、GPRS无线通讯与控制等技术的远程自动化高边坡安全监测系统。该系统实现了高危边坡现场监测数据的自动采集与无线传送至远程监控中心，并在远程监控中心自动完成数据的解算与分析。对于自然或人工边坡的形变监测，通常有常规监测和GPS监测两种方法。常由于高坝修筑在山区峡谷地带，范围大，气候复杂多变，每到雨季更有湿度大、雾气大的特点，使得

38、常规的监测方法在雨季这样监测的重要时期不具备时效性。根据上述，以大坝GPS自动化变形监测系统模型的建立作为例子来简要说明数据的采集和处理方法流程。 图2-8. 数据的采集和处理方法流程在根据初始的概念图建立起大坝GPS自动化变形监测系统的基础模型，如下： 图2-9. 大坝GPS自动化变形监测系统的基础模型当然上面的模型是非常简单的，只是一个大概的框架，要实现具体的大坝GPS自动化变形监测模型，还要对各部分进行详细的分析，例如我们想得到大坝变形的数据时，通过配带的设备，能马上在人和大坝之间很快的建立起无线局域网，并同时启动空间GPS观测系统，控制中心，和提取大坝数据库，不仅能反馈给你当前的变形数

39、据，还可以显示出以前的监测数据，较为方便的对数据进行分析。2.4 GPS在变形监测中的特点GPS技术的应用给测量技术带来了一场深刻的革命，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 ,比传统大地测量精度提高了3个量级。目前GPS技术已成为监测地壳形变和板块运动的有效手段。我国从1990年开始先后建立了多个全国性的GPS监测网和主要活动地带的区域性监测网，并进行多期的复测和连续观测，得到了中国地壳运动呈现明显的非均匀性的结论。大坝变形监测方面也成功的建立了GPS自动监测系统。 GPS监测的优点：（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

40、GPS测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110-6甚至更的相对定位精度。（5）操作简便,易于实现监测自动化。GPS接收机的自动化程度越来

41、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 (216)式中,hz为大地高, 为正常高, 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 ,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实例解算利用ashtech soluti

42、ons软件，根据GPS观测原理，结合某大坝的实际情况，GPS接收机观测测量区域特征点数据，软件进行基线解算和网平差，通过对其行变形的监测，并分析其变形规律，从而及时作出预防措施。 3.1 ashtech solutions 软件简要介绍 ashtech solutions 是北京天测研发的主要处理单频、双频GPS数据基线解算，平差处理。其利用GPS数据，将各种形式的GPS观测数据，利用最小二乘算法对观测数据进行处理得到最优估计值，并评定未知点的精度。 3.2大坝上选择标志点位置 3.2.1 工程概况某大坝的现场分布情况：CG06、CG11是两个基准点，OP03、OP04、OP05是大坝体上的三

43、个监测点。要在这座大坝上建立一个GPS网络系统，其实是组建一个小型局域网。其网络中心要设在电厂办公楼，具体流程是：每台工作站与GPS接收机相连，以便实时地将GPS接收机的观测数据实时地传到工作站上，然后经传输设备进入网络服务器，最后对实时观测的原始数据进行解算、分析。 3.2.2控制网的布设： （1）.了解控制测量的目的和收集资料 主要了解测区的地理位置、形状大小，今后发展远景，测量成果使用的精度要求，完成任务的期限以及生产上对控制点位置、密度的要求等。大坝变形测绘人员应到有关测绘业务及管理部门收集有关资料。如设计时需用的地形图(比例尺为11000150000)，测区已有的控制成果，并到测区踏

44、勘了解旧标石标架的保存情况，为确定布网方案、设计和施测做好一切准备工作。 （2）.确定布网方案 根据控制成果今后的使用要求和已收集到的测量资料及拥有的仪器设备、技术力量等条件，确定布设控制网的方案。由于仅仅是对大坝所在区域相对于大坝外控制点的变形，因此布设成独立网；测量方法是GPS相对定位测量；是一次全面布设；是采用三度带投影。 图上设计宜在1:10000或1:25000的地形图上进行:首先展绘已知点、网；按照已定的布网方案从图上判断点与点之间是否彼此通视，由各点组成的图形能满足规范所规定的精度和其他要求，布在位置也应能满足使用要求。图上选点后，须到实地确定，是否切实可行，为了保证控制网精度和

45、避免返工浪费，还应该估算控制网中推算元素的精度。 （3）.编写技术设计说明书 编写技术设计的目的在于拟定大坝监测控制测量的实施计划，从整体规划上、技术上、组织上作出说明。 （4）造标埋石 确定了控制点的位置以后，须着手进行造标埋石工作，埋设的标石作为点的标志，建造的觇标作为观测时照准的目标，一切观测成果和点的坐标都归算到标石中心上。因此，标志点的选取一定要坚固，有效反应大坝的变形情况，并且还要选取大坝外的基准点，作为对大坝上标志点的对照。3.2.3 投影带的选取 此次控制网点均分布在101104之间，靠近101，选取3带作为投影带。为了避免投影误差，还可在WGS84坐标系下进行测量、计算、比较

46、和评定。3.2.4测量规范一般传统的监测网中需要分别设置平面控制网和高程控制网，但是有时测图网的精度和密度要求，需要同时获取标志点的三维坐标，观测要满足国家规范要求，一般是距离丈量相对误差不超过1/10000，测角误差不超过10分。为了保证整个建筑场地各部分高程的统一和精度要求以及高程测设的便利，采用GPS进行观测实施监测， 此大坝的点位分布图（3-1）： 图3-1. 某大坝的现场分布图此大坝共有5个标志点GC06、OP05、OP04、OP03、GC11，其中GC06、GC11两个基准点位于坝体之外，可认为是固定的，在没有较大的运动情况下，基本上可视为是坝体运动的参考点。OP05、OP04、O

47、P03位于坝体上的特征点，通过监测这三个点的运动，可分析坝体的大致运动趋势。3.3 数据处理处理数据的思路：总有两期对大坝的监测数据，在大坝整体位移不大、主要研究大坝控制网内标志点变化的情况下，可将坝体外的两个点视为基准点，对整个网进行整体基线解算和网平差，输出各个点的坐标及精度评定结果；然后以第一期观测的基准点GC06、GC11为固定点，利用第二期数据进基线解算和网平差，并对各个点的精度进行检核是否在控制的范围内，如果超出限差，需要对数据进行进一步的处理，然后同比第一期处理的OP05、OP04、OP03点的坐标进行对比，比较两期观测中，大坝总体的结构位移，从而对其稳定性进行分析。每个观测时刻

48、的观测卫星大于4颗，仪器采样间隔统一设置为10妙，天线采用脚架安置在点位垂线方向上，对中误差小于3mm，基座均整平，居中。接收机采集数据后转换为国际标准rinex格式，运行ashtech solutions后处理软件，建立新项目，定义坐标系统，输入中央子午线137，比例因子是1，椭球是1984北京坐标系，导入renix格式数据，点击计算机键盘F5键，软件默认处理所以基线，共有10条基线，处理后的基线标准差值均小于限差，然后进行最小约束平差，平差后的基线向量的径向残差均小于限差，Network rel. Accuracy 显示通过。处理结果均小于限差。 3.3.1 数据观测要求外业观测作业中，为

49、提高观测精度，采取了如下几个具体的措施：1）卫星选择。同步观测的卫星不少于4 颗，且均匀分布在四个象限；2）图形强度因子GDOP 值的选择。较小的GDOP值表明卫星星座与测站构成的几何图形较好， GDOP值越佳则意味着越能获得良好的观测成果，所以观测中选择的GDOP 值均在6以下；3）量取天线高时，用三角板直接丈量到天线相位中心的参考点（ARP） 。由于GPS 接收机自动化程度较高，且各测站间无需通视，在数据采集过程中，完全无需人员看守，所以大大减轻了监测人员的工作量。3.3.2 数据处理过程安装ashtech solutions后处理软件包，双击图标打开软件，首先建立一个工程，显示出如下界面

50、3-2 ： 图3-3. 第一期数据分布图图3-2. 软件界面导入数据，数据分布如图3-3进行基线解算和平差处理，结果为3-4：图3-4. 第一期数据整体平差图 图3-4. 第一期数据整体平差图 解算完毕，从网精度图上分析基线的精度，对精度较差的基线进行处理。以基线OP05GC06为例，查看OP05GC06基线的载波相位双差残差（carrier phase double differenced residuals），从中找出误差较大的时间段，进行有效的筛除，从而进一步提高GPS监测数据的高精度。其他残差图曲线基本平滑连续而且数值比较小，说明观测数据质量比较好，符合高精度滑坡变形监测的要求。 对第

51、二期数据进行相同的方式进行处理：将第一期观测的两基准点作为第二期观测的控制点，1954坐标系中平差结果如下（36）：3.3.3 数据处理结果经过ashtech solutions软件处理，可到两期观测的平差网点图和分别在WGS84坐坐标系和1954北京坐标系下的包含基线向量、各点坐标及精度的报告，并对其进行对比，从而分析大坝变形。对第一期数据进行基线解算和网平差，在WGS84坐标系下其平差结果为：对第一期数据进行处理得到在1954坐标系下标志点的坐标和精度： 图3-6. 第二期数据处理点的结果Site PositionsHorizontal Coordinate System: 1954 Be

52、ijing 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 将第一期观测的两基准点作为第二期观测的控制点，1954坐标系中平差结果如下（3-2）： 以GC06和GC11为基准点对第二期网进行平差，在1954坐标下平差结果坐标为：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 +