探讨GPS测量在变形监测中的运用

1、探讨GPS测量在变形监测中的运用    摘要：GPS测量技术以其测站点之间无需通视、全天候观测、提供三维信息、测量范围大等特点在社会各领域中被广泛使用。本文结合多年的工作经验，探讨GPS测量在变形监测中的运用。 关键词：GPS；变形监测；测量 中图分类号：P228.4文献标识码：A 文章编号： 近年来，随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，人们对生产安全、生产效率的要求也越来越高。如果仍然使用传统测量方法，不仅工作量大，而且定位精度也很难达到要求。GPS全球定位系统作为一种全新的现代空间定位技术，逐渐取代了常规的光学和电子测量仪器。GPS测量技术以其测

2、站点之间无需通视、全天候观测、提供三维信息、测量范围大等特点，已成为现代测量的主要技术手段。 GPS不需要各种点（基准点、监测点）之间通视，测量范围也不受限制，同时具有高速数据采样率，使其在工程变形监测方面，具有独特测量优势。比如对于滑坡体较大通视条件差或大的露天矿边坡，很难找到通视的基准点，采用GPS监测时，基准点就可以选在远离变形区，而不是否通视。对于海上勘探平台沉陷监测、城市地面沉陷监测，采用传统的水准测量方法无法实现或作业强度很大，采用GPS可以降低劳动强度，而且可以直接利用大地高计算沉陷量，使观测结果的精度不受损失。利用GPS数据的高采样率，可用于高耸建筑物的风振监测、桥梁的振动监测

3、，尤其是5公里以上特长桥梁。 1. GPS变形监测作业方式 GPS用于变形监测的作业方式可分为周期性和连续性两种模式。当变形体的变形速率相当缓慢，在局部时间域和空间域内可以认为稳定不动时，可利用GPS进行周期性变形监测，监测频率视具体情况可为数月、一年或甚至更长时间。连续性变形监测指的是采用固定监测仪器进行长时间的数据采集，获得变形数据系列，此时监测数据是连续的，具有较高的时间分辨率。 周期性模式采用GPS静态相对定位的测量方法。该测量模式成本低，一般监测采用该模式。比如目前三峡库区滑坡、李家峡水电站滑坡，龙羊峡水库近岸滑坡等监测工程中均采用该模式。 连续性监测模式，对自动化要求高，数据采集周

4、期短的监测项目采用。对于卫星观测条件好的监测工程，比如桥梁、高层建筑物等的动态监测中，GPS正逐渐取代加速度计、激光干涉仪等动态监测设备。在虎门大桥、深圳帝王大厦、隔河岩大坝外观变形监测均采用该模式。该模式可实现24小时的连续观测，使监测工作实现完全自动化，使监测、监控、决策实现远距离控制，建立无人值守的监测系统。由于该模式要求GPS接受设备必须永久固定在变形点成本较高。另外，根据变形体的不同特征，GPS连续性监测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测，一般要求变形响应的实时性。 为解决限制连续性监测模式应用的高成本，香港理工大学、河海大学的专家开始提出和研究基于一机多天线的

5、自动化监测技术。利用若干GPS天线和具有若干通道的微波开关，相应的微波开关控制电路及1台GPS接收机组成一机多天线系统。最新系统将控制电路板、GPS接收机（OEM）板集成在工业控制计算机中。 2. GPS在变形监测中的测量方法 根据监测对象及要求不同，GPS在变形监测中可采用的测量方法分为静态测量法、快速静态测量法和动态测量法三种。 静态测量法是把多于3台GPS接收机同时安置在各观测点上同步观测一定时段，一般为1小时2小时不等，构网用后处理软件解算基线，平差计算求观测点的三维坐标。静态测量法精度高，一般水平精度优于3mm，垂直精度优于5mm。比如，隔河岩大坝应用广播星历12小时观测资料解算监测

6、点相对于基准点的水平精度优于1.5mm，垂直精度优于1.5mm；6小时资料解算水平精度优于1mm，垂直精度优于1mm6。GPS基准网，一般应采用静态测量方法，当基准网的边长超过10km，要考虑基准网的起算点与国际IGS站联测，基线向量解算时采用精密星历，以提高基线解算的精度。 快速静态测量法，适用于对监测点的观测。方法是把两台GPS接收机安置在基准点上固定不动连续观测，另1台以上GPS接收机在监测点上移动，每次观测510分钟(采样间隔为2秒)，经事后处理，解算出各监测点的三维坐标。若基准点至监测点的距离在3公里范围之内，监测精度为水平位移±3mm±5mm，垂直位移±

7、;5mm±8mm。若距离大于3公里，水平精度为5mm+1ppmD，垂直精度为8mm+1ppmD。由于快速静态测量法测量时间短，选择最佳观测时间段对保证观测精度至关重要。 动态测量法又分准动态测量法和实时动态测量方法。 准动态测量法，把一台GPS接收机安置在一个基准点上，另一台GPS接收机先在另一基准点上观测5分钟(采样间隔为1秒)，在保持对所测卫星连续跟踪而不失锁的情况下，在各监测点上停留210秒钟。经事后处理，精度可达12cm。 实时动态测量方法又叫RTK方法，是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术。其原理是在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续观测

8、，并将观测数据通过无线电传输设备，实时的发送给在各监测点上移动观测（13秒钟）的GPS接收机，移动GPS接收机在接收GPS信号同时，通过无线电接收设备接收基准站传输的观测数据，再根据差分定位原理，实时计算出监测点三维坐标及精度，精度可达25cm。如果距离近，基准点与监测点有5颗以上共视GPS卫星，精度可达12cm。GPS RTK最快可达110Hz速率输出定位结果；虎门大桥在恶劣气候条件下，如大风大雨大雾等进行测量，测量精度可达1厘米这是常规手段无法获得的。测量结果输出频率110Hz，实时动态三维坐标，和振动频率。 静态和动态各有优缺点，根据实际需要选择。 3. GPS监测技术的不足 GPS在高

9、山峡谷、地下、建筑物密集地区和密林深处，由于卫星信号被遮挡及多路径效应的影响，其监测精度和可靠性不高或无法进行监测1。比如，在滑坡体的变形监测中，监测点的位置通常是由地质人员根据滑坡、断层的地质构造和受力情况而定，测量人员的选择余地不大，变形监测点的观测条件欠佳，视场狭窄，大量卫星被山坡遮挡，多路径误差较为严重。 GPS用于动态变形监测时，由于GPS动态测量的精度只能达到厘米级，而监测点在很短时间内的变形是微小的，表现为一种弱信号，GPS测量误差成为强噪声，如何从受强噪声干扰的序列观测数据中提取微弱的特征信息，是GPS动态监测应解决的一个关键技术问题。 GPS与一般全站仪、测斜仪等监测设备相比

10、，设备成本较高，一般要3台以上GPS接收机。 GPS误差源多，与传统大地测量手段相比，GPS定位结果和观测值之间的函数关系要复杂得多，误差源也要多得多。在GPS定位中基准站与变形监测点之间的坐标差是依据两站的载波相位观测值和卫星星历经过复杂的计算后求得的，定位结果受卫星星历误差、卫星钟差、接收机钟差、对流层延迟、电离层延迟、多路径误差、接收机的测量噪声以及数据处理软件本身的质量等多种因素的影响。在数据处理过程中还将涉及周跳的探测及修复、整周模糊度的确定等一系列问题。其中任一环节处理不好都将影响最终的监测精度。此外接收机天线相位中心的不够稳定也是影响监测精度的一个重要原因。 6结论 综上所述，GPS监测技术现在虽然还有些不足，但GPS技术以其全天候、高精度、高速度、实时三维定位、误差不随定位时间而积