GPS在湖北白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測網(wǎng)中的應(yīng)用

鄒雙朝，甘孝清，周 武

(長江科學(xué)院a.工程安全與災(zāi)害防治研究所;b.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心;c.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

白蓮河抽水蓄能電站位于湖北省黃岡市羅田縣白蓮河鄉(xiāng)境內(nèi)的白蓮河水庫右壩頭上游側(cè)，蓄能電站上水庫位于白蓮河水庫右壩頭上游側(cè)的山頭凹地，庫盆由葉家沖與月山?jīng)_2條溪溝組成，庫底高程260～290 m，庫周地表分水嶺高程330～450 m，集雨面積2.71 km2。為了監(jiān)測電站上水庫及建筑物的變形情況，在上水庫庫周布置了一個(gè)平面變形監(jiān)測控制網(wǎng)，由8個(gè)網(wǎng)點(diǎn)組成，具體分布見圖1。該控制網(wǎng)為二等邊角網(wǎng)，每年復(fù)測一次。

圖1 白蓮河蓄能電站上水庫變形監(jiān)測控制網(wǎng)圖Fig.1 Deformation monitoring control network of upper reservoir on Bailianhe pumped storage station

在變形監(jiān)測控制網(wǎng)觀測過程中，由于通視和地形條件、各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)之間高程差較大、空氣溫度分布不均等因素的影響，測量機(jī)器人觀測時(shí)成像模糊或跳動，使得某些方向的角度觀測值超限，極大地影響了外業(yè)觀測的精度和效率。另外在電站大規(guī)模施工完成后，山上雜樹和叢林迅速生長，加上農(nóng)村房屋的建設(shè)，改變了控制網(wǎng)原有的通視條件，難以按照設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行觀測。雨天和大壩泄洪期間，受雨滴和泄洪產(chǎn)生的水氣霧化的干擾，傳統(tǒng)的光學(xué)儀器測量方法無法實(shí)施變形觀測。隨著GPS定位技術(shù)在大地測量、精密工程測量等諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，采用GPS進(jìn)行高精度變形監(jiān)測控制網(wǎng)觀測已成為傳統(tǒng)變形監(jiān)測觀測的一種必要補(bǔ)充手段。本文采用GPS技術(shù)實(shí)施上庫變形監(jiān)測網(wǎng)的觀測，并探討是否能達(dá)到變形監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計(jì)要求的精度。

2 測量機(jī)器人變形監(jiān)測網(wǎng)觀測

白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測控制網(wǎng)設(shè)計(jì)要求按照二等邊角網(wǎng)的精度指標(biāo)要求進(jìn)行觀測。觀測技術(shù)方法采用方向觀測法，測量儀器采用徠卡公司具有自動目標(biāo)識別功能的測量機(jī)器人TCA2003。外業(yè)觀測采用機(jī)載自動控制網(wǎng)觀測系統(tǒng)，由伺服馬達(dá)驅(qū)動，多測回測角的方法，完善的限差控制，自動尋找目標(biāo)、自動精確照準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行角度、距離測量，實(shí)時(shí)報(bào)告測量精度質(zhì)量、記錄合格測量數(shù)據(jù)至全站儀PCMCIA卡。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)觀測12測回，并且保證12個(gè)測回在2個(gè)時(shí)間段完成，一般在上、下午2個(gè)時(shí)間段各觀測6個(gè)測回。為了保證控制網(wǎng)的觀測精度，必須在成像清晰、穩(wěn)定的條件下進(jìn)行觀測，且觀測過程中，待儀器溫度與外界氣溫一致時(shí)才能開始觀測。外業(yè)觀測時(shí)，需要記錄儀器處和各個(gè)目標(biāo)處的氣溫、氣壓、濕度;外業(yè)結(jié)束后，對各條觀測視線的氣溫、氣壓、濕度進(jìn)行平均，再利用氣象改正模型，對測量距離進(jìn)行改正。

2011年10月，測量機(jī)器人完成觀測后，采用大地測量綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對自動記錄觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測質(zhì)量統(tǒng)計(jì)和平差計(jì)算，其數(shù)據(jù)處理過程如下:

首先進(jìn)行控制網(wǎng)的各種參數(shù)設(shè)置，包括坐標(biāo)系統(tǒng)、投影高程面、儀器的加乘常數(shù)、大氣折光系數(shù)、角度距離觀測的各種限差等，然后將自動記錄的觀測數(shù)據(jù)按照規(guī)范表格，生成水平角、天頂距、距離觀測電子記錄文件，并對角度觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，角度觀測統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 變形監(jiān)測控制網(wǎng)測角精度統(tǒng)計(jì)表Table 1 Accuracies of angel measurement ofdeformation monitoring control network

接著對邊長觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行氣象改正、加乘常數(shù)改正、傾斜改正、投影改正、周期誤差改正等，在角度觀測、往返邊長、往返測高差、三角形條件、極條件、正余弦條件等統(tǒng)計(jì)符合規(guī)范要求后，將已知數(shù)據(jù)、角度觀測、邊長觀測數(shù)據(jù)組合成平差準(zhǔn)備文件，最后進(jìn)行經(jīng)典控制網(wǎng)平差，平差成果精度統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 變形監(jiān)測控制網(wǎng)平差結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 2 Adjustment results of deformation monitoring control network

從表1和表2的成果統(tǒng)計(jì)來看，測量機(jī)器人的觀測成果滿足白蓮河變形監(jiān)測網(wǎng)精度設(shè)計(jì)要求。

采用測量機(jī)器人在白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測控制網(wǎng)觀測過程中，由于各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)分布在上水庫的四周山上，點(diǎn)與點(diǎn)之間的空氣溫度分布不均，造成儀器在進(jìn)行自動精密觀測時(shí)成像模糊或跳動，使得某些方向的角度觀測總是超限，極大地影響外業(yè)觀測效率。隨著GPS精密定位技術(shù)在大地測量、精密工程測量等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，采用GPS進(jìn)行高精度變形監(jiān)測控制網(wǎng)觀測已成為今后的發(fā)展趨勢，因此采用GPS技術(shù)對變形監(jiān)測網(wǎng)的觀測，探討是否能達(dá)到變形監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計(jì)的要求。

3 GPS變形監(jiān)測網(wǎng)觀測

變形監(jiān)測控制網(wǎng)復(fù)測采用GPS測量技術(shù)，與傳統(tǒng)測量邊角相對幾何關(guān)系的方法相比，GPS具有全天候、自動化、測站間無需通視、可同時(shí)測定測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。GPS測量技術(shù)的具有如下特點(diǎn)。

(1)定位精度高:GPS相對定位精度在50 km以內(nèi)可達(dá) 10－6，500 km 可達(dá) 10－7，1 000 km 可達(dá)10－9。在300～1 500 m工程精密定位中，1 h以上觀測解的平面位置誤差小于1 mm。

(2)測站間無須通視:GPS測量不要求測站之間互相通視，只需測站上空開闊即可，因此測點(diǎn)位置可根據(jù)需要，可稀可密布置，使選點(diǎn)工作甚為靈活。

(3)可提供三維坐標(biāo):經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測。GPS可同時(shí)精確測定測點(diǎn)的三維坐標(biāo)(平面+大地高)。目前，通過局部大地水準(zhǔn)面精化，GPS水準(zhǔn)可滿足三等水準(zhǔn)測量的精度。

(4)全天候作業(yè):GPS觀測可在24 h內(nèi)的任何時(shí)間進(jìn)行，不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等天氣的影響。

2011年10月，測量機(jī)器人觀測完成后，采用6臺徠卡公司高精度雙頻GPS接收機(jī)對變形監(jiān)測控制網(wǎng)進(jìn)行靜態(tài)相對定位觀測。將8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)分成3個(gè)時(shí)段觀測，每個(gè)時(shí)段長度大于240 min，不同時(shí)段有4臺接收機(jī)同步，保證監(jiān)測網(wǎng)中每個(gè)點(diǎn)與其它監(jiān)測點(diǎn)都有基線連接，提高了控制網(wǎng)的可靠性和精度。

外業(yè)觀測完成后，首先采用徠卡公司LGO 6.0軟件進(jìn)行基線數(shù)據(jù)檢查和基線解算?？紤]到現(xiàn)場觀測條件TB06和TB01監(jiān)測點(diǎn)周圍有樹枝遮擋，凈空條件不理想，刪除部分受干擾的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，提高與之同步基線的質(zhì)量。然后采用武漢大學(xué)科傻GPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行三維無約束平差和二維約束平差，最后對平差的結(jié)果進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)。環(huán)閉合差、三維基線向量無約束平差的點(diǎn)位誤差統(tǒng)計(jì)見表3和表4。

表3 環(huán)閉合差精度統(tǒng)計(jì)表Table 3 Accuracies of loop closure of control network

表4 三維無約束平差的點(diǎn)位誤差統(tǒng)計(jì)表Table 4 Point errors of three dimensional unconstrained adjustments mm

變形監(jiān)測網(wǎng)參與平差計(jì)算的基線有39條，構(gòu)成閉合環(huán)21個(gè)，各個(gè)閉合均不超限。二維約束平差結(jié)果的平均邊長相對中誤差為1/374 405，最弱邊TB05—TB06邊長相對中誤差為1/194 000，滿足二等邊角網(wǎng)邊長測量的精度。

4 GPS與測量機(jī)器人觀測成果比較

為了驗(yàn)證GPS技術(shù)與測量機(jī)器人測量成果的一致性，分別對2種方式的計(jì)算后的觀測邊長、點(diǎn)位精度、點(diǎn)位較差和作業(yè)時(shí)間4個(gè)方面進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表5、表6、表7和表8。

表5 GPS與測量機(jī)器人邊長比較表Table 5 Differences of side length by GPS and georobot

從表5和表6可以看出，GPS測量的觀測邊長和平差的點(diǎn)位精度與TCA2003相當(dāng)。從表7可以看出，2種測量方式計(jì)算結(jié)果的較差比較，GPS靜態(tài)相對定位觀測與測量機(jī)器人的成果基本一致，兩者成果較差在3 mm左右，可能是由于三維無約束平差投影到二維平面上坐標(biāo)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)帶來的誤差，但未超過點(diǎn)誤差2倍準(zhǔn)許范圍，兩者吻合性較好。

表6 GPS與測量機(jī)器人點(diǎn)位平面精度比較表Table 6 Differences of point plane error by GPS and georobot mm

表7 GPS與測量機(jī)器人平差結(jié)果比較表Table 7 Differences of adjustment results by GPS and georobot mm

表8 GPS與測量機(jī)器人作業(yè)時(shí)間比較表Table 8 Differences of operation time of GPS and georobot

根據(jù)白蓮河變形控制網(wǎng)的條件，分別統(tǒng)計(jì)GPS和測量機(jī)器人的作業(yè)時(shí)間，成果見表8。從表8可以看出:采用測量機(jī)器人進(jìn)行變形控制網(wǎng)的觀測，外業(yè)需要總?cè)颂鞌?shù)14 d，前提條件是在2 d的工作時(shí)間間內(nèi)，氣象條件非常適宜光學(xué)儀器觀測，如果遇到不良的氣象條件，觀測時(shí)間將需要更多。采用GPS技術(shù)進(jìn)行觀測，需要總?cè)颂鞌?shù)少，不到測量機(jī)器人的一半，人為干預(yù)少，不受天氣影響，從采集到數(shù)據(jù)處理自動化程度高，能及時(shí)、準(zhǔn)確地取得可靠的觀測成果。

5 結(jié)語

白蓮河抽水蓄能電站變形監(jiān)測網(wǎng)兩種觀測方式的數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，采用定位精度高、全天候作業(yè)、統(tǒng)一提供三維信息、效率高的GPS技術(shù)與傳統(tǒng)的大地測量方法的成果比較吻合，可達(dá)到二等變形監(jiān)測控制網(wǎng)的精度要求。如果監(jiān)測網(wǎng)每期復(fù)測采用GPS進(jìn)行觀測，固定相應(yīng)的坐標(biāo)框架、起算數(shù)據(jù)、處理軟件模型，每期成果之間的較差也可以反映出監(jiān)測點(diǎn)的位移量，可應(yīng)用水利工程的高精度變形監(jiān)測。

［1］李征航.GPS定位技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.全球定位系統(tǒng)，2001，26(2):18 －25.(LI Zheng-hang.Application of GPS Technology in Deformation Monitoring［J］.GNSS World of China，2001，26(2):18 － 25.(in Chinese))

［2］梅文勝，張正祿，郭際明，等.測量機(jī)器人變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)信息科學(xué)版，2002，27(2):165 － 171.(MEI Wen-sheng，ZHANG Zheng-lu，GUO Ji-ming，et al.Software of Georobot Deformation Monitoring System［J］.Geomatics and Information of Wuhan University，2002，27(2):165 － 171.(in Chinese))

［3］劉 春，倪 涵.GeoMos自動監(jiān)測系統(tǒng)與觀測數(shù)據(jù)精度分析［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2006，30(2):41－44.(LIU Chun，NI Han.GeoMos Automatic Monitoring System and Monitoring Data Accuracy Analysis［J］.Hydropower Automation and Dam Monitoring，2006，30(2):41 －44.(in Chinese))

［4］俞永軍.水庫大壩施工控制網(wǎng)精度探討［J］.浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2002，14(4):17－19.(YU Yongjun.Study on Controlling Network Accuracy for Reservoir and Dam Construction［J］.Journal of Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College，2002，14(4):17－19.(in Chinese))

［5］曾保清，陰學(xué)軍，馬如坤.GPS大壩變形監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析［J］.水電站設(shè)計(jì)，2007，23(4):60 －63.(ZENG Bao-qing，YIN Xue-jun，MA Ru-kun.Analysis on the Data of Dam Deformation Monitoring by GPS Technology［J］.Design of Hydroelectric Power Station，2007，23(4):60 －63.(in Chinese))