探究GNSS技術(shù)在大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用

張逸仙

摘要： 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Satellite System）技術(shù)應(yīng)運而生，GNNS技術(shù)具有全天候測量、定位速度快、連續(xù)實時、自動化程度高的特點，在工程和災(zāi)害監(jiān)測的應(yīng)用中產(chǎn)生了巨大影響，已經(jīng)逐漸應(yīng)用在大壩的變形監(jiān)測中。但是，在大壩變形監(jiān)測的應(yīng)用中還存在不足和局限性。本文通過對GNSS技術(shù)的優(yōu)點和大壩變形因素進行分析，對GNSS技術(shù)在大壩變形監(jiān)測中測量過程進行探討，提出GNSS技術(shù)在大壩的變形監(jiān)測的發(fā)展趨勢，推動著變形監(jiān)測理論和技術(shù)方法的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。

Abstract： With the continuous development of science and technology， GNSS （Global Navigation Satellite System） technology came into being. GNNS technology has the characteristics of all-weather measurement， rapid positioning speed， continuous and real-time， and high degree of automation， and its application has produced a huge impact on engineering and disaster monitoring， and it has been gradually applied in the deformation monitoring of the dam. However， there are shortcomings and limitations in the application of GNNS technology in dam deformation monitoring. Based on the analysis of the advantages of GNSS technology and the deformation factors of dam， this paper discusses the measurement process of GNSS technology in dam deformation monitoring， and puts forward the development trend of GNSS technology in dam deformation monitoring to promote the constant innovation and development of deformation monitoring theory and technical method.

關(guān)鍵詞： GNSS技術(shù)；大壩變形監(jiān)測；應(yīng)用

Key words： GNSS technology；dam deformation monitoring；application

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0198-03

0 引言

隨著地質(zhì)災(zāi)害的不斷涌現(xiàn)，對于大壩變形測量研究已經(jīng)成為各大學(xué)者研究的熱點。傳統(tǒng)的變形監(jiān)測是采用高精度的監(jiān)測網(wǎng)對大壩變形要素進行監(jiān)測，但由于大壩所處地形條件的影響，導(dǎo)致監(jiān)測網(wǎng)的網(wǎng)形差和監(jiān)測點的位置精度不精確，影響測量的準確性。對于變形測量研究的技術(shù)手段也不斷地在更新和發(fā)展，其中包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星技術(shù)（GNSS技術(shù)）和地面激光掃描等地面變形測量技術(shù)，其中GNSS技術(shù)在變形監(jiān)測中應(yīng)用得最廣泛。通過應(yīng)用GNSS技術(shù)，使得變形監(jiān)測技術(shù)逐漸向自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)變，提升變形監(jiān)測水平和監(jiān)測精度[1]。

1 大壩變形監(jiān)測的概述

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) GNSS始于19世紀70年代，并廣泛應(yīng)用于定位工作中，逐漸在測量領(lǐng)域中占據(jù)重要的位置。1998年，我國的隔河巖大壩外部變形首次采用GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)。 GNSS技術(shù)是一項高科技技術(shù)，利用衛(wèi)星技術(shù)進行全方面的測量。它能夠提供的時間信息和三維坐標等技術(shù)參數(shù)的精度很高，對測量領(lǐng)域產(chǎn)生了重大意義。為了保證大壩的安全運營，減少安全事故的發(fā)生，需要對大壩的變性因素進行分析，并實時監(jiān)測。利用GNSS監(jiān)測大壩的變形是現(xiàn)在應(yīng)用最多的技術(shù)，具有全天候測量、定位速度快、連續(xù)實時、自動化程度高的優(yōu)勢。

1.1 大壩變形的影響因素

我國的大壩數(shù)量也不斷增加，需要對大壩的變形要素進行連續(xù)、周期性的測定和實時、準確的安全監(jiān)測。大壩變形的主要因素包括：靜水壓力的作用，大壩外體受到水平推力，導(dǎo)致大壩產(chǎn)生變形，水庫由于自身重力作用會導(dǎo)致庫底發(fā)生變形；壩體溫度變化，壩體的溫度隨著季節(jié)變化會使混凝土無規(guī)律的脹縮，會引起大壩壩頂下陷，新建成的大壩自身的混凝土?xí)l(fā)生脹縮，這樣導(dǎo)致了壩體變形；時效變化，時效變化是由于混凝土熱脹冷縮引起的變形，和基礎(chǔ)巖層在載荷作用下產(chǎn)生時效變化，時效變化在施工或運營初期表現(xiàn)顯著，時間長久后，建筑會趨于穩(wěn)定，時效變化會變小。

1.2 變形監(jiān)測現(xiàn)狀

變形監(jiān)測在測量領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)著重要的位置，從一個工程的施工到完工，以及后續(xù)的運營都需要進行不斷地監(jiān)測，掌握變形的情況，及時解決潛在安全問題，保證工程的正常運營。

在大壩變形監(jiān)測中，傳統(tǒng)的變形監(jiān)測是采用高精度的監(jiān)測網(wǎng)對大壩變形要素進行監(jiān)測，但由于大壩所處地形條件的影響，導(dǎo)致監(jiān)測網(wǎng)的網(wǎng)形差和監(jiān)測點的位置精度不精確，影響測量的準確性。這種方法的勞動強度很大，觀測時間較長，沒有實現(xiàn)自動化監(jiān)測。隨著GNSS技術(shù)的出現(xiàn)，使變形監(jiān)測實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、平差計算和變形分析的連續(xù)自動化。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，利用GNSS技術(shù)進行水平位移的監(jiān)測精度在±2mm以下，高程的測量誤差在

±10mm以下。

1.3 GNSS技術(shù)優(yōu)點

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測技術(shù)由于地形原因?qū)е伦冃伪O(jiān)測精度低，影響變形監(jiān)測結(jié)果。GNSS技術(shù)的優(yōu)點是監(jiān)測站沒有時間限制，能夠全天候監(jiān)測，不會受到氣候等因素的影響，在各種氣候中都能進行變形監(jiān)測；實現(xiàn)監(jiān)測自動化，GNSS接收機的數(shù)據(jù)收集是自動進行的，使自動監(jiān)測過程（包括數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、分析）實現(xiàn)全自動化，操作簡單，提高監(jiān)測效率；能夠降低系統(tǒng)誤差，在利用GNSS技術(shù)進行變形監(jiān)測中，不會影響變形監(jiān)測點坐標之間的差異值，會降低在大氣層中衛(wèi)星信號的傳播誤差對變形監(jiān)測的影響；測量精度高，監(jiān)測速度快；利用GNSS技術(shù)進行的監(jiān)測具有良好的抗干擾性和保密性，能夠進行實時測量；為坐標提供3D立體信息，能夠精確測量變形地點的3D坐標[2]。

2 GNSS技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 GNSS技術(shù)變形監(jiān)測模式

GNSS技術(shù)在大壩的變形監(jiān)測中分為周期性重復(fù)變形監(jiān)測、固定連續(xù)性變形監(jiān)測和實時動態(tài)監(jiān)測。

2.1.1 GNSS周期性重復(fù)變形監(jiān)測

當被監(jiān)測工程的變形速率緩慢，在一定的空間域和時間域上被認作是穩(wěn)定的，可以利用GNSS周期性重復(fù)變形監(jiān)測。針對每一個周期測量監(jiān)測點之間的相對位置，經(jīng)過計算兩個觀測周期之間的位置變化來測定其變形。監(jiān)測周期可以根據(jù)大壩的特性及危害程度來確定。這種模式是通過邊或網(wǎng)連接的方式建成監(jiān)測網(wǎng)，并用平差計算法得到監(jiān)測點的三維坐標，根據(jù)坐標差值來確定監(jiān)測點的變形量。

2.1.2 GNSS固定連續(xù)性變形監(jiān)測

利用固定的監(jiān)測儀器對變形進行長時間的數(shù)據(jù)收集的方式稱為固定連續(xù)性變形監(jiān)測。在這種模式下測量是連續(xù)性的，時間分辨率高。通過選擇重點和關(guān)鍵部位布設(shè)永久GNSS觀測站，在這些測站上不間斷觀測，并進行數(shù)據(jù)處理。由于大壩變形的緩慢性，因而在對監(jiān)測數(shù)據(jù)處理時，把一段時間的觀測數(shù)據(jù)作為一組，用靜態(tài)相對定位和動態(tài)相對定位方式處理。

2.1.3 GNSS實時動態(tài)監(jiān)測

實時動態(tài)監(jiān)測方式是實時監(jiān)測大壩的動態(tài)變形，其特點是采樣密度高，例如每秒鐘采樣一次，而且要計算每個歷元的位置。數(shù)據(jù)處理主要采用運動中載波相位模糊度解法，用已求得的整周模糊度計算每一歷元接收機的位置，進而分析大壩的變形特征及原因。變形監(jiān)測要求實時性，需要建立GNSS自動監(jiān)測系統(tǒng)，采用全天候?qū)崟r監(jiān)測，能夠及時了解監(jiān)測點位置的實時變化情況。GNSS技術(shù)作為一種新的監(jiān)測技術(shù)，在大壩的變形監(jiān)測中應(yīng)用越來越廣泛，例如在隔河巖大壩建立的GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理[3]。

2.2 GNSS監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方法

經(jīng)過GNSS觀測得到的數(shù)據(jù)要經(jīng)過基線解算和平差計算才能轉(zhuǎn)化為可靠的數(shù)據(jù)成果。GNSS數(shù)據(jù)處理方法主要包括兩個方面：首先對監(jiān)測獲得原始數(shù)據(jù)進行處理，得到觀測網(wǎng)的基線解；然后對觀測網(wǎng)的基線解進行整體平差和分析從而得到最終的整體解。對于基線解和平差分析是數(shù)據(jù)處理的重要部分，特別是在觀測網(wǎng)多個子網(wǎng)的粗差分析、系統(tǒng)誤差和偶然誤差的分析。國內(nèi)主要利用GPSADJ系列平差處理軟件和同濟大學(xué)的TGPPS靜態(tài)定位后處理軟件，來處理二維和三維網(wǎng)的平差。

對于B級GNSS監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段采用的計算方法是利用美國研發(fā)的GAMIT/GLOBK軟件解算平差，參考框架選定UTRF2000框架，采用IGS精密星歷。通過網(wǎng)絡(luò)從精密星歷中選取10個IGS站觀測數(shù)據(jù)和GNSS數(shù)據(jù)處理的資料（其中包括全球H文件解、精密星歷、最新歷表等資料）。通過建立LCHELP解算模式獲得基線信息，利用GLOBK對網(wǎng)平差求整體解，從而獲取個基準點的坐標。C級監(jiān)測網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)化為RINEX數(shù)據(jù)文件，采用South GPS Processor V4.0進行數(shù)據(jù)處理，在基線解算中前先對受外界干擾的衛(wèi)星信號進行剔除，再利用雙差固定解進行計算，坐標取位為0.001m。D級GNSS監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)在C級的處理方法上，根據(jù)不同的網(wǎng)形，選擇平差方法，優(yōu)先選擇WGS-84下的單點無約束自由網(wǎng)平差，獲得平差報告。坐標取位為0.001m。

2.3 GNSS變形監(jiān)測中存在的問題

GNSS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大壩的變形監(jiān)測中，但在特殊地形（高山峽谷等）中，GNSS衛(wèi)星信號會被干擾或遮擋，從而影響監(jiān)測的精度和可靠性，甚至導(dǎo)致無法監(jiān)測。點位選擇自由度較低，函數(shù)關(guān)系過于復(fù)雜、誤差源較多等是其明顯的不足之處。根據(jù)資料顯示，GNSS監(jiān)測對水平位移監(jiān)測精度高，對垂直位移監(jiān)測精度低，水平位移精度是垂直位移精度的2倍左右。這樣很難同時對水平和垂直位移進行高精度的測定?，F(xiàn)階段，對于GNSS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理是利用整周模糊度動態(tài)解算法，這種方法的精度是厘米級，而變形監(jiān)測要求精度高。

此外，由于監(jiān)測點在較短的時間內(nèi)變形微小，且會存在誤差，如何在誤差干擾中對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行有效提取是亟待解決的技術(shù)問題。

2.4 GNSS變形監(jiān)測的發(fā)展趨勢

通過研究國內(nèi)外對于GNSS技術(shù)在變形監(jiān)測中的研究，提出以下發(fā)展趨勢：

①GNSS技術(shù)與其他變形監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合。由于GNSS技術(shù)在變形監(jiān)測中存在局限和不足，需要將GNSS技術(shù)和近景攝影測量和特殊變形測量技術(shù)進行結(jié)合，將不同監(jiān)測方法的優(yōu)勢發(fā)揮到最大化，提高大壩變形監(jiān)測效率。將GNSS技術(shù)和INSAR技術(shù)進行集成，能夠?qū)崿F(xiàn)對四維變形的整體動態(tài)的高精度監(jiān)測。

②監(jiān)測信息的反饋和自動報警技術(shù)。利用GNSS技術(shù)進行變形監(jiān)測后需要將變形監(jiān)測情況（包括監(jiān)測區(qū)域和監(jiān)測結(jié)果）發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上，同時利用計算機技術(shù)生成變形過程（包括變形速度和預(yù)測）的圖表，能實時觀察到變形過程，并配合自動報警技術(shù)，當變形達到一定范圍后，自動報警裝置自動報警，使觀測人員能及時做出反應(yīng)，降低損失。

③建立“3S”的實時在線分析系統(tǒng)?！?S”包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （Global Navigation Satellite System，GNSS）、 地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）和遙感技術(shù)（Remote Sense，RS）。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，“3S”技術(shù)已經(jīng)開始相互集成融合。基于“3S”技術(shù)，對大壩進行在線實時變形監(jiān)測，能夠自動的分析數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，科學(xué)地預(yù)測變形的發(fā)展趨勢，能夠合理有效的降低和預(yù)防預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生。

3 結(jié)論

GNSS技術(shù)具有監(jiān)測精度高、速度快、全天候測量和自動化監(jiān)測等優(yōu)勢，在大壩變形監(jiān)測的實踐中取得很重要的成果，利用GNSS技術(shù)的自動化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲得精度高的測量數(shù)據(jù)，為建立自動化監(jiān)測系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。GNSS技術(shù)在實踐應(yīng)用中仍然存在不足，需要將GNSS技術(shù)與其他監(jiān)測技術(shù)集成在一起，建立監(jiān)測信息反饋系統(tǒng)、自動報警系統(tǒng)和“3S”的實時在線分析系統(tǒng)，提高大壩的變形監(jiān)測水平、監(jiān)測精度和監(jiān)測效率。本研究通過對大壩變形原因和變形監(jiān)測現(xiàn)狀出發(fā)，分析了GNSS技術(shù)的優(yōu)點和在大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)在變形監(jiān)測中的問題，提出GNSS技術(shù)在大壩變形監(jiān)測中的發(fā)展趨勢，為以后的大壩變形監(jiān)測具有指導(dǎo)意義，對保證大壩的安全運營具有重大作用。

參考文獻：

[1]胡友健，等.論GPS變形監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.測繪科學(xué)，2006，31（5）：155-157.

[2]周山，文小兵，李陶，等.近景數(shù)字攝影測量及動態(tài)卡爾曼濾波在建筑物變形觀測中的應(yīng)用[J].東北測繪，2000（3）：29-30.

[3]周碩愚，張躍剛，丁國瑜，等.依據(jù)GPS數(shù)據(jù)建立中國大陸板內(nèi)塊體現(xiàn)時運動模型的初步研究[J].地震學(xué)報，2008，20（4）： 347-355.