高精度GPS實時變形監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

何 寧，錢亞俊，何 斌，王國利，汪璋淳，李登華

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210029)

隨著GPS的不斷發(fā)展并趨于成熟，該技術(shù)將廣泛應(yīng)用于工程測量、地形測量、放樣等測繪領(lǐng)域中［1－7］.GPS(RTK)實時動態(tài)定位測量技術(shù)具有觀測時間短、坐標(biāo)實時解算等優(yōu)點，其定位精度可達(dá)厘米級，可用于城市的控制測量，能大大提高生產(chǎn)效率;1998年，我國的隔河巖大壩外部變形首次采用GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng).目前，國內(nèi)采用GPS定位技術(shù)進(jìn)行精密工程測量和大地測量，平差后控制點的平面精度為1～2mm，高程精度為2～3mm，但這是基于數(shù)小時測量的結(jié)果，沒有真正實現(xiàn)GPS測量技術(shù)的實時變形監(jiān)測.本文結(jié)合試驗和工程實際應(yīng)用成果，研究分析一種采用三差分量測算法的高精度GPS測量技術(shù)在工程表面變形實時監(jiān)測中的應(yīng)用.

1 GPS測量技術(shù)的三差分量測算法

GPS測量技術(shù)的三差分量測算法采用載波相位差分和自定義的卡爾曼濾波技術(shù)對GPS系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，從而得到位于大壩或其他目標(biāo)工程上GPS測站點實時、準(zhǔn)確可靠的三維變形數(shù)據(jù)，這一技術(shù)實現(xiàn)了毫米級精度的變形實時監(jiān)測.

采用三差分量測算法的GPS測量技術(shù)與傳統(tǒng)GPS動態(tài)(RTK)定位技術(shù)不同.RTK定位技術(shù)是基于實時載波相位差分的實時動態(tài)定位技術(shù)，在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站除了采集衛(wèi)星數(shù)據(jù)外，還要通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和站點坐標(biāo)信息一起傳送給流動站，流動站在采集衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時，還要接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)鏈，并在系統(tǒng)內(nèi)對采集和接收的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行實時載波相位差分的處理，得出定位結(jié)果［8］.三差分量測算法采用載波相位差分和自定義的卡爾曼濾波技術(shù)［9－10］，該GPS測量技術(shù)并不在GPS接收裝置內(nèi)部對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而是在中心計算機(jī)上由系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)載波相位差分處理，同時系統(tǒng)軟件采用卡爾曼濾波算法以消除衛(wèi)星信號受到的噪聲、多徑等影響，計算定位結(jié)果，從而可以有效地降低定位的誤差，進(jìn)一步提高定位精度.而且該GPS測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)流由RTK定位技術(shù)的數(shù)據(jù)雙向流方式發(fā)展為系統(tǒng)全部接收裝置(GPS測量參考站和移動站)只向中心計算機(jī)上傳輸需要處理的GPS測量數(shù)據(jù)的單向流方式，減少了GPS接收機(jī)的硬件和軟件配置，在提高了系統(tǒng)性能的同時降低了系統(tǒng)成本.

2 驗證試驗結(jié)果分析

為驗證該GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度和其他系統(tǒng)功能，開展了系統(tǒng)實時監(jiān)測精度的驗證試驗研究，試驗研究的系統(tǒng)設(shè)備安裝在6樓樓頂(該樓處于半山腰處，樓頂附近無遮擋物，視野開闊)，其中基點站(GPS1天線)安裝在特制的固定式金屬支座上，測量站(GPS2天線)安裝在特制的可調(diào)式金屬支座上，支座底盤通過膨脹螺絲架空，不與混凝土表面接觸，從而避免了接觸面變形可能引起的毫米級誤差.將基點站和測量站分別絕對調(diào)平，測量站用絕對方位標(biāo)定.采用游標(biāo)卡尺量測測量站的調(diào)節(jié)位移，測量精度為0.1 mm.GPS接收機(jī)和GPS監(jiān)測系統(tǒng)微機(jī)都安裝在5樓會議室，微機(jī)與網(wǎng)絡(luò)連接，以便于開展監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問功能試驗.

系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后，于2009年4月2日15:30開始測量精度驗證試驗，試驗歷時25 h.在試驗過程中對GPS2天線位置進(jìn)行了3次調(diào)整，分別是4月2日16:00將GPS2天線位置向西和向下各位移10mm，4月3日15:51將GPS2天線位置向東位移40mm，4月3日16:12將GPS2天線位置向上位移40mm.

系統(tǒng)精度驗證試驗全過程采用GPS變形實時監(jiān)測系統(tǒng)跟蹤測量人工調(diào)整的測量站(GPS2天線)位置的方法進(jìn)行，變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的跟蹤測量、數(shù)據(jù)的計算分析處理和相關(guān)圖表的繪制均由系統(tǒng)軟件自動完成，試驗全過程實現(xiàn)了系統(tǒng)的無人值守，4月2日晚通過互聯(lián)網(wǎng)完成了對系統(tǒng)精度驗證試驗測量結(jié)果的遠(yuǎn)程訪問功能驗證.系統(tǒng)測量精度試驗成果如圖1和表1所示［11］.

圖1 系統(tǒng)實時監(jiān)測過程線Fig.1 Real-time monitoring graph of system

表1 系統(tǒng)監(jiān)測精度試驗結(jié)果Tab.1 Monitoring test results

由表1可見，在調(diào)整GPS2天線位置的同時，系統(tǒng)能實時跟蹤并監(jiān)測到GPS2測站位置的變化，其瞬時監(jiān)測結(jié)果與實際位置值的誤差在水平方向小于3mm，垂直方向小于4 mm.

圖1為整個精度驗證試驗的監(jiān)測結(jié)果.整個試驗從4月2日15:30開始，至4月3日16:30結(jié)束，試驗場區(qū)天氣經(jīng)歷了多云、陣雨和小雨等多種惡劣天氣和晝夜變化，但在整個試驗過程中，該GPS三維變形監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測精度未發(fā)生變化，表明該系統(tǒng)的監(jiān)測精度不受周圍環(huán)境影響，能真正做到全天候地對大壩等工程的外部變形實現(xiàn)全自動監(jiān)測.本次試驗開展的監(jiān)測系統(tǒng)無人值守、數(shù)據(jù)發(fā)布和遠(yuǎn)程訪問功能試驗表明，該系統(tǒng)具備可靠的無人值守和遠(yuǎn)程訪問功能，系統(tǒng)能自動可靠地采集完整的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的自動保存，數(shù)據(jù)計算分析和繪制相應(yīng)圖表等操作簡單，并可以通過互聯(lián)網(wǎng)簡單方便地遠(yuǎn)程訪問系統(tǒng)發(fā)布的實時變形監(jiān)測數(shù)據(jù)成果.

本次GPS變形實時監(jiān)測系統(tǒng)的精度驗證試驗成果表明:該系統(tǒng)水平位移測量精度能達(dá)到1～3mm，垂直精度能達(dá)到1～4 mm，并具備可靠的無人值守、數(shù)據(jù)發(fā)布和遠(yuǎn)程訪問功能.

3 克孜爾水庫除險加固工程表面變形監(jiān)測的應(yīng)用研究

3.1 工程和GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)概述

克孜爾水庫位于新疆阿克蘇地區(qū)拜城縣境內(nèi)，距拜城縣約60km，距庫車縣約70km.設(shè)計庫容6.4億m3，是一座以灌溉、防洪為主兼水力發(fā)電等綜合利用的大型水利樞紐，主要由主壩、副壩、溢洪道、泄洪排砂洞、發(fā)電引水洞和電站等組成.壩頂高程1154.60m，壩型為黏土心墻壩，主壩壩頂長920.6m，最大壩高44.0m;副壩壩頂長1288.0m，最大壩高32.6m.水庫于1998年10月竣工驗收并正式投入運(yùn)行，2009年對水庫大壩進(jìn)行加寬加高等除險加固工作.2010年底采用高精度GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)對除險加固的克孜爾水庫大壩開展大壩表面變形實時監(jiān)測，系統(tǒng)的GPS測站布置如圖2所示.

圖2 克孜爾水庫GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)布置Fig.2 Layout of GPS deformation monitoring system in Kezier reservoir

克孜爾水庫除險加固工程GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)包括參考站1套(編號 REF)、大壩表面變形 GPS測站4套(編號REM1～REM4)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心1套.參考站REF布置在水庫二道壩下游的山體上，表面變形GPS測站分別在主壩和副壩各布置2套(編號為REM1，REM2和 REM3，REM4)，測站均位于壩頂下游邊坡.系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心安裝在位于水庫大壩左壩肩1km以外的水庫管理局辦公樓內(nèi)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸通訊采用900mHz的無線通訊方式.GPS參考站和測站均采用太陽能板和蓄電池組合的供電方式，同時預(yù)留交流電供電接口，系統(tǒng)安裝情況見圖3.

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

克孜爾水庫除險加固工程中的GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)于2010年11月23日安裝調(diào)試完成后即投入正常監(jiān)測，已連續(xù)不間斷監(jiān)測半年多，系統(tǒng)4個GPS測站均可每秒監(jiān)測得到1組數(shù)據(jù)，各GPS測站每組數(shù)據(jù)包括測站接收數(shù)據(jù)的衛(wèi)星數(shù)量、GPS時間(GPS星期數(shù)和GPS秒數(shù))、大地坐標(biāo)絕對值和相對變化值以及統(tǒng)計參數(shù)(X，Y，Z，ΔX，ΔY，ΔZ，σX，σY，σZ)，WGS －84 坐標(biāo)系的經(jīng)、緯度、高程絕對值和相對變化值以及統(tǒng)計參數(shù)(N，E，H，ΔN，ΔE，ΔH，σN，σE，σH).由于測量數(shù)據(jù)過于龐大，故從本系統(tǒng)半年(2010－11－23—2011－05－23)監(jiān)測資料中每月選取月初和月中各2 d，共計12 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析.將各GPS測站每天86400組分別進(jìn)行統(tǒng)計分析，12 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)得到的4個GPS測站單日統(tǒng)計分析結(jié)果的最大值見表2.

圖3 系統(tǒng)安裝情況Fig.3 GPS monitoring system installation

表2 GPS變形實時監(jiān)測系統(tǒng)測值統(tǒng)計Tab.2 The statistical analysis results of GPS real-time displacement monitoring data

表2所示4個GPS測站各12 d測值的單日監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本統(tǒng)計分析結(jié)果為:4個GPS測站監(jiān)測數(shù)據(jù)單日86400組數(shù)據(jù)的水平位移X向(平行壩軸)、Y向(垂直壩軸)和垂直位移H的最大方差均為0.3mm.水平位移X向的最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.5mm，水平位移Y向的最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.6mm，垂直位移H的最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.5mm.統(tǒng)計分析結(jié)果表明，該GPS變形實時監(jiān)測系統(tǒng)在克孜爾水庫大壩表面變形監(jiān)測中取得了實時(每秒1組監(jiān)測數(shù)據(jù))、準(zhǔn)確可靠的三維變形數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了毫米精度的大壩表面變形實時監(jiān)測，可以滿足大壩表面變形監(jiān)測要求.

3.3 系統(tǒng)監(jiān)測的大壩表面變形監(jiān)測資料分析

克孜爾水庫除險加固工程中，GPS大壩表面變形監(jiān)測系統(tǒng)測得大壩4個GPS測站處壩體表面變形過程線見圖4.圖中X向水平位移正值表示向壩左岸方向位移，Y向水平位移負(fù)值表示向下游方向位移，垂直位移H負(fù)值表示壩體發(fā)生沉降.

圖4 4個測站的大壩表面變形過程線Fig.4 The surface deformation graphs obtained from four stations

圖4所示GPS系統(tǒng)4個測站測得的變形，是克孜爾水庫大壩在下游貼坡加高加固后，位于大壩壩頂下游位置的壩體主、副壩均發(fā)生了小量位移后的變形，主壩壩頂變形值較副壩略大，數(shù)據(jù)顯示主壩壩頂向下游方向水平位移最大為9.8 mm，最大沉降11.6mm，副壩壩頂向下游方向水平位移最大為6.7mm，最大沉降7.2mm;且主、副壩壩頂下游的表面變形規(guī)律基本一致，即前期變形速率相對較大，后期變形速率逐漸降低，到2011年3月初變形趨于穩(wěn)定;而平行壩軸線方向水平位移無明顯變化，4個測站數(shù)據(jù)顯示壩頂下游平行壩軸向水平位移始終在毫米精度內(nèi)波動.克孜爾水庫除險加固工程中GPS大壩表面變形監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測資料表明，其實施的下游貼坡加寬加高壩體的壩頂表面變形小，且趨于穩(wěn)定，說明克孜爾水庫除險加固工程的壩頂變形是安全的.同時由監(jiān)測資料可知GPS測值在毫米精度內(nèi)波動，表明該系統(tǒng)可以滿足土石壩毫米級表面變形安全監(jiān)測精度要求.

3.4 GPS實時變形監(jiān)測系統(tǒng)對大壩地震變形的監(jiān)測分析

庫區(qū)在2011年5月13日、22日和23日共經(jīng)歷了3次地震，其中5月13日14:48和5月22日16:52均為4.8級地震，5月23日16:38為4.4級地震.在地震過程中，GPS大壩表面變形監(jiān)測系統(tǒng)4個GPS測站均測到地震對大壩表面變形的影響，以布置在主壩的REM1測站和布置在副壩的REM3測站監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，共118800組數(shù)據(jù)得到REM1測站和REM3測站的壩頂表面變形過程線見圖5.

圖5 REM1和REM3測站測得地震引起的大壩表面變形Fig.5 The surface deformation caused by earthquake in REM1 and REM3 stations

GPS系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測到地震引起的大壩表面細(xì)小(0.5～1.0mm)變形，在5月22日16:52地震(4.8級)發(fā)生時和5月23日16:38地震(4.4級)發(fā)生時，REM1和REM3測站均測得對應(yīng)位置壩頂下游發(fā)生少量的向下游方向的水平位移和向下的沉降變形，而REM1處平行壩軸方向未測得有明顯水平位移，REM3處則產(chǎn)生了微量的平行壩軸線的水平位移，量值為0.5mm，其原因是由于REM3測站位置的壩體座落于活動斷層上，地震引起壩體產(chǎn)生了平行壩軸方向水平位移.同時監(jiān)測成果也表明，4.4～4.8級地震對克孜爾水庫大壩基本不造成永久性壩體變形，一定歷時后地震所引起的壩頂表面變形逐漸消失，說明4.4～4.8級小地震所引起的克孜爾水庫大壩壩體變形基本為彈性變形，僅很小一部分為塑性變形.GPS系統(tǒng)在地震過程中的監(jiān)測資料表明，該系統(tǒng)能夠在惡劣環(huán)境下實時、準(zhǔn)確可靠地對工程表面細(xì)小變形進(jìn)行有效監(jiān)測，實現(xiàn)了毫米精度的大壩表面變形實時監(jiān)測，完全可以滿足大壩表面變形監(jiān)測要求.

4 結(jié)語

(1)高精度GPS變形實時監(jiān)測技術(shù)具備操作簡單、測量數(shù)據(jù)采集效率高，能遠(yuǎn)程接收、采集和傳輸數(shù)據(jù)等特點，能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境，是工程表面變形監(jiān)測真正意義上的全天候高效率全自動監(jiān)測技術(shù);

(2)試驗研究表明，該GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)水平位移精度能達(dá)到1～3mm，垂直精度能達(dá)到1～4 mm;

(3)通過在克孜爾水庫大壩工程監(jiān)測中的應(yīng)用，證明無論在大壩變形的日常監(jiān)測中還是短期地震變形監(jiān)測中，該技術(shù)都能實時、準(zhǔn)確可靠地對工程表面細(xì)小變形進(jìn)行有效監(jiān)測，實現(xiàn)了毫米精度的大壩表面變形實時監(jiān)測，可以滿足大壩表面變形監(jiān)測要求.

該變形監(jiān)測系統(tǒng)的GPS變形監(jiān)測技術(shù)是工程安全監(jiān)測中一個新技術(shù)成果，是工程安全監(jiān)測技術(shù)的一種有效補(bǔ)充.由于該系統(tǒng)采用無線通訊和太陽能供電方式，具有遠(yuǎn)程接收、采集和傳輸數(shù)據(jù)功能，具備適應(yīng)惡劣環(huán)境等特點，該技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報監(jiān)測中將具有廣闊的應(yīng)用前景.

［1］李本玉，高偉，胡曉.GPS實時動態(tài)定位技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研究［J］.礦山測量，2009(4):76-80.(LI Ben-yu，GAO Wei，HU Xiao.The development and application of GPS real-time dynamic positioning technology［J］.Mine Surveying，2009(4):76-80.(in Chinese))

［2］鄭洪達(dá)，劉學(xué)海.GPS-RTK在地籍測量中的使用［J］.黑龍江水利科技，2009，37(4):265-266.(ZHENG Hong-da，LIU Xue-hai.GPS-RTK use in cadastration［J］.Journal of Heilongjiang Institute of Technology，2009，37(4):265-266.(in Chinese))

［3］劉立龍，王新橋，朱軍桃.GPS動態(tài)基準(zhǔn)站精密相對定位方法的研究［J］.工程勘探，2009(8):64-66.(LIU Li-long，WANG Xin-qiao，ZHU Jun-tao.The algorithm of GPS precise relative positioning for kinematical base station［J］.Geotechnical Investigation＆ Surveying，2009(8):64-66.(in Chinese))

［4］夏龍.RTK+測深儀結(jié)合全站儀在河道斷面測量中的應(yīng)用［J］.中國水運(yùn)，2009，9(7):163-164.(XIA Long.The application of RTK+sounder combined total station in the river section measurement［J］.China Water Transport，2009，9(7):163-164.(in Chinese))

［5］黃曉瑞，崔平遠(yuǎn)，崔枯濤.差分GPS定位方法與應(yīng)用研究［J］.航空兵器，2001(3):5-8.(HUANG Xiao-rui，CUI Pingyuan，CUI Ku-tao.The introduction and application of differential GPS positioning method［J］.Aero Weaponry，2001(3):5-8.(in Chinese))

［6］劉文波.GPS在水下地形測量中的應(yīng)用［J］.電力勘測，1997(1):30-33.(LIU Wen-bo.The application of GPS in underwater topographic survey［J］.Power Survey Design，1997(1):30-33.(in Chinese))

［7］過靜珺，戴連君，盧云川.虎門大橋GPS(RTK)實時位移監(jiān)測方法研究［J］.測繪通報，2000(12):4-6.(GUO Jing-jun，DAI Lian-jun，LU Yun-chuan.The study of GPS(RTK)real-time displacement monitoring methods in Humeng Bridge［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2000(12):4-6.(in Chinese))

［8］王玉柱，王冬梅，劉明.RTK在控制測量中的應(yīng)用研究［J］.礦山測量，2009(4):10-12.(WANG Yu-zhu，WANG Dongmei，LIU Ming.The application of RTK in control survey［J］.Mine Surveying，2009(4):10-12.(in Chinese))

［9］RUTLEDGE D，GNIPP J，KRAMER J.Advances in real-time GPS deformation monitoring for landsides，volcanoes and structures，Session Ⅲ:software for deformation data collection，processing，and analysis［D］.California，2001:110-121.

［10］劉海洋，楊樂，陳杰.改進(jìn)無色卡爾曼濾波算法在GPS系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009，21(15):4859-4865.(LIU Hai-yang，YANG Le，CHEN Jie.Application of modified unscented Kalman filter algorithm in GPS system［J］.Journal of System Simulation，2009，21(15):4859-4865.(in Chinese))

［11］何寧，何斌，費増爭.GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)在工程安全監(jiān)測中的應(yīng)用研究［C］∥2009年江蘇省儀器儀表學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集，2009:13-17.(HE Ning，HE Bin，F(xiàn)EI Zeng-zheng.The application of GPS deformation monitoring system in engineering safety monitoring［C］∥The Annual Conference Memoir of Jiangsu Province Instrument and Control Society in 2009，2009:13-17.(in Chinese))