GPS技術(shù)在水利工程變形勘測(cè)中的應(yīng)用

陳丹

（河南省豫東水利工程管理局三義寨分局，河南 開(kāi)封 475000）

1 引言

水利工程是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要依托，大至三峽工程，小至農(nóng)田渠道，無(wú)不直接關(guān)系著國(guó)運(yùn)民生，水利工程的安全運(yùn)營(yíng)是水利工程得以全面穩(wěn)定發(fā)展的前提，對(duì)于水利工程變形的檢測(cè)主要工作為對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的分析指標(biāo)進(jìn)行確定、檢測(cè)具體方法的確定、監(jiān)測(cè)獲得數(shù)據(jù)的處理與分析、根據(jù)監(jiān)測(cè)獲得數(shù)據(jù)對(duì)水利工程的安全狀況進(jìn)行分析。

張俊杰將GPS技術(shù)應(yīng)用于某城市地鐵運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)中，并對(duì)運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行評(píng)估；李世安等對(duì)GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，將橢球變換運(yùn)用于GPS 監(jiān)測(cè)中，有效提高了監(jiān)測(cè)精度；趙琛將GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于高速公路網(wǎng)的測(cè)量中，有效提高了公路運(yùn)營(yíng)的效率；馬建良將GPS 監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于地鐵線路網(wǎng)的管理運(yùn)營(yíng)中；徐乃超設(shè)計(jì)了一種高精度GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，將其應(yīng)用于高鐵項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)管理中；萬(wàn)軍將GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于水上運(yùn)輸線路控制網(wǎng)的規(guī)劃管理，可以有效提高水上運(yùn)輸?shù)男剩簧昃百氁约种胁磕彻┧こ虨檠芯繉?duì)象，利用GPS技術(shù)對(duì)輸水管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；何明崗?fù)ㄟ^(guò)開(kāi)發(fā)拓展GPS新功能，并將其應(yīng)用于某水庫(kù)的規(guī)模論證。

基于前人對(duì)GPS技術(shù)的應(yīng)用拓展，此研究從分析誤差來(lái)源和影響機(jī)理入手，進(jìn)而降低GPS 的定位誤差，提高GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的精度。

2 水利工程變形監(jiān)測(cè)

水利工程變形監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)工作內(nèi)容主要包括：①對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的分析指標(biāo)進(jìn)行確定；②檢測(cè)具體方法的確定；③監(jiān)測(cè)獲得數(shù)據(jù)的處理與分析；④根據(jù)監(jiān)測(cè)獲得數(shù)據(jù)對(duì)水利工程的安全狀況進(jìn)行分析。監(jiān)測(cè)水利工程的變形數(shù)值與對(duì)檢測(cè)目標(biāo)安全狀況分析是監(jiān)測(cè)整個(gè)過(guò)程的核心工作，對(duì)于水利工程的變形值要保證在允許范圍值的0.05～0.10。

GPS 技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于工程測(cè)繪中，其主要有方便操作、可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)需人為控制、適用范圍廣等特點(diǎn)，因而在工程監(jiān)測(cè)中被廣泛使用，且使用效果好。對(duì)于水利工程，其監(jiān)測(cè)要求精度高、監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、監(jiān)測(cè)環(huán)境較差等特點(diǎn)。

3 GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

GPS監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)由于各種因素的影響，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的誤差，GPS 檢測(cè)的主要方法有持續(xù)性監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及間斷性定期監(jiān)測(cè)，但這些方法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠指導(dǎo)工程實(shí)際應(yīng)用的前提都是對(duì)數(shù)據(jù)采用科學(xué)合理的方法進(jìn)行處理，提取其中有效的變形數(shù)據(jù)信息。對(duì)于GPS監(jiān)測(cè)，載波相位差分技術(shù)是較為常用的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，這種數(shù)據(jù)處理技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于能夠采用差分技術(shù)減弱數(shù)據(jù)的誤差的影響，但是這種方法在處理整周模糊度的求解方面還有些欠缺，對(duì)于周跳的探測(cè)與剔除，該種方法相對(duì)有效，但不是特別理想，以及減小殘余系統(tǒng)誤差方面效果也較差。

在GPS靜態(tài)定位分析中，整周模糊度的求解主要是通過(guò)分析衛(wèi)星幾何圖形得到的，目前較為常用的求解方法為延長(zhǎng)GPS衛(wèi)星的觀測(cè)時(shí)常，但這種方法的弊端也很明顯，需要衛(wèi)星進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，工作過(guò)程中檢測(cè)的數(shù)據(jù)利用率較低。經(jīng)過(guò)較為全面的研究，目前國(guó)內(nèi)的專(zhuān)家學(xué)者在這方面進(jìn)行了深入的研究，目前的主要方法為模糊度搜索法，同時(shí)周模糊度的在航求解這種方法應(yīng)用也較為廣泛，有效提高了GPS測(cè)量的精度。

周跳主要影響GPS監(jiān)測(cè)的精度，主要是限制載波相位觀測(cè)定位精度，這種問(wèn)題也是較為普遍的，主要影響因素為整周模糊度以及接收機(jī)位置參數(shù)。目前，在GPS數(shù)據(jù)處理軟件中應(yīng)用較為廣泛的方法主要有偽距法、相位法、多項(xiàng)式法等數(shù)據(jù)處理方法，但是周跳是一種較為隨機(jī)且偶然的影響因素，因而僅僅憑借一種處理方法是難以完全消除這種影響的，采用不同種方法的組合能夠有效消除周跳的影響，主要方法的結(jié)合有相位組合與高次差法的組合。

4 GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析

對(duì)于GPS檢測(cè)到的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中很多數(shù)據(jù)為重復(fù)數(shù)據(jù)，還有一部分為誤差較大的數(shù)據(jù)，因而，對(duì)于監(jiān)測(cè)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就是較為關(guān)鍵的工作，這一步需要去除重復(fù)和誤差較大的數(shù)據(jù)，保存下來(lái)有用的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由監(jiān)測(cè)到的變形數(shù)據(jù)特點(diǎn)將數(shù)據(jù)處理工作分為兩個(gè)部分：一是變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理；二是變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)序列處理。對(duì)于變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理，其主要工作有變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)設(shè)計(jì)、變形數(shù)據(jù)誤差計(jì)算與變形數(shù)據(jù)分析，對(duì)于變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理，重點(diǎn)工作在于同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理，需要對(duì)該數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用對(duì)變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)估，若變形數(shù)據(jù)過(guò)大需要對(duì)該水利工程管理人員發(fā)出預(yù)警。

4.1 變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)的處理

對(duì)于變形監(jiān)測(cè)，其主要作用是通過(guò)多次觀測(cè)測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)的變形位移狀況，其中，分期觀測(cè)方法為采用靜態(tài)相對(duì)定位模型，進(jìn)而獲得觀測(cè)基準(zhǔn)線的位移向量，利用位移向量解決觀測(cè)網(wǎng)分期觀測(cè)中每期的觀測(cè)結(jié)果與觀測(cè)精度值，采用統(tǒng)計(jì)分析的方法分析出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的變形精確值，因?yàn)镚PS變形觀測(cè)是以多次分期觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，因而對(duì)于每一期的變形觀測(cè)必須采用相同的基準(zhǔn)指標(biāo)，這樣的觀測(cè)結(jié)果才具有權(quán)威性。對(duì)于GPS觀測(cè)網(wǎng)，其觀測(cè)值的選取均是在相同的基準(zhǔn)下進(jìn)行的。

4.2 變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整體序列的處理

GPS 變形監(jiān)測(cè)采用的主要方法為間隔性周期監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)，從監(jiān)測(cè)的變形數(shù)據(jù)中得到水利工程的變形量。由于GPS變形監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)與普通檢測(cè)的特點(diǎn)不同，因而GPS變形監(jiān)測(cè)在網(wǎng)形設(shè)計(jì)、觀測(cè)數(shù)據(jù)處理方面需要進(jìn)行獨(dú)特的設(shè)計(jì)，同時(shí)，對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的指標(biāo)也與常規(guī)監(jiān)測(cè)的指標(biāo)有所不同，因而需要對(duì)監(jiān)測(cè)的指標(biāo)做相應(yīng)的調(diào)整。GPS 監(jiān)測(cè)的要求不僅有精度、可靠性、費(fèi)用等方面的獨(dú)特要求，同時(shí)也需要對(duì)監(jiān)測(cè)的靈敏度進(jìn)行獨(dú)特的指標(biāo)評(píng)價(jià)，靈敏度直接關(guān)乎監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的合理性。

基準(zhǔn)設(shè)計(jì)是GPS監(jiān)測(cè)過(guò)程中較為重要的一項(xiàng)關(guān)鍵工作，在處理數(shù)據(jù)的過(guò)程中，基準(zhǔn)設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)為建立合適的平差模型，即基準(zhǔn)方程。將兩次不同的觀測(cè)數(shù)據(jù)在相同的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)下的平差進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而分析兩次測(cè)得的變形數(shù)據(jù)。

5 GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

GPS 變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)，從而獲得變形觀測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)這一變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的特點(diǎn)，可得GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與其它監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在觀測(cè)方法、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)集處理、數(shù)據(jù)整合等方面存在較大差異，同時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)特征也直接影響著GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

基準(zhǔn)設(shè)計(jì)是GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中較為重要的一環(huán)，在監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，利用平差模型對(duì)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，將相鄰兩組數(shù)據(jù)在同一個(gè)基準(zhǔn)下分析其變形量與變形指標(biāo)。

GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的選取采用的是平均間隙法，當(dāng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中各點(diǎn)均處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，選擇自由網(wǎng)平差法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中各點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)變化幅度較大時(shí)，即每組數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特征相差較大時(shí)，可以采用擬穩(wěn)平差法進(jìn)行計(jì)算，這樣可以有效降低各數(shù)據(jù)之間的差異化特征。

6 GPS監(jiān)測(cè)中周跳消除

由于GPS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受到各種環(huán)境因素、人為因素等影響，進(jìn)而引起較大的誤差，這將導(dǎo)致測(cè)算的結(jié)果存在較大的誤差，嚴(yán)重影響GPS解算精度，通過(guò)調(diào)整GPS解算中的參數(shù)以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，可以有效降低誤差；同時(shí)，對(duì)隨機(jī)模型的優(yōu)化可以有效減弱或消除GPS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的偶然誤差。

周跳在數(shù)據(jù)之間是可以相互影響的，載波相位觀測(cè)值是隨著時(shí)間不斷變化的，呈現(xiàn)在數(shù)據(jù)圖中是一段較為光滑、波動(dòng)的曲線，但由于周跳的影響，在數(shù)據(jù)的每個(gè)周期內(nèi)均會(huì)出現(xiàn)不同程度的周跳，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，可以利用小波和差分法相結(jié)合的技術(shù)對(duì)GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以有效消除周跳的影響。

7 結(jié)語(yǔ)

GPS 變形監(jiān)測(cè)誤差直接影響著檢測(cè)的精準(zhǔn)度，為了消除GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差的影響，此研究從分析誤差來(lái)源和影響機(jī)理來(lái)降低GPS 的定位誤差，主要方法有：①將2 期測(cè)得的數(shù)據(jù)采用相同的基準(zhǔn)進(jìn)行解算是降低GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差的基礎(chǔ)，同時(shí)也提高了不穩(wěn)定點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)效率。②分析變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的質(zhì)量指標(biāo)，以及采用合理的方法分析不同觀測(cè)元素，進(jìn)而得到變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)平差的獨(dú)特模型，有效消除變量誤差的影響，使測(cè)得的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠度更高。③利用穩(wěn)健估計(jì)法，可以實(shí)行不統(tǒng)基準(zhǔn)條件下的統(tǒng)一，有效避免了誤差數(shù)據(jù)的混入，通過(guò)消除變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的周跳，可以有效提高監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度。