GPS技術(shù)與數(shù)據(jù)處理在水利水電工程變形監(jiān)測中的探討

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摘要：由于現(xiàn)在自然環(huán)境的變化和人們生活水平的改善，國家對水利水電工程的要求也越來越高，為了確保其安全且有效地實(shí)施，應(yīng)用于其中的技術(shù)也在不斷地更新，其中g(shù)ps技術(shù)作為現(xiàn)代的新型技術(shù)之一，本文主要對此研究他在水利水電工程變形監(jiān)測中的應(yīng)用和意義等問題。 

關(guān)鍵詞：變形監(jiān)測 gps 水利水電 數(shù)據(jù)處理  一、gps的構(gòu)造和發(fā)展  gps系統(tǒng)是美國研發(fā)的衛(wèi)星全球定位的系統(tǒng)，現(xiàn)在已發(fā)展成為可以連續(xù)地向全球用戶全天提供三位速度和精確度高的三維坐標(biāo)以及三位時(shí)間信息的介于衛(wèi)星定位與無線導(dǎo)航的系統(tǒng)，它具有實(shí)時(shí)性的定位和授時(shí)及導(dǎo)航的功能。  從1974年之后，gps系統(tǒng)開始了新的導(dǎo)航定位的時(shí)代，即將導(dǎo)航衛(wèi)星作為動態(tài)已知點(diǎn)的無線電導(dǎo)航，這同時(shí)也意味著工程研制開始了新的篇章，1989年，隨著第一顆gps工作衛(wèi)星的成功發(fā)射，gps系統(tǒng)開始了生產(chǎn)作業(yè)。  gps系統(tǒng)的組成部分包括：用戶部分——gps信號接收機(jī)，控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)和空間部分——gps衛(wèi)星星座。gps衛(wèi)星所起到的主要作用包括：1. 接收地面監(jiān)控站發(fā)出的控制指令，并認(rèn)真執(zhí)行，根據(jù)情況適時(shí)地啟用備用衛(wèi)星或更正運(yùn)行偏差等；2. 通過高精確度的星載上的艷鐘和鉚鐘，提供精確而嚴(yán)密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；3. 不斷地向用戶發(fā)送定位信息；4. 儲存衛(wèi)星導(dǎo)航電文等信息，并將地面監(jiān)控站發(fā)來的這些信息適時(shí)地送往用戶。  二、gps變形監(jiān)測  變形監(jiān)測關(guān)鍵在于捕捉各觀測周期間的變形觀測點(diǎn)和變形敏感部位的變形信息，當(dāng)變形在規(guī)定范內(nèi),可以認(rèn)為是正常的情況，如果超過了規(guī)定的限度, 嚴(yán)重時(shí)就會危及建筑物的安全，影響建筑物的正常使用,給人們帶來災(zāi)難性的危害。變形觀測的精度通常都在亞毫米級至毫米級。常規(guī)的監(jiān)測技術(shù)是應(yīng)用水準(zhǔn)測量的方法進(jìn)行沉降監(jiān)測，其要求取決于該工程建筑物預(yù)計(jì)的進(jìn)行觀測的目的和允許變形值的大小,應(yīng)用三角測量的方法監(jiān)測地基的位移和整體的傾斜。主要是采用全站儀、水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、測距儀等常規(guī)測量儀器測定點(diǎn)的變形值,其優(yōu)點(diǎn)是: 可以提供絕對變形信息，適用于不同的監(jiān)測環(huán)境、不同形式的變形體和不同的監(jiān)測精度要求，能夠提供變形體整體的變形狀態(tài)。缺點(diǎn)是:觀測時(shí)間長、外業(yè)工作量大, 布點(diǎn)受地形條件影響, 不易實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測。在有些地方由于受到外界條件和地形等限制, 其工作效率和精度往往受到很大的影響。利用 gps 技術(shù),可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理以及變形分析的自動化。  三、gps的相對定位技術(shù)  相對定位技術(shù)是gps在測量上采用的常用技術(shù)，它主要是通過兩臺gps接收機(jī)來同步觀察同一個(gè)gps衛(wèi)星，把它們分別安裝在基線的兩端，用來確定基線向量和基線端點(diǎn)的相對位置?；€的解算是在基本觀測的基礎(chǔ)上，建立基線向量與觀測量的關(guān)系，然后用最小二乘解算出基線向量和它的精確度。在gps進(jìn)行觀察時(shí)，由于電離層誤差、衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、大氣折射誤差和接收機(jī)鐘差等的影響，在同步觀察時(shí)，其中的部分誤差會表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，比如鐘差和流層，為了減少這些誤差帶來的影響，要對基本測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同頻率的觀測量的線性組合或差分處理。[3]  四、gps定位系統(tǒng)的特點(diǎn)  gps是一種具有應(yīng)用廣、易操作、全天候、高精度、多功能、高效率、等特點(diǎn)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。  1．定位精度高  目前，gps測量基線的精確度已經(jīng)提高了一個(gè)層次，其靜態(tài)定位的精度已上升到了亞毫米級，在高程的精度上也已達(dá)到毫米級別。而gps實(shí)時(shí)的動態(tài)定位精度也達(dá)到了厘米級別，達(dá)到了各種工程的測量要求，具有顯著性的突破。大型建筑物、構(gòu)筑物變形監(jiān)測，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理模型和特殊的精密星歷、觀測措施之后，平面的精度可以達(dá)到亞毫米級，高程精度也可以穩(wěn)定在1毫米左右。  2．觀測時(shí)間短  隨著軟件水平的提高以及系統(tǒng)的完善，變形監(jiān)測所觀測的時(shí)間已得到良好的改善，從原來的數(shù)小時(shí)變成幾十分鐘甚至幾分鐘。且在使用靜態(tài)的相對定位模式之后，在觀測20千米之內(nèi)的基線時(shí)，對其所觀測的時(shí)間，在雙頻接收機(jī)的處理下最多只需要20分鐘，在快速靜態(tài)定位模式下，當(dāng)每個(gè)基準(zhǔn)站與流動站只相距在15千米之內(nèi)時(shí)，流動站觀測的時(shí)間最短1分鐘，最長也不超過2分鐘。  3．測站之間無需通視  在經(jīng)典的測量技術(shù)上，對其通視的要求非常高，要求其必須建筑大規(guī)模的規(guī)標(biāo)，而這對經(jīng)典測量的具體實(shí)施帶來了一定的阻礙。gps 作為新的技術(shù)解決了這一問題，它不再要求測量站間要相互通視，也不需要去大量地建造規(guī)標(biāo)，它只需要測量站的上空開闊，能夠和衛(wèi)星隨時(shí)保持通視便可。 [4]  五、gps水利水電監(jiān)測的措施  以往的gps定位基本上都是以毫米級或厘米級精度為目標(biāo)，而現(xiàn)在，應(yīng)用于水利水電變形監(jiān)測中的gps定位技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳送、采集、分析和處理都很容易實(shí)現(xiàn)，但是最值得人們關(guān)心的是點(diǎn)位的定位可靠性和精度。針對工程具體內(nèi)容，為提高精度和減少誤差，可以采取以下措施：  1.采用適當(dāng)方法消除測量噪聲的影響，如小波變換、卡爾曼濾波等；  2.采用精確的全球地心坐標(biāo)提高基線解算的精度；  3. 控制好觀測方案和時(shí)間以減弱不利的衛(wèi)星圖形強(qiáng)度對gps定位的影響；  4.采用精密基線解算軟件提高整周模糊度解算精度；  5. 采用布設(shè)良好監(jiān)測點(diǎn)以及扼流圈天線以減弱多路徑效應(yīng)的影響；  6. 采用精密星歷削弱衛(wèi)星星歷誤差的影響。  六、水利水電工程變形監(jiān)測的應(yīng)用和意義  在我國的水利水電工程中，所建堤壩就有10萬多座，它們作為我國的國民經(jīng)濟(jì)，主要在航運(yùn)、灌溉、防洪、供水和發(fā)電方面做出了重要的貢獻(xiàn)，也帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但是，隨著工程投入時(shí)間的加長，堤壩的功能越來越差，老化和損害的問題逐漸突出，尤其是在西電東送戰(zhàn)略中的西部地區(qū)。一個(gè)工程的質(zhì)量直接關(guān)系到人民的生命和財(cái)產(chǎn)，[1]如果大壩意外失事，它將會在瞬間爆發(fā)洪水，給大壩下游的人民帶來生命危險(xiǎn)，同時(shí)對其財(cái)產(chǎn)和國家資源造成嚴(yán)重的損失，所以在對工程的變形監(jiān)測時(shí)，工作人員所進(jìn)行的測量都精確到毫米和亞毫米級，可見，變形監(jiān)測在水利水電中的重要性。  大壩通過監(jiān)測的工作之后，可以以此消除一定的工程隱患，盡量發(fā)揮工程的作用，以保證大壩的運(yùn)行安全和更好地服務(wù)工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)。在部分大壩中，有一些臨時(shí)修建的邊坡工程，它們能否安全運(yùn)行也直接關(guān)系到整個(gè)大壩的安危，所以為確保大壩能夠正常運(yùn)行，也要經(jīng)常對邊坡工程進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測和結(jié)果分析，以此來了解邊坡工程變形移動的趨勢和規(guī)律，為防止萬一，可以對其進(jìn)行加固。  在進(jìn)行變形監(jiān)測的過程中，首先要對變形體的安危情況和運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行預(yù)測，主要做法是用變形監(jiān)測的實(shí)時(shí)性獲取其動態(tài)位移信息，其次，對變形體的監(jiān)測內(nèi)容還包括：1.確定監(jiān)測精度的指標(biāo)是否合理2.確定監(jiān)測方法，并去實(shí)施該技術(shù)3.分析和處理監(jiān)測數(shù)據(jù)4.診斷工程安全狀況。在工作人員對該工程進(jìn)行監(jiān)測后，將這些資料迅速反饋給運(yùn)營、設(shè)計(jì)和施工等部門，這樣做不但提高了水利水電的管理水平同時(shí)為該工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了值得信耐的科學(xué)根據(jù)。[2]  近年來，在各種需要監(jiān)測的工程中，比如，大壩、高邊坡、滑坡等工程，它們對監(jiān)測自動化和精確度的要求越來越高，而gps作為現(xiàn)代的高科技技術(shù)，正符合這種條件，除此之外，它還有不受通視條件影響和不受氣候條件限制的特點(diǎn)。然而，盡管如此，gps技術(shù)中的數(shù)據(jù)仍然有一些需要改進(jìn)的地方，這樣才能滿足不斷發(fā)展的變形監(jiān)測，同時(shí)適應(yīng)工程的變化。    參考文獻(xiàn)：  [1]吳中如.高新測控技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用，水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2001(1);  [2]陳永奇，吳子安，吳中如.變形監(jiān)測分析與預(yù)報(bào).北京:測繪出版社，1997.11.  [3]劉基余.gps衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法.科學(xué)出版社，2003.8;  [4]李征航，徐紹銼.全球定位系統(tǒng)(gps)技術(shù)的最新進(jìn)展，第三講，gps在變形監(jiān)測中的應(yīng)用.測繪信息與工程，2002(3);  [5]劉大杰，施一民，過靜君.《全球定位系統(tǒng)的原理與數(shù)據(jù)處理》[m].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1996.128一130;  注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以pdf形式查看。