GPS监测

GPS监测（精选11篇）

GPS监测 篇1

引言

川滇地块和甘青地块所在区域现今构造活动强烈、地震活动频繁[1,2]。独特的自然条件导致川滇地块和甘青地块所在区域地形高差悬殊、地貌类型多样、断裂发育, 成为突发性地质灾害的重灾区[3]。鲜水河断裂是川滇地块和甘青地块所在区域内最具影响力、最具特征的断裂。文章选取中国地壳运动观测网络中部分相关GPS监测站对川滇地块和甘青地块的边界断裂-鲜水河断裂进行研究, 通过研究鲜水河断裂两侧GPS监测站的监测结果, 来探讨鲜水河断裂现今活动量大小、断裂性质等活动特征。

1 鲜水河断裂基本特征

鲜水河断裂是川滇地块和甘青地块的边界断裂, 是中国西南地区巨型左旋走滑断裂带的重要组成部分。鲜水河断裂起于甘孜北面的英达, 经朱楼、旦都、瓦各及炉霍南侧延至道孚, 止于康定以南。断裂总体走向呈北偏西 (40~50) 度, 总体略呈向北东微凸的弧形状。长约300多千米。由鲜水河断裂的活动特征, 可将鲜水河断裂分为北西段和南东段。鲜水河断裂的北西段相对比较简单, 大致为单线延伸几何结构, 南东段则由折多塘断裂、康定断裂、磨西断裂等数条分支断裂组成[4]。鲜水河断裂形成于中生代晚期-新生代早期。在历史上, 鲜水河断裂具有多期活动的特征, 鲜水河断裂现今仍是一条活跃的活动断裂[5]。鲜水河断裂带是中国大陆地震活动最强的断裂带之一。

2 参考框架的选取

现今利用GPS技术监测地壳形变, 一般是在国际大地参考框架ITRF2000下研究。ITRF2000框架主要是基于最近20多年VLBI, SLR, GPS, DORIS等空间技术的实测资料建立起来的, 代表了近20年跨度的全球地壳运动的特征, 适用于现今全球板块运动和地壳形变的研究[6]。在ITRF2000框架下研究区域性地壳形变, 由于测站的位移和速率包含了首级大板块本身的运动, 而首级大板块运动速率一般都相对比较大, 因此, 很容易掩盖次级板块内各测站的局部相对运动。为了突出次级板块内形变监测点的相对运动及局部相对变形, 需要选择合适的区域参考框架。

欧亚参考框架是一个重要的区域性研究参考框架。2000年, S.Mc Clusky等人在用GPS研究东地中海和高加索地区的运动学和动力学时, 首次使用了欧亚参考框架。欧亚参考框架是在国际大地参考框架ITRF2000的基础上建立的, 利用国际地球自转服务 (IERS) 发布的欧亚板块内稳定的IGS测站速度场定义欧亚参考框架。用欧亚参考框架作为研究欧洲、亚洲等地区区域性地壳形变和板块构造运动的区域参考框架, 可以很好地消除欧亚板块整体性运动趋势的影响, 因而, 其结果更能准确地反映欧洲、亚洲等地区区域性地壳形变特征。为此, 为了更准确地研究鲜水河断裂的现今活动特征, 文章采用欧亚参考框架。

3 鲜水河断裂GPS监测数据计算

断裂活动是地壳运动的主要形式。一般来说, 绝大多数地块内部比较稳定, 构造变形主要发生在地块之间的断裂上。地块之间的相互作用, 主要通过其间的断裂活动来实现[7]。断裂活动主要体现在两方面:一方面, 地块间的碰撞挤压及拉张。碰撞挤压形成挤压构造, 致使地壳上升而形成高地。挤压构造导致地壳水平缩短, 是造山带构造中的一种较为普遍的构造形式和动力学机制。拉张构造致使断裂活动地区的岩层变薄、地壳下陷, 最终形成凹地、地堑及盆地。另一方面, 地块间的断裂产生大规模走滑、平移, 导致地壳转动、平移。断裂拉张、挤压及走滑、平移的几何学、运动学特征是地壳动力转换和构造活动的记录[8]。对断裂活动的监测研究是研究地块运动机制的关键, 同时也是研究地块动力学的突破口。

在研究鲜水河断裂构造活动特征时, 为了尽可能消除其它各种小断层和隐伏活动构造的影响, 工作人员尽量选用了靠近鲜水河断裂两侧能反映鲜水河断裂构造特征的中国地壳运动观测网络中的GPS监测站。鲜水河断裂两侧GPS监测站的选取情况如下表1所示。

文章共选择上述12个GPS监测站进行研究。这12个GPS监测站都属于中国地壳运动观测网络区域站。中国地壳运动观测网络区域站第一次观测于1999年3-8月完成, 第二次观测于2001年3-8月完成, 第三次观测于2004年3-8月完成。利用中国地壳运动观测网络上述三次观测数据, 采用高精度GPS数据处理软件CAMIT/CLOBK对观测数据进行相应处理。最终计算出上述12个监测站在欧亚参考框架下的水平速度。水平速度精度在1mm/a左右。鲜水河断裂两侧所选测站在欧亚参考框架下的水平速度如表2所示。

由上述鲜水河断裂两侧的测站在欧亚参考框架下的水平速度, 我们绘制出了鲜水河断裂两侧所选测站在欧亚参考框架下的速度场。鲜水河断裂两侧所选测站的分布情况及所选测站在欧亚参考框架下的速度场如图1所示。

以欧亚参考框架下鲜水河断裂两侧所选测站的水平运动速度为基础, 用最小二乘法分别求出鲜水河断裂两侧所选测站的各自重心速度矢量, 并以相对运动较弱的东北侧作为参考, 即求得鲜水河断裂的相对运动速度和方向。计算结果如表3所示。

4 计算结果分析

根据上述表3的计算结果, 鲜水河断裂两侧所选测站的重心运动速度分别为13.02mm/a和16.29mm/a, 说明鲜水河断裂所在地区活动性较大。由于鲜水河断裂两侧所选测站的重心运动方向都为南东向, 因此, 鲜水河断裂运动特征为其两侧地块的局部区域水平运动差异所致。两侧所选测站的重心运动速度矢量差反映了鲜水河断裂的活动性。鲜水河断裂西南侧相对于东北侧的运动速率为6.31mm/a, 表明了鲜水河断裂现今活动性大。鲜水河断裂西南侧相对于东北侧的运动方向为南偏西7.7度, 工作人员粗略的取鲜水河断裂的总体走向为北偏西45度, 将鲜水河断裂西南侧相对于东北侧的运动速度分解在鲜水河断裂的走向和倾向上, 可以大概推出鲜水河断裂为左旋走滑断裂, 且有明显的拉张特征。沿鲜水河断裂走向的走滑速率为3.82mm/a, 沿倾向的拉张速率为5.01mm/a。

鲜水河断裂两侧的测站分别属于甘青地块和川滇地块。鲜水河断裂的活动特征, 在一定程度上反映了甘青地块和川滇地块局部运动特征的不同。由于印度板块向北运动, 导致青藏高原的隆升, 再由于受到重力的作用, 青藏高原地区的地壳层在东西方向上有一定拉伸, 青藏高原地区地壳下的各种物质可能会向其东方或者西方逸出。青藏高原地区地壳层在其东部的延伸, 青藏高原地区地壳下的各种物质向青藏高原东部的逸出, 稳定的华南地块对甘青地块和川滇地块的阻挡作用的不同, 以上这些因素可能是造成甘青地块和川滇地块局部运动特征不同的部分重要因素。

参考文献

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[7]England P, Molnar P.Right-lateral shear and rotation as the explanation for strike-Slip faulting in eastern Tibet[J].Nature, 1990, 344:140~142.

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GPS监测 篇2

GPS自主完整性监测算法研究

完整性检测是GPS的`重要技术问题之一,传统RAIM算法有最小二乘法和Parity法等,大多在分离多颗故障卫星时的效果不佳,本文在对卫星导航系统中现有RAIM算法进行研究的基础上,讨论了故障卫星的探测与分离方法,提出了一种将传统算法有效结合的新算法,该算法能有效探测和分离多颗故障卫星.通过对各种不同的算法进行仿真,并对仿真结果进行对比,证明该算法具有能准确分离故障卫星和实时性强等优点.

作 者：廉保旺 张亮 曹娜 Lian Baowang Zhang Liang Cao Na 作者单位：西北工业大学,西安,710072刊 名：电子测量技术 ISTIC英文刊名：ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY年，卷(期)：30(10)分类号：P228.4关键词：完整性检测 RAIM Parity

GPS监测 篇3

[关键词]GPS定位技术；变形监测技术；路桥设计；监测；应用

随着GPS定位技术在不断地向更实用化发展，它的测量范围越来越广，测量功能越来越完善，操作也日益简便。在工程应用上发挥着不可替代的作用，越来越发挥我国在做路桥设计的时候常常把GPS定位技术应用进去，这样不仅可以避免传统测量方法带来的弊端，而且可以降低测量成本，同时也提高了精度与效率。GPS定位技术的优势急需我们发展应用。

一、GPS定位技术及变形监测技术概述

1、GPS定位系统简介

GPS定位系统也称全球定位系统，本来是用于军事的卫星导航和其定位系统，它以卫星为基础，具有全天候、速度快、连续性、实时性等特点，并且GPS具有良好的保密性及抗干扰性。GPS定位系统的优势在于它可以全天候地向全球任意一个用户提供某一点的时间信息和三维坐标等参数，且精密度极高，在各种变形监测中都有很好的应用，主要包括大坝变形监测、桥梁变形监测、滑坡监测及矿区变形监测等特殊地区监测。

2、变形监测技术简介

在上世纪八十年代之前，变形监测技术主要是指常规的大地测量和特殊的变形监测技术。常规的大地测量技术是指人们利用一些测量工具，如水准仪、经纬仪、全站仪和测距仪等，来进行测量。它可以达到提供变形整体形态和有效的绝对变形信息的目的，可以在不同的检测环境下进行，用于不同精度要求和不同变形。但因这一操作不能完全达到自动化而耗费人力物力，具有很大的工作量，受外界条件影响，精确度也不那么的理想。特殊变形测量技术包括准直测量、应变测量和倾斜测量三种，这种测量方法操作相对简单，也可以实现自动化，还可以对变形体内部进行检测，但它只能提供相对变形信息，提供的信息就比较的局部化单一化。而发展至今，人们常说的变形监测技术是由指摄影测量技术和GPS定位技术组成的。摄影测量技术主要包括地面摄影测量技术及航空摄影测量技术两种，它可以记录被测量物体的瞬间状态和信息，并被长久地保存下来，它的优势在于可以测量不可接触和不规则体，具有客观性，操作安全又简单易行。但它也具有一定的缺陷：摄影测量技术对测量距离要求较近，对设备与技术要求较高，因此它的应用就受到了限制。而GPS定位技术就可以对摄影监测技术进行很好的技术上的弥补，并在近年来拥有了广泛的应用，收效颇好。

二、GPS定位技术在变形监测中的应用

1、应用特点

GPS定位系统在变形监测的应用中具有以下幾个特点：一、在传统的测量方法中，往往需要保持测点之间的通视才能进行测量，而GPS定位系统却能弥补这一缺陷，只要测站上空开阔就可以就可以进行测量。二、在传统测量方法中，想要水平位移和垂直位移的数据需要分开测量，这样操作周期长、工作量大不好实现，而GPS定位技术可以同时提供测点的三维位移信息。三、GPS定位技术受限制的因素极少，可以全天候监测，不受天气地形等原因的影响。四、GPS定位技术可以提供1×10-6的监测精度，精度极高。五、GPS定位技术可以实现自动化，操作简单易于实现。

2、应用方案

变形监测的作业及监测模式有周期性重复测量、实时动态监测及固定连续GPS测站阵列三种。在应用时要根据国家规定的变形监测等级进行划分，明确相关的精度和参数要求。GPS用于监测的方案主要有以下几种：一、在每个测点都安装一台GPS机进行同步监测，保证每一点都有一机。二、如果要进行多期监测需要满足每一期的接收机台数和型号都相同。三、要选择卫星较多的时段进行监测，同时注重卫星的位置分布。四、基准点和变形点之间的距离最好不要超过5km。

3、GPS技术在变形监测中应用的应用的作业方式

GPS在变形监测中应用的作业方式主要有两种，即周期性和连续性。周期性监测与传统的监测方式相似，变形体的变化相对缓慢，对变形体的监测周期较长，在这种监测方式下基准点的选择就显得尤为重要。连续性监测指的是对某一监测点进行持续性长期的观测，对其数据进行采集。在这种监测方式下数据具有连续性，分辨率强，对数据的分析测算有着较高的要求。

4、GPS技术在变形监测中的应用误差

在任何测量中都会存在一定的误差，误差会对监测的精度和准确度有一定的影响。在GPS测量中按误差的性质可以分为系统误差和偶然误差。系统误差主要有卫星轨道误差、电离层折射误差、对流层折射误差、接收机钟差等。偶然误差则主要是多路径效应引起的误差及测量观测误差等。如果出现系统误差，主要通过在数据处理的数学模型中引入未知参数，以及运用监理系统误差模型计算该证书及同步观测数据求差等方法，来消除影响。若出现偶然误差，则可以通过增加观测系数、完善观测条件和调整观测时间等途径对其影响进行减弱。按误差来源分为了与GPS卫星有关的误差、与信号传播相关的误差，及与接收设备有关的误差。

5、GPS在桥梁设计中的应用

1）GPS静态相对定位在桥梁设计中的应用。GPS静态相对定位的一般方法，就是将1台GPS接收机安置在已知坐标的地面点上；另1台或多台GPS接收机安置在未知坐标的地面点上，并保持各接收机固定不动，同步连续观测相同的GPS卫星星座，用以求得未知点相对于已知点的坐标增量，从而由已知点坐标，推求各未知点坐标的方法。由于进行连续观测，取得了充分的多余观测量，因而可获得非常高的定位精度。GPS静态相对定位是一种较为经典的精密定位模式，与传统的测量方法相比，具有效率高、精度高与成本低等优点，因此，GPS被广泛应用于各种桥梁工程的平面控制测量与变形监测工作中。2）GPS动态相对定位在桥梁设计中的应用。所谓GPS动态相对定位，就是将一台GPS接收机安置于已知坐标的同定观测站上，并同步观测相同的卫星；基准接收机将瞬时观测量与由基准站已知坐标求得的相应结果进行比较，得出瞬时校正值，并用该瞬时校正值改正流动接收机的瞬时观测培，从而求得流动站乃相对于基准站五的瞬时位置。3）GPS-RTK定位在桥梁设计中的应用。GPS-RTK定位是基于载波相位测量的动态相对定位方法。随着快速确定整周未知数方法的进步，已发展成为一种实时的、高精度的动态相对定位技术测量系统。它采用了载波相位动态实时差分的方法，是近年来GPS技术的一种新突破，它的出现为桥梁设计工程带来了新的血液，可以极大提高了外业作业效率。

结语

GPS定位技术所有具有的高精度、实时工作性与较好的发展潜力引起测绘工作者的极大兴趣。随着GPS测量理论与设备的不断发展，使得GPS测量技术日趋完善。本文分析了GPS在变形监测中的应用现状，并进一步探讨了变形监测中GPS的发展趋势，对监测效果的保障等具有重大的意义。

参考文献

[1]代波.关于GPS在变形监测中的应用研究[J].科技创新与应用，2014.

GPS监测滑坡体的应用研究 篇4

桑干河白马寺水库工程地质条件复杂, 从坝轴线上溯8km库区河段内, 两岸倾向坡蠕变形的表面岩层发生拉裂倾倒, 促使岩层长期缓慢蠕变破坏, 岩层各向分离, 发育成十几个大小不等的滑坡体。一旦这些滑坡体滑坡或坍塌, 将对大坝施工及运行产生危险与影响, 并对水库蓄水与库容产生一定的影响, 因此, 对这些滑坡体进行监测是十分必要的。

蓄水前, 我们就对危险程度较大的1#、2#滑坡体和木底沟倾倒变形体进行了每月一次的连续跟踪测量, 到目前为止, 采用常规测量方法共进行12次。

1#滑坡体位于大坝上游约3.7 km, 滑体方量约1100万方;布设监测点21个, 编号为101-121, 按不同高程分4层布设, 以便随着水位升高带来的浸蚀影响, 对滑体的渐次坍塌可以分层控制, 细化变形量。

2#滑坡体位于大坝上游约2.8km, 滑体约410万方, 布设监测点16个, 编号为201-216, 分3层布设。

木底沟倾倒变形体位于大坝上游, 紧靠大坝, 滑体方量较小, 但是由于离大坝近, 其危险性不可低估。布设监测点4个, 编号为301-304。

从前12次的监测来看, 滑坡体在水库蓄水前, 变形量很小, 但是, 随着水库蓄水, 水位升高, 个别地段有坍塌现象, 并出现较大裂缝。可见, 由于水库蓄水, 对滑坡体进行跟踪监测, 实时为大坝施工提供准确数据, 是十分必要的。

2 常规监测手段及其局限性

常规手段中, 1#、2#滑坡体是从左岸工作基点HG01、HG02、HG03三点进行平面二维监测, 高程向量, 1#滑坡体从垂直工作基点G2-G5联测, 2#从G1-G6联测。3#滑坡体从水平工作基点J1、J2进行平面二维监测, 高程向量, 从G7、G8进行监测。从前12次的监测过程与有关变形监测理论分析, 常规手段存在一些弊端和局限, 主要是:

2.1 速度太慢。

目前, 由于水库蓄水, 滑坡体受浸蚀严重, 土质变松, 含水量增大, 变形速度大, 每日的变化较大, 但是目前观测一处滑坡体需在左岸三个平面工作基点上分别观测, 三处滑坡体平面监测至少要三天时间, 接着用几何水准方法进行高程测量, 至少要7天时间, 这样下来, 整个监测过程至少要10天时间完成, 这期间, 最早观测的点位与最末观测的点位显然不能算是同一期成果, 分析变形已失去“实时、同步”上的意义。

2.2 天气影响。

由于水库蓄水, 库区空气含水量增大, 测区经常有雾, 一个月难得有一、二个通视理想的天气, 从左岸工作基点观测右岸测点很难看清, 因此, 一般无法按计划日期、时间提供实时监测数据。

2.3 工作条件困难。

由于蓄水, 从大坝到工作基点HG01-HG03的道路已被淹没, 只好坐船前往, 但有的地方船难以靠岸, 给工作带来不便。

因此, 常规手段已不能满足监测的要求, 采用更加快捷, 更加精确, 更加科学的方法来监测滑坡体变形已十分必要。

3 GPS用于监测滑坡体的可行性

GPS (全球定位系统) 是利用天空中的GPS卫星发出的信号进行定位测量, 并借助先进定位软件输出点位坐标。GPS测量相对常规的监测手段, 它具有定位速度快、定位精度高、可实时提供三维坐标等特点, 是近年新出现的高新技术。国内部分单位也正尝试采用GPS对滑坡体变形进行监测:如长江委在重庆云阳县宝塔滑坡体监测时作过GPS试验, 武汉大学在长江三峡库区的新滩滑坡、黄腊石滑坡开展过GPS监测的研究, 并取得一定的成果。

但是, GPS用于滑坡体监测没有现成的规范可供参考, 以前我委也没有作过滑坡体GPS监测工作, 因此, 能否在桑干河白马寺水库库区滑坡体监测中采用GPS技术, 必需做一定的试验与研究, 来探讨方法的可行性。

4 GPS监测滑坡体的试验与研究

在常规监测手段进行第10、11、12次监测工作时, 我们同时采用GPS技术, 进行了对比测试, 以探讨GPS技术用于滑坡体形变监测的可行性。

4.1 GPS监测方案

4.1.1 观测技术设计:

由于滑坡体的滑动、坍塌, 部分点位可能在监测过程中被破坏, 同一个滑坡体上的点位由于受浸蚀程度可能不同, 其变形大小、方向可能不同, 因此, 在GPS观测时, 采用双基点法, 同时对一个点进行监测, 而不同监测点间不发生计算上的矢量关系。

4.1.2 工作基点的选择:

三处滑坡体都采用相同的工作基点观测, 这样可以综合分析滑坡体的形变。经分析, 采用了库区地形变点DXBS06和DXBS12作为工作基点, DXBS06位于右岸坝轴线附近稍偏下游的山体上, DXBS12位于左岸大坝下游约700m的山体上, 两点位置牢固, 点位可靠, 是理想的工作基点点位。

4.1.3 观测作业:

为了能精确地监测滑坡体的变形情况, 投入了六台GPS, WILD-200GPS三台, WILD-300GPS三台。

外业观测前, 对卫星情况进行了卫星星历预报, 选取最佳观测窗口进行外业观测, 具体作业时间为每天北京时间9:00-16:00。每个滑坡体, 均可在一天内完成观测工作, 三个滑坡体仅用三天时间就可以完成数据采集工作, 达到了实时跟踪形变趋势、同一个滑坡体上的点同步监测的目的。

以桑干河白马寺水库库区GPS地形变监测网点DXBS06、DXBS12两点做为工作基点, 监测1#滑坡体上21个变形测点, 2#滑坡体上16个变形测点, 木底沟倾倒变形体上4个变形测点。由于1#滑坡体上101、102、103、104、已被水淹没, 105、106虽未被水淹没, 但离水边只有几米, 故在初始值观测时只监测107-121, 15个测点;在第一次和第二次复测时只监测验112-121, 10个测点;2#滑坡体上第一层201-205都在坎边, 且正在塌陷, 故只监测206-216, 11个测点。木底沟倾倒变形体4个测点。

外业作业时, 有两台GPS接收机置于DXBS06、DXBS12两点进行连续观测, 其余四台GPS接收机分别在1#滑坡体、2#滑坡体、木底沟倾倒变形体上置于一组测点, 观测两小时后, 再迁至下一组测点。三次观测均采用了同样的观测方案, 并在初始值观测时, 制定了监测仪器与监测点名对照表, 后来复测时均严格按照对照表执行。

4.1.4 GPS观测中一些特别注意点:

接收机天线量高采用游标卡尺精确量取, 精确到0.1mm级, 并且在开始与结束时各测量一次, 取其中数;接收机应有充足的预热时间;天线指北线要指向正北, 左右偏离应在5度内;GPS应备有充足电源, 严防中断;严禁在接收机运行期间改变运行参数;禁止在接收机运行时在附近10m内使用无线电报话机等。

4.2 GPS监测数据处理

采用GPS专用软件进行基线计算, 数据处理中有关技术要求是:计算在WGS-84系统内进行;大气延迟系数 (电离层、对流层) 改正:标准模型;基线解算中在难以获得IGS (精密星历) 的情况下, 可以采用BROADCAST (广播星历) 处理;计算时同一时段观测数据的剔除率<10%;基线重复性检验应<2标称精度;异步环闭合差限差为Wx, y, z<3σ (σ=) , 同步环限差要求为异步环的50%。

4.3 GPS数据处理结果与常规手段监测结果的比较

将GPS计算结果与常规手段测量的结果进行比较, 分析它的形变。

GPS在三次监测中, 都能达到最弱点点位中误差<3mm的要求。从GPS测量位移量与常规测量位移量的比较, 85%的位移量差值都在10mm以内, 且位移方向基本一致。高程部分的偏移量70%在10mm以内, 94%在20mm以内, 可见, 用GPS监测滑坡体变形能够达到精度要求。

4.4 GPS监测方法的进一步探讨

从以上分析可知, 采用GPS技术对滑体监测是可行的, 我们优化下一步观测方案, 以便更快速完成每一次监测任务。

为此, 我们对每次观测两个小时的数据分2*1h、1h、0.5*2h三种情况分别进行计算处理, 下面仅对初始值观测时的成果分为两个时段, 时段长度为1.0小时;两个时段, 时段长度为0.5小时进行了比较, 从比较结果可以看出, 采用GAMIT软件进行基线解算, 武汉大学POWERADJ软件进行平差, 两个时段, 时段长度为1.0小时的坐标精度比两个时段, 时段长度为0.5小时的坐标精度普遍要好, 这符合GPS观测的特点, 且两个时段, 时段长度为0.5小时的坐标精度已能满足滑坡体监测的需要。

5 结论

用GPS技术代替常规测量手段进行桑干河白马寺水库库区滑坡体监测是可行的。GPS监测时可采用1小时观测, 分2*0.5h计算的方法进行。

试验的成功, 为GPS技术用于桑干河白马寺水库工程上其它方面的监测工作提供了科学的依据和实践基础。

摘要：本文通过桑干河白马寺水库GPS监测滑坡体试验, 阐述了高新技术GPS在监测滑坡体的应用, 经过对数据的进一步分析, 说明利用GPS监测滑坡体变形能够满足精度要求。

关键词：GPS技术,桑干河白马寺水库,滑坡体监测

参考文献

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[5]田野, 贾晓堂, 包德高.GPS高程测量精度的探讨[J].长治:煤, 2009, 18 (5) :42-44.

GPS监测 篇5

GPS技术具有全天候、自动化、选点灵活、可同时测定点的三维位置与速率等优点,因而为滑坡监测提供了一种新的`有效的数据采集手段.主要介绍了GPS用于滑坡变形监测的方法,并通过三峡库区卡子湾滑坡体的变形监测介绍了GPS滑坡监测的整个过程,包括监测网的技术设计、外业观测、数据处理、变形分析等内容.监测结果表明,采用GPS静态定位技术达到mm级的精度,完全可以满足高精度滑坡监测的要求.

作 者：郭永成 刘辉 何春桂 张安兵 GUO Yong-cheng LIU Hui HE Chun-gui ZHANG An-bing 作者单位：郭永成,GUO Yong-cheng(武安市国土资源局,河北,武安,056300)

刘辉,何春桂,张安兵,LIU Hui,HE Chun-gui,ZHANG An-bing(河北工程大学,资源学院,河北,邯郸,056038)

GPS监测 篇6

【关键词】GPS；大坝滑坡；安全监测

引言

目前，随着科技的快速发展，GPS全球定位在测绘行业中引领前沿，尤其是在精密测量，港口航道建设、道路桥梁建设、形变监测、精准农业、航空遥感、地理信息系统和国防军事科研等得到广泛的应用。由于近年来我国地质灾害比较严重，我国目前已建成的水库大坝约86000座，坝高在15米以上的约有19000座。据初步统计，在已建的这些水库大坝中，被列为病险的大中型水库有620余座，被列为病险的小型水库有33600余座。对部分大坝存在的缺陷或隐患，如不及时发现和处理，将直接影响大坝的安全，甚至演变为溃坝的灾难性事故。

GPS精密定位技术已在大地测量、地壳形变监测、精密工程测量等诸多领域得到了广泛的应用和普及。与观测边角相对几何关系的传统测量方法相比，GPS监测具有很大的优点。GPS监测系统可以使监测工作完全自动化，快速简便，建立无人守值的监测系统，适用各种高精度变形监测领域，更好的为大坝及滑坡安全监测服务。

1、GPS自动化监测系统的组成

GPS自动化监测系统由数据采集、传输、处理（包括分析、管理）三大部分组成，三部分采用局域网络联成一个有机的自动化系统，网络结构见图1。数据采集由7台GPS组成，其中GPS1、GPS2为基准站，位于坝下游两岸；GPS3～7为外观监测站，位于坝面，其中GPS6位于大坝拱冠；GPS1和GPS2数据传输采用新一代DS扩频通讯技术，将GPS信息传输至控制中心，GPS3～7采集的数据，通过光纤传输至控制中心；数据处理由总控、数据处理、数据分析、数据管理4个模块组成（4个软件均为自行开发的专用软件）。

2、四川雅安峡口滑坡

雅安峡口滑坡位于四川雅安市北陇西乡境内，陇西河中游峡谷东岸。该地区基岩由白垩系砂岩、泥岩组成。滑体物质为古崩塌堆积物，为碎石块夹紫红色粘土，块石直径0.2～2m。滑坡体入渗径流条件好，地下水层较浅，该地区气候温暖湿润，雅安号称雨城，年平均气温16℃，年降雨量1800mm，而且集中在6～9月。该地区是古滑坡区，1981年8月19日深夜，由于暴雨倾盆，大量雨水流入坡体诱发大规模滑动，造成房屋倒塌，公路和渠道被毁。1995年雨季后，复活滑坡上的变形蠕动体又出现了不同程度的变形，成了潜在滑坡体。为了测定滑坡的变形，在滑坡体外稳定的岩体上选择基准点二个，一个在东，一个在北面山梁上。编号为ya15，ya17。

根据当地滑坡体特点选择监测点，这些点要能反映滑坡体整体变形方向、变形量，又要能反映滑坡体范围和变形速率。每个点还要考虑接收卫星信号情况，测点上空不要有大面积遮挡物。在雅安试验区共布了15个监测点。在滑坡剖面上，从上到下布设5个点，与测斜仪、裂缝位移监测仪很近。在雨量计和地下水位测量仪附近安放3个测点。其余7个点在滑坡体周边。点间距平均120m，最长229m，最短17m。在每个测点上都建造GPS观测墩。该墩为钢筋混凝土浇灌，地下1.5m，地上1.5m，并设有强制对中装置。

经过数据采集，数据处理和分析，滑坡体不仅仅有沿主滑坡方向的位移，还有垂直于主滑坡方向的位移。这是因为滑坡体中间部分突出，两侧凹陷的缘故。GPS滑坡监测的结果准确反映了该滑坡体的滑动趋势和位移。

3、GPS用于三峡库区滑坡监测的试验

三峡库区是中国地理上的一个相对较新的地名词，三峡水库库容极大，由于三峡两岸山体下部未来长期处于浸泡之中，因此发生山体滑坡、塌方和泥石流的频率会有所增加，这将是三峡库区面临的主要地质灾害。该地区土地类型多样，丘陵、山地面积大，平地面积小，土地结构复杂、垂直差异明显。因特定的地理条件，地震、崩塌、滑坡、泥石流等灾害也时有发生。库区地处四川盆地与长江中下游平原的结合部，跨越鄂中山区峡谷及川东岭谷地带，北屏大巴山、南依川鄂高原。为探索GPS在三峡库区滑坡监测中的应用，我们在三峡库区新滩至巴东段（约55km），选择9个崩滑体和3个滑坡进行GPS滑坡监测试验。全段布设7个基准点，53个监测点。

4、结论

GPS变形监测数据处理方法研究 篇7

关键词：GPS,变形监测,数据处理

在G P S监测系统中, 数据处理的主要工作是观测资料的解算, 如G P S差分求解、G P S监测网平差等, 以提供高精度、高可靠性的相对位置信息, 而数据分析的重点则包括变形基准的确定, 正确区分变形与误差, 提取变形特征, 并解释其变形成因。

根据变形体的研究范围, 可将变形监测研究对象分为全球性变形研究、区域性变形研究、工程和局部性变形研究3类, 本文主要是对后两类变形体进行研究。

根据被监测对象的特点, 存在3种不同的作业和监测模式:周期性重复测量、固定连续G P S测站阵列和实时动态监测。其中, 周期性重复监测是最常用的一种监测模式, 一般采用静态相对定位方式进行数据处理。每一期观测值相当于进行一次相对定位, 通过计算两期间监测点的位置变化 (坐标差) 来测定变形量。对于小范围内的监测网, 有时也采用快速静态定位方式进行数据处理。固定连续G P S测站阵列是在一些重点或关键地区 (如滑坡危险地段) 或敏感工程建筑物 (如大坝) 布设永久G P S监测站, 在这些测站上进行连续观测, 数据传输到数据处理中心进行处理。随着G P S技术在变形监测中的广泛应用, 数据处理的方法也日趋多样化。如:静态数据处理方法;单历元解算方法:动态卡尔曼滤波方法;谱分析方法:小波变换方法;神经网络方法等。各种方法的基本思想如下。

1 静态数据处理方法

该方法以每一期观测值作为一次相对定位, 通过计算两期之间监测点的位置变化 (坐标差) 来测定变形量。其数据处理流程一般是:各期分别采用静态相对定位方式获得基线向量;然后进行网平差, 并对观测质量进行评价和分析, 以获得监测点的坐标;最后, 根据监测点的两期坐标差采用统计检验方法确定该坐标差是否是变形量。

在这种方法中, 监测网一般由基准点和监测点构成。基准点用于建立监测网的基准, 即保证变形分析在同一基准下进行。监测网首期坐标作为变形分析的基础。在这种数据处理方式中, 存在两个问题需要解决:其一是如何采取有效的方法正确剔除观测值中的粗差;其二是如何判断基准点是否稳定, 如果不稳定, 如何采用有效的方法使变形信息不受基准点变化的影响。

2 单历元解算方法

对于动态定位, 近年来国内外专家主要研究了整周模糊度的在航求解方法 (O T F) , 并提出了多种O T F方法。在O T F方法中, 周跳的探测与修复是一个重要的问题。为了从根本上解决该问题, 国内外一些学者提出了单历元解算模糊度的方法。

1993年Cross等提出了单历元快速模糊度解算的初始设想, 随后C o r b e t等对这一设想进行了发展。该方法的基本思想是:首先确定G P S点的近似坐标 (要求与精确值之差不超过2m) ;第二, 选择PODP值最小、几何图形最优的4颗卫星为基本卫星星座, 采用L 1载波建立3个双差方程。用近似坐标解算3个双差模糊度的实数解, 并按四舍五入方法固定为整数, 取±5周的变化构成搜索空间 (共1331组模糊度) 。对所有的模糊度组合, 利用双差方程计算出相应的坐标:第三。根据计算的坐标, 利用所有的测站、所有卫星的L 1, L 2观测值计算模糊度函数值。将模糊度函数值大于一定数值的模糊度筛选出来, 构建新的模糊度搜索空间;第四, 在新的模糊度搜索空间中, 根据双差方程, 采用最小二乘估计方法计算残差平方和, 然后采用F检验确定正确的模糊度。实验表明, 对于小于1 k m的基线, 单历元正确解算模糊度的成功率为1 0 0%, 但当基线较长时成功率有所下降。

3 动态卡尔曼滤波方法

对于局部地区周期性重复测量的G P S监测网, 若将监测点看作是动态变化的, 则可以采用Kalman (卡尔曼) 滤波方法进行数据处理。

Kalman (卡尔曼) 滤波方法的关键思想是: (1) 状态变量的引入: (2) 建立状态方程和观测方程: (3) 用射影方法求最优滤波器。K a l m a n滤波器给出了一套容易在计算机上实时实现的最优递推滤波算法, 适合处理多变量系统和时间系统, 适合处理非平稳随机过程。

但是卡尔曼滤波理论对动态系统提出了严格的要求, 即要求系统噪声和观测噪声为零均值白噪声。这一条件在实践中往往难以满足, 致使滤波结果失真。在G P S监测网观测过程中, 由于受到周跳、整周模糊度解算误差及多路经效应等的影响, 致使基线向量中可能含有粗差。当采用标准卡尔曼滤波模型的结果进行变形分析时, 则不可避免的导致变形分析结果的失真。因此, 采用卡尔曼滤波动态处理G P S监测网数据时, 如何克服观测粗差对滤波结果的影响, 从而保证变形分析结果的正确性, 是我们必须要考虑的问题。栾瑞明, 张华海等, 余学祥等对此方法应用于变形监测数据处理领域进行了有益的研究。

4 谱分析方法

动态变形分析既可以在时间域进行, 也可以在频率域进行。频谱分析方法是将时间域内的数据序列通过傅立叶 (Fourier) 级数转换到频率域内进行分析, 它有利于确定时间序列的准确周期, 并判别隐蔽性和复杂性的周期数据。频谱分析法用于确定动态变形特征是一种常用的方法, 尤其是在建筑物结构振动监测方面被广为采用。但是, 频谱分析法的苛刻条件是数据序列的等时间间隔要求, 这为一些工程变形监测分析的实用性增加了难度, 因为对于非等间隔时间序列进行插补和平滑处理必然会带入人为因素的影响。

5 小波变换方法

诞生于20世纪80年代末的小波分析理论, 是一种最新的时频局部化分析方法, 被认为是自傅立叶分析方法后的突破性进展。将小波变换用于G P S动态变形分析克服了经典傅立叶分析不能描述信号时频特征的缺陷, 利用小波变换的多分辨率特性, 实现了G P S动态监测数据的滤波、变形特征信息的提取以及不同变形频率的分离, 可望有效的求解变形的非线性系统问题。但是这一研究领域刚刚起步, 在变形分析方面尚无实质性的研究成果。第21届IUGG大会“小波理论及其应用”被I A G确定为大地测量新理论的研究方向之一。在1 9 9 9年召开的第2 2届I U G G大会上, “小波理论及其在大地测量和地球动力学中的应用”再次被IAG确定为GIV分会 (大地测量理论与方法) 的新的研究小组。可见, 开展小波理论及其应用研究的重要性。从目前的应用研究来看, 虽然小波分析要求大子样容量的时间序列数据, 但是, 长序列数据可从GPS、TPS等集成的自动化监测系统中得到保障。小波分析为高精度变形特征提取提供了一种数学工具, 可实现其它方法无法解决的难题, 对非平稳信号消噪有着其它方法不可比拟的优点。因此, 小波分析理论在G P S变形监测 (尤其是动态变形监测) 的数据处理与分析方面将可发挥巨大的作用。

参考文献

[1]黄声享, 尹晖, 蒋征.变形监测数据处理[M].武汉:武汉大学出版社, 2003.

GPS监测 篇8

1 GPS在变形监测中的应用现状

经过近十年的迅速发展,GPS观测边长相对精度已经能够达到10-9,比传统大地测量精度提高了3个量级。GPS技术在变形监测方面主要应用于以下领域:首先,利用GPS技术解决了常规观测中需要多种观测的问题,观测结果能充分反映滑坡的全方位活动性,是监测滑坡变形、掌握滑坡发育规律的切实可行的技术;其次,该技术可对大型建筑物位移实时监测,具有受外界影响小、自动化程度高、速度快、精度较高等优点,可以全天候测量被测物体各测点的三维位移变化情况,找出被测物体三维位移的特性规律,为大型建筑物的安全营运、维修养护提供重要的参数和指导;第三,GPS精密定位技术不仅可以满足水库大坝外观变形监测工作的精度要求,而且有助于实现监测工作的自动化。另外,GPS技术还应用于地面、海上勘探平台及高层建筑物等的沉陷观测中。

2 GPS变形监测的特点

2.1 测站间无需保持通视

由于GPS定位时测站间无需保持通视,从而可使变形监测网的布设更为自由、方便,并可省去不少中间传递过渡点,节省大量费用。

2.2 能同时测定点的三维位移

采用传统方法进行变形监测时,平面位移通常是采用正锤线、倒锤线、边角导线、方向交会、距离交会和全站仪极坐标法等方法来测定的,而垂直位移则一般采用精密水准测量、液体静力水准测量、倾斜仪等手段来测定。水平位移和垂直位移的分别测定不仅增加了工作量,而且监测的时间和点位也不一定一致,从而增加了变形分析的难度。

2.3 全天候观测

GPS测量不受气候条件的限制,在风雪雨雾中仍能进行正常观测。配备防雷电设施后变形监测系统就能实现全天候观测。这一点对于防汛抗洪、滑坡、泥石流等地质灾害监测等应用领域来讲显得特别重要。

2.4 易于实现全系统的自动化

由于GPS接收机的数据采集工作是自动进行的,而且又为用户预留了必要的接口,故用户可以较为方便地把GPS变形监测系统建成无人值守的自动监测系统,实现从数据采集、传输、处理、分析、报警到入库的全自动化。有必要时,用户可以很方便地从控制中心的办公室中来观看每台GPS接收机的板面信息,也可以在办公室中发布命令来更改数据采样率、时段长度和截止高度角等设置。这对于长期连续运行的监测系统是很重要的,可降低监测成本,提高监测资料的可靠性。

3 GPS变形监测自动化系统

(1)数据采集。GPS数据采集分为基准点和监测点,为了提高数据的精度和可靠性,一般至少选取2个监测基准点,基准点的点位要稳定且能满足GPS观测条件。监测点的选取要能构反映被监测对象的形变,并能满足GPS观测条件。(2)数据传输。基准点采集的GPS观测数据,采用新一代的无线电通讯技术,将观测数据传输到磁盘或其他介质上。(3)数据处理,分析和管理。将观测资料传输至控制中心,通过控制中心的服务器,对数据进行处理,分析,贮存,管理。

4 GPS变形监测的应用

4.1 G P S在大坝监测自动化系统中的应用

大坝变形监测包括水平位移、垂直位移(沉陷)、挠度、倾斜、表面接缝和裂缝监测。水库或水电站的大坝由于水负荷的重压可能引起变形,需要对大坝的变形进行连续而精密的监测。GPS精密定位技术与经典测量方法相比,不仅可以满足大坝变形监测工作的精度要求(1.0~0.1)×10-6,而且更有助于实现监测工作的自动化。

4.2 GPS用于地面沉陷的监测

由地下煤炭、石油和天然气的开采,引起了许多矿区的地面沉降;由于过量地抽取地下水,也使许多城市的地面,产生了显著的沉陷。矿区地面形变测量包括矿区地表移动、露天矿边坡移动测量等。其测量的最终目的是通过不同观测时间测定的地面点的水平位置和高程,进行分析对比,得出地面点位的水平位移与沉降数据,进行变形分析与预测。使用GPS测量技术对上述沉降现象进行监测是经济而有效的。GPS测量不要求相互通视,且速度快,作业灵活,显著地提高作业效率。监测地面的垂直位移,无需将GPS测量的大地高程进行系统的转换,不仅简化了计算工作,同时也保障了观测精度。

4.3 GPS用于高层建筑物监测

高层建筑物动态特征的监测对其安全运营、维护及设计至关重要,尤其要实时或准实时监测高层建筑物受地震、台风等外界因素作用下的动态特征,如高层建筑物摆动的幅度(相对位移)和频率。传统的高层建筑物的变形监测方法(采用加速度传感器、全站仪和激光准直等)因受其能力所限,在连续性、实时性和自动化程度等方面已不能满足大型构筑物动态监测的要求。近年来,随着GPS硬件和软件技术的发展,特别是高采样频率(如10Hz甚至20Hz)GPS接收机的出现,以及GPS数据处理方法的改进和完善等,为GPS技术应用于实时或准实时监测高层建筑物的动态特征提供了可能.目前,GPS定位技术在这一领域的应用研究已成为热点之一,以高层建筑物动态特征的监测为例,设计了振动实验以模拟高层建筑物受地震和台风等外界因素作用下的动态特征,并采用动态GPS技术对此进行监测。实验数据的谱分析结果表明,利用GPS观测数据可以精确地鉴别出高层建筑物的低频动态特征,并指出了随GPS接收机采样频率的提高,动态GPS技术可以监测高层建筑物更高频率的动态特征,最终建立具有GPS数据采集、数据传输、数据处理与分析、预警等功能的高层建筑物动态变形自动化监测与预警系统。

5 结语

综上所述,GPS技术以其全天候、高精度、高速度、实时三维定位、误差不随定位时间而积累、高自动化等特点优于传统的测量技术,对于变形监测是一种非常有效的方法。特别是在大型工程中应用一机多天线监测系统,不但能大幅度降低成本,而且其精度不会降低,既提高了工作效率,又节省了大量的人力和物力。

摘要：本文分析了GPS技术在变形监测中应用的现状、特点和作业方式,探讨了GPS在大坝、地面沉降、高层建筑物等工程变形观测中的应用。

GPS监测 篇9

1 水文地质特征

1.1 区域水文地质资料

矿区地貌具典型的黄土高原梁、峁特征,降水量少,绝大部分被黄土层覆盖,地形起伏大,沟谷纵横且切割深,无良好的汇水地形,降水水后地表径流排泄迅速,煤层露头零星分布,出露面积小,含水层直接接受大气降水充水补给作用微弱。准格尔煤田构造总体为向西倾斜,具波状起伏的单斜,地下水的富集和储存条件差。东部黄河地表水流经煤田东缘,其仅与寒武、奥陶地层有水力联系,煤层位于黄河水位以上,与煤系地层无水力联系,是排泄区内地表汇水的天然场所。该区域煤层直接充水补给量非常小并且富水性及差,水文地质条件相对简单。

根据该含水层(组)介质的岩性组成情况及该区域地下水在其中的赋存、运移规律、地下水水化学特征等,矿区含水层划分为第四系松散岩类孔隙含水层、石炭-二叠系碎屑岩类裂隙含水层(组)和奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层三个含水层(组)。

1.2 地质构造、地下水、地表水的关系

准格尔煤田总体构造轮廓控制着地下水的储存、富集、运动。走向近南北、东部隆起、西部拗陷,向西倾斜的单斜构造决定了地下水总的运动趋势为由东向西。总体的单斜及其间发育的幅度较小的宽缓褶皱形不成良好储水构造,不易形成地下水的富集带,仅对地下水运动方向有所影响。

2 魏家峁露天矿首采区及东一号GPS监测系统开发与设计

相比于传统的形变监测是在边坡监测区建立控制网,使用高精密全站仪为主要手段,选择网中高等级点建立统一基准,将这些监控网点用可靠的方法高精度地与各部位的独立基准点联测,将独立基准点各部位倒垂、正垂、引张线等监测系统联系起来,形成整体的监测网络系统。露天矿边坡监测网的可靠性和精度要求非常高,观测周期多,费用高昂,要花费非常大的人力以及物力。

矿区边坡稳定变化是很缓慢的,要通过观测整体的微小变形量,构造统计分析模型,预测变形体长期的变化趋势,为以后的分析决策提供依据。为了进行形变分析,需要获得监测点高精度位置坐标数据,通常要求监测点的观测数据达到毫米级的精度,这也是GPS定位技术能应用于变形观测的一个关键性问题。

GPS用于矿区边坡稳定监测时,是在一定范围内具有代表性的区域建立变形观测点,在远方距离监测点合适的位置(如稳固的基岩上)建立基准点。在基准点架设GPS接收机,根据其高精度已知三维坐标,经过几期观测得到变形点坐标(或者基线)变化量。依据所观测点的形变量,统一建立安全监测模型,分析首采区和排土场边坡的变形规律并且实现数据的及时反馈。

对于魏家峁露天煤矿首采区和东一号排土场边坡,在确定如何布置监测点时应充分考虑下面四点:(1)监测点布置密度;(2)首采区和东一号排土场最终边坡下是否有重要设施或者是否正在进行或在近期的一段时间内进行采矿工程活动;(3)边坡潜在滑坡模式;(4)边坡稳定性计算结果是否满足边坡安全储备系数的要求。

全方位考量以上四点之后,位移监测线的方位必须与滑坡主轴方向是一致的,各个测点必须分布在边坡中应力变化最敏感的位置,该方案内共有6条监测线,17个位移监测点,采场3条监测线,7个位移监测点,排土场3条监测线,10个位移监测点。

3 结论

边坡监测及滑坡预警是边坡稳定性控制的关键技术。项目在魏家峁露天矿边坡稳定性分析的基础上,结合露天矿实际,开发与设计了采场、排土场GPS监测系统,优化了监测点布置方案。取得以下几点结论和认识:

(1)非工作帮边坡稳定系数储备不足,东一号排土场稳定性对其西南侧输水设施排洪渠、罐子沟安全有重大影响。实施GPS监测系统具有重大现实意义。

(2)监测点布置在非工作帮和东一排土场,共设计6条监测线,17个位移监测点。基本覆盖采场、排土场重要设施。

(3)针对露天矿实际,设计了GPS监测系统硬件实施方案与软件系统,该系统投资小,实用性强并优化了设备选型。

(4)分析了常用的滑坡判据的适用性,根据不同的滑坡判据建立了相应的预警模型,应用高级程序语言C#开发了魏家峁露天矿滑坡预警系统,该系统具有图形显示、短信预警和打印复制等功能,实现了滑坡实时预警,为魏家峁露天矿提供了可靠的辅助管理手段。

(5)建议根据边坡监测效果,及时调整监测点布置方案,实现动态、智能监测。

摘要：通过在魏家峁露天煤矿近两年的GPS监测系统应用情况,形成准确的边坡位移控制网,以高精度GPS控制网作为基础,在首采区及东一号排土场边坡不稳定的区域建立GPS监测观测点,并且GPS观测点的布置可以与其他技术手段相结合,准确观测和预测边坡的位移变化情况,并为长期稳定性预测研究提供资料。

关键词：魏家峁露天煤矿,采场排土场,GPS监测

参考文献

[1]许斌,等.GPS变形监测技术在天荒坪电站水库坝区的监测网试验[J].水利水电科技进展,2004,05.

[2]卫建东.现代变形监测技术的发展现状与展望[J].测绘科学,2007,6(32):10-13.

[3]王倩,等.基于GIS的露天矿边坡安全信息系统设计与实现[J].金属矿山,2010,02.

[4]张东明.边坡监测技术与数据处理方法的研究[J].科学技术与工程,2010,22.

[5]陈佩佩,等.玉舍河下煤层开采安全性分析[J].煤田地质与勘探,2007,2.

滑坡GPS监测网设计及成果分析 篇10

1 GPS的工作原理

GPS系统由3部分组成:空间部分, 地面监控部分和用户接收设备部分。GPS卫星星座由24颗高约20200公里的卫星群组成, 其中21颗工作卫星和3颗备用卫星, 均匀分布在6个地心轨道平面内, 每颗轨道4颗卫星。各轨道平面与地球赤道面的倾角为55°, 各轨道平面之间的交角为60°, 卫星运行的轨道周期为11小时58分, 这样可以保证在任何时间和任何地点地平线上可以接收4到11颗卫星发送出的信号。空间部分的功能是主要执行地面监控站的指令, 接收和储存由地面监控站发来的导航信息;同时向GPS用户播送导航电文, 提供导航和定位信息;通过高精度卫星钟向用户提供精密的时间标准。

GPS定位过程中, 存在着三部分误差:一部分是对每一个用户接收机公有的, 例如, 卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等;第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差, 第三部分为各用户接收机所固有的误差, 例如内部噪声、通道延迟、多路径效应等。利用差分技术, 第一部分误差基本上可以消除, 第二部分误差大部分可以消除, 其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离, 第三部分误差则很难消除。

数据处理在滑坡GPS监测过程中是一项关键的步骤, 众所周知单基线解算的算法简单, 但由于其解算成果无法反映同步基线间的误差相关的特性, 不利于后面的网平差处理, 一般只用在普通等级GPS网的测量中;多基线解算由于在基线解算时顾及了同步观测基线间的误差相关特性, 因此在理论上是严密的。

2 GPS测量的特点 (见图1)

GPS测量与传统测量方法相比较, 其主要优点为:

(1) 测量精度高。GPS观测的精度明显高于一般常规测量, 在小于50 km的基线上, 其相对定位精度可达1×10-6, 在100~500 km的基线上可达10-6~10-7。

(2) 测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互通视, 控制网不要求保障良好的几何结构, 能根据实际需要确定点位, 使得选点工作更加灵活方便。

(3) 观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善, 软件的不断更新, 在进行GPS测量时。静态相对定位每站仅需20 min左右, 动态相对定位每站仅需1~2 s。

(4) 仪器操作简便, 自动化程度高。目前GPS接收机自动化程度越来越高, 操作智能化, 观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数, 接收机即可进行自动观测和记录, 野外测量工作轻松愉快。

(5) 全天候作业。GPS卫星数目多, 且分布均匀, 可保证在任何时间、任何地点连续进行观测, 一般不受天气状况的影响, 这一点也是常规测量无法比拟的。

(6) 提供三维坐标。GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标, 其高程精度已可满足四等水准测量的要求。

3 设计

GP S测量获得的是GP S基线向量, 是WGS-84坐标系中的三维坐标差, 而实际需要的是国家坐标系或地方独立坐标系的坐标, 所以在GPS网的设计时要明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据, 即明确GPS网的基准。

GPS监测网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准, 而基准设计实质上主要是指确定监测网的位置基准问题。对于滑坡监测的高程网来说, 则至少需要一个高程起算点解决高程基准问题。GPS变形监测网坐标系统选择WGS-84坐标系。在进行基准设计时, 最好能联测至少一个测区附近高精度的GPS点 (A、B、C级点等) , 保证滑坡监测网达到D级, 确保GPS网点的位置基准达到毫米级精度, 能有效提高GPS基线解算精度。

滑坡监测网的技术设计既要依据GPS测量规范和规程, 如, 《全球定位系统 (GPS测量规范》GB/T18314-2001等, 又要依据工程测量规范、各部门制定的规程以及滑坡监测任务书。其网形设计主要取决于数据使用者的要求、经费、时间、人力和所投入接收机的类型、数量和后勤保障条件等, 同时考虑监测网形结构对高程精度的影响, 选用点连式三边网, 不仅保证点位的高程及平面精度而且可以减少大量的观测和计算工作量, 提高工作效率。

滑坡监测内容包括:滑坡体与地表水平位移的监测;地表的垂直位移监测;监测区内建筑物的沉降观测。结合布网的要求以及滑坡地区的地理条件, 采取相应的布网方式。GPS滑坡监测网点的设计包括基准点的设计和监测点的设计。

GPS滑坡监测基准点点位的确定原则要充分考虑到: (1) 地质条件好, 点位稳定 (2) 适合GPS观测条件, 并无显著多路径效应; (3) 尽可能选用经实践证明点位稳定的原滑坡区域内的基准网点。因原基准点都经地质勘探, 且建有稳固的观测墩, 便于稳定性分析。

GPS滑坡监测的监测点点位的选定原则应该能适合GPS观测条件, 并有效的反映滑坡变形的特征。具体地说, 滑坡监测点应沿滑坡主滑线布设;监测点周围障碍物的高度角要小于15°;监测点应远离大功率无线电发射源和高压输电线, 以避免周围磁场对GPS信号的干扰。

4 GPS监测网的监测

以三峡库区地区某一滑坡体的监测为例参照滑坡变形测量的要求, 最终确定监测点的精度要求为1 mm, 按照基准网与监测网两级布设, 滑坡体周围布设三个基准点, 这些基准点位于该滑坡体两侧的稳定岩体上, 变形监测点位于滑坡体变形明显的敏感部位, 共设6个监测点, 分别为W1~W6。所有点位均埋设测量墩, 采用强制对中装置, 测量墩上设置天线指向标志。为减少仪器误差的影响, 对于每个点只用同一台仪器进行观测, 天线指向与标志对齐, 精密测量天线高。由于滑坡监测的目的是监测点位的变化量, 而不需要同国家坐标系发生联系, 因此, 各期坐标和变形量的表示均采用WGS-84坐标系, 用大地高代替正常高。

本监测网的外业观测利用4台Trimble R8双频GPS接收机, 监测方法采用静态相对定位的方法进行野外数据采集。监测时卫星截至高度角为10°, 数据采样率为12每观测时段长1.5~2 h。首期观测时, 基准点上连续观测6h, 监测点上连续观测2 h以后各期观测时, 基准点上连续观测4 h监测点上连续观测1.5 h, 共观测4期。使用TBCGPS软件解算基线、网平差与坐标变换。部分计算成果如表1, 表2所示。

成果表明, 在短边的情况下, 设备提供的监测精度非常高, 点位水平分量误差在1 mm以内, 这样的精度完全可以满足滑坡变形监测的要求。

通过示例分析, 说明所提出的滑坡监测的设计是科学的, 它可以用来对任何滑坡体的变形监测, 从而达到对滑坡体位移趋势预报的目的, 并及时采取相应的防范措施, 起到了预警的作用。

5 结语

本文主要提出GPS用于滑坡变形监测的设计方法, 包括GPS工作的原理和特点以及监测网的技术设计, 监测网的外业观测等内容。并通过GPS变形监测实例表明监测成果的正确性。GPS滑坡监测是一种高效实用的方法。随着GPS定位技术的发展, 仪器功能改进、各种解算模型的完善, GPS在滑坡监测中有非常广阔的应用前景。

参考文献

[1]曾旭平.GPS滑坡高程监测的数据处理问题[J].武汉大学学报:信息科学版, 2010 (3) .

[2]徐绍栓, 李英冰.GPS用于滑坡监测的试验与研究[J].全球定位系统, 2003 (1) .

GPS监测 篇11

1 建立GPS监测基准的方法

1.1 GPS基准点的原理

现在许多城市都建设了自己的CORS系统, 除了作为城市地理信息框架的组成部分, GPS连续监测站有着自己独特的优点, 即站点分布均匀, 间距约为50 km左右, 观测时间序列长, 监测值精确可靠。GPS连续监测站本身的沉降量可以通过GPS技术精确计算出来, 因此可将其视为基准点。基准点观测墩上同时设有水准标志, 与整个水准网连测, 根据基准点沉降量和两期水准观测即可求出其他水准点的沉降量。该方法可以减少水准点和基准点的连测距离, 即减少误差传播累积, 从而大幅提高地面沉降的监测精度。需要注意的是, 这里的基准点和普通的GPS静态观测点是不同的, 后者观测时间仅有2 d~3 d, 只有少量单天高程解。由于定位技术本身的原因, GPS单天高程解的精度一直比水平定位精度低, 所以2个~3个高程值的可靠性也差, 普通的GPS静态观测点是不适合作为基准点的。

该方法的关键是获取GPS基准点的精确沉降量并建立基准点和水准网的联合模型。随着观测方式和计算方法的不断改进, GPS垂向处理精度有所提高。由于GPS和大地水准测量技术采用的不是同一个高程基准, 所以不能通过高程建立联系。然而两种高程的变化量是一致的[5], 这为建立GPS基准点和水准网的严密关系提供了很好的切入点。

1.2 联合处理模型

这里借鉴前人的模型[5]来建立基准点和水准网的数学关系, 并根据要求赋予参数新的含义。模型包括两类观测值, 分别是两期水准测量数据和基准点沉降量, 后者其实是一种虚拟观测值。假设监测网中对m个监测点进行了复测, 两期有s1和s2个水准网测段, 则任意时刻t, i, j两点的观测方程为[2]:

其中, htij为i, j两点在观测时刻t的观测高差;vtij为其误差, Hjt, Hit分别为在t时刻j点和i点的高程;Hi0, Hj0分别为i点和j点在参考时刻t0的近似高程;dhi0, dhj0均为其改正数, 是待求参数;Vj, Vi分别为j点和i点的垂直运动速率, 即沉降量, 也是待求参数。

假设m个监测点中有n (n<m) 个基准点, 对于任意点k (1<k<n) , 已经通过水准路线与整个监测网连测, 则有:

其中, gk0为k点利用GPS技术得到的基准点沉降速度, 即上述基准点年度沉降量;vk为其改正数。

根据式 (1) 和式 (2) , 利用最小二乘估计进行全局最优化处理, 即可求解出其他水准点的沉降量。其解法和精度模型可见参考文献[6], 由于篇幅限制, 此处不再列出。

在联合处理模型的式 (1) 中, 当t=t0且s2=0, n=0时, 即没有第二期水准网和GPS准观测值的情况, 就是普通的静态水准网平差模型。在式 (2) 中, 当vk=0时, 即不对基准点的沉降量作为未知数估计, 此时的模型就是动态水准网平差模型。可以看出, 静态和动态水准网平差都是联合处理模型的特殊情况。

2 试验过程与结果

为验证方法的合理性, 选取天津市滨海新区的地面沉降监测为例。天津市地面沉降监测网面积达1万km2, 滨海新区位于监测网的东部, 最远端距离基岩标相距100 km, 如果用传统的监测方法, 沉降值的传递误差累计最大将达到14 mm。滨海新区及周边有4座GPS连续监测站, 能获得连续变化的高程序列, 结果可靠。但出于成本考虑, 不可能建设大量的GPS连续监测站点, 所以用其作为水准网的基准点, 是两种技术监测地面沉降的最好选择。现利用GPS监测基准和传统方法来同时计算该区域的地面沉降。

2.1 基准点沉降计算

天津市滨海新区及周围的4座GPS连续监测站 (TJA1, KC01, DZ01和CH01) 作为基准点, 首先利用高精度处理软件GAMIT/GLOBK获取每个基准点的大地高序列。根据蓟县GPS连续观测站 (编号JIXN) 在全球参考框架中高程很稳定的分析结果[5], 采用它作为GPS网的高程基准[3], 仅对滨海新区和JIXN共5座GPS站做局部网相对定位, 不再引入IGS站作大尺度的基线解算和框架转换, 结果显示高程序列重复性达到2 mm。然后我们通过插值确定基准点的沉降量, 精度为3 mm, 满足作为基准点的要求。

2.2 沉降计算与分析

搜集滨海新区2007年末和2008年末两期水准与GPS基准点进行联合处理, 剔除闭合超限的水准环测段, 挑出两期公共水准观测点合计486个, 共有测段1 170个。计算时一、二等水准测量的先验误差分别是1 mm和1.3 mm。作为比较, 我们也利用传统方法进行了计算, 使用的先验误差值与上面一致。在进行比较时, 单位权中误差和监测点平均精度是衡量方法优劣的两个重要指标, 其中单位权中误差反映了模型的内符合精度, 值越小, 精度越高。而监测点的平均精度反映了监测网所有点的沉降值精度, 值越小, 精度越高。两种方法的计算结果比较如表1所示, 其中一代表传统方法, 二代表采用GPS基准的新方法。

mm

从表1可以看出, 无论是单位权中误差还是监测点的平均精度, 方法二比方法一的各项指标值都要小, 即精度更高。基准点TJA1通过GPS技术处理的沉降量是负值, 实质上联合处理结果显示, 该点周围还存在一些负值的区域, 位于滨海新区汉沽北部, 这和传统地面沉降监测到的现象是一致的。过去的地面沉降监测中也曾发现汉沽北部有上升区域, 但是考虑到单纯利用水准测量技术的缺陷而不能肯定这个结论, 现在通过新的技术予以了证实。

3 结语

利用GPS技术建立大范围的地面沉降监测基准是可行的, 可以建立起科学的数学模型。而实例表明该方法是可行的, 能使滨海新区地面沉降监测平均精度从5.4 mm提高到2.8 mm。该方法可以在实际中逐渐展开运用, 并为更多地面沉降地区所借鉴, 但是它比传统静态监测处理方法复杂, 需要更多的工作量。

摘要：为了提高大范围地面沉降监测精度, 提出一种利用GPS连续监测站建立地面沉降监测基准的方法, 即将普通水准监测点和GPS基准点连测, 并通过数据处理模型得到监测网的地面沉降值, 列出了基准点沉降量和水准网观测数据联合处理的严密公式, 通过分析天津滨海新区的实例, 证明了该方法的合理性。

关键词：地面沉降GPS,监测基准,水准测量

参考文献

[1]黄立人.宝坻原点的变化及天津地面沉降监测结果的订正[J].测绘科技动态, 1993, 86 (3) :15-18.

[2]陶本藻.自由网平差与变形分析[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社, 2000:161-163.

[3]丁继新, 杨志法, 尹俊涛.天津市高精度GPS地面沉降监测网数据处理中的若干技术问题探讨[J].水文地质工程地质, 2005 (3) :5-10.

[4]姜衍祥.利用GPS监测地面沉降的精度分析[J].测绘科学, 2006, 26 (5) :70-75.

[5]董克刚, 易长荣, 许才军, 等.利用GPS监测天津市地面沉降的可行性研究[J].大地测量与地球动力学, 2008, 28 (4) :68-71.