浅谈利用GPS定位技术进行大坝变形观测

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摘要：GPS技术具有“高精度、高可靠性、高效益、高自动化”的优势，随着GPS技术的逐步完善，测量工作者已将GPS应用于变形观测领域。本文主要分析了高精度GPS在大坝变形观测的应用。

关键词：GPS；大坝；变形观测

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

1大坝观测的重要性

1.1确保大坝安全运行

变形观测的首要目的就是掌握大坝的实际性状，为判断其安全提供重要和必要的信息。及时对大坝的变形进行观测，如果坝体变形超过设定的安全允许时，及时报警，在大坝安全性保障方面显得十分重要。尤其在汛期和抵抗大的洪水的时候，将起到直接决定泄洪与否的决定性作用。国外不少溃坝实例证明，由于缺少必要的观测，以致有些工程隐患未能及时发现，进而导致溃坝失事，造成巨大灾害。

1. 2充分发挥工程效益

根据观测结果可以推断大坝在各种水位及外界温度等作用下的安全度，确保安全控制水位，指导大坝的正常运行，使其在安全的前提下充分发挥工程效益。

1. 3验证设计数据

对影响大坝的各种因素都进行精确计算是不现实的，工程设计时往往采用一些先验公式、实验系数或简化公式作为近似解。已建大坝是真正的原型，通过观测可验证设计的正确性，提高设计水平。

1. 4鉴定施工质量

大坝在施工期间的变化反映了施工质量，并为改进施工提供信息，加快施工进度。

2 GPS变形观测概述

大坝安全观测可分为内部观测和外部观测，外部观测是大坝原型观测的主要内容，变形观测又是外部观测的核心任务。通过外部变形观测，能够综合而直观地反映大坝的工作状态，而且可以验证内部观测结果，它在监视大坝安全运行方面发挥着重要作用，因此普遍受到水库大坝管理者的高度重视。

水平位移观测方法包括：边角网法、引张线法、激光准直、垂线法、视准线法、测斜仪、多点位移计、倒垂线组等，同时，地面摄影测量技术、GPS(Global Positioning System)空间定位技术等，均在大坝变形观测方面得到了较好的应用。

GPS作为一种全新的现代空间定位技术，己部分地代替常规精密大地测量方法，在大坝变形观测领域得到了应用和普及。与传统测量方法相比，GPS观测具有很大的优点，它可以实现高度自动化，大大减轻外业强度，同时又能够迅速得到高效可靠的三维点位观测数据。

GPS用于变形观测的作业方式可分为周期性和连续性两种模式。周期性变形观测与传统的变形观测网没有多大区别，因为有的变形体的变形极为缓慢，在局部时间域内变形不明显，可以认为是蠕变特性，其观测频率有的是几个月，有的甚至长达几年。此时，可以采用GPS静态相对定位法进行测量，数据处理与分析一般采用离线分析。

连续性变形观测采用固定观测仪器进行长时间的数据采集，获得变形数据序列。虽然连续性观测模式也是对测点进行重复性的观测，但其观测数据是连续的，具有较高的时间分辨率。根据变形体的不同特征，GPS连续性观测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测，一般要求变形响应的实时性，它为数据解算和分析提出了更高要求。比如，大坝在超水位蓄洪时就必须时刻监视其变形状况，要求观测系统具有实时的数据传输和数据处理能力。

在动态观测方面，随着大坝高度的增高，以及连续性、实时性和自动化观测程度要求的提高，常规测量技术已越来越受到局限。GPS作为一种新方法，随着其硬件和软件的发展与完善，特别是高采样率的GPS接收机的出现，在大型大坝动态特性和变形观测方面已表现出其独特的优越性。

3高精度GPS在大坝变形观测的应用

3.1技术设计准备

(1)资料收集：大坝水工布置、施工规划、观测设计资料；施工控制网、国家控制网资料；地形、地质、地震、重力资料；水文、气象、交通、后勤保障资料等。

(2)明确需求，分析研究。

(3)实地勘察，图上设计。

3.2精度标准的确定

根据《混凝土坝安全观测技术规范》(DL/T 5178-2003)，大坝坝顶水平位移观测的精度要求为：径向位移量中误差}2mm、切向位移量中误差}lmm。对应于《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314-2001)，确定GPS测量级别为“用于局部变形观测和各种精密工程测量”的B级。

3.3图形设计

图形强度设计指观测点之间、观测点与基准点之间的几何图形配置，网中独立基线数目和相互连接方式设计。在图形选择过程中，必须顾及基准点对观测点的有效控制，基准点之间又要能相互检校，同时考虑设备和交通情况。

3.3.1观测点设计

GPS大坝变形观测的区域不大，但变形观测点布设比较密集。往往是对一定范围内具有代表性的区域建立变形观测点，为了建立一个更接近实际情况的安全观测模型，合理地密集分布观测点是必要的。

3.3.2基准点布设

基准点点位要求天空开阔、地质条件良好、与观测点距离适中而且高差不大、附近无强信号干扰、交通便利、安全可靠。基准点数量可根据观测点的分布而确定，为了保证基准网和观测网的可靠性，可以布设2~4个基准点。基准点尽量分布在大坝下游的两岸，以避免水库的影响。

3.3.3 GPS观测网形

观测点与基准点的联测，可根据卫星状况、接收机数量、地形及交通等状况，按优化设计原则进行图形设计。必须保证有必要的检核条件，提高网的可靠性。再根据给定精度标准进行精度估算，并选定可能要修正施测的路线，得到最终的GPS观测网形和施测方案。

3.4基准设计

在GPS大坝变形观测中，基准设计是一项关系到观测成果是否可靠、准确地反映观测点变形情况的工作，对数据成果的分析具有重要意义。常规手段实施大坝变形观测，由于仪器和其它诸多因素的制约，使得观测网的基准点不能离开变形观测区域太远，而太近又要受自身变形的影响，不能准确地反映变形情况，所以基准点布置比较困难。由于GPS技术的不断完善，高精度的仪器的面世，解决这一问题就比较容易了。可以将基准点选在变形区外，从而保证了数据的可信度。

测量基准包括位置基准、方向基准和尺度基准，大坝观测的基准是通过网的整体平差来实现的。在GPS网整体平差中，可能包含相对观测量(如基线向量)和绝对观测量(如点在WGS-84中的坐标)。在仅含有相对观测量的GPS网中，网的方向基准和尺度基准，由在平差计算中的基线向量唯一地确定；而网的位置基准，则决定于所取网点坐标的近似值系统和平差方法。在 GPS网包含点的坐标观测量的情况下，网的位置基准取决于这些网点的坐标值及其精度。

确定网的位置基准是GPS网的基准设计的重要内容，一般分为最小约束法和约束法。最小约束法包括固定网中一点的坐标、给以适当的权和自由网伪逆平差，它对网的方位基准和尺度基准没有影响。约束法即固定多点坐标或给以适当的权，它将对GPS网的方位基准和尺度基准产生影响，其影响程度与约束条件和选取观测值的精度有关。

对于小范围的大坝观测GPS网，有时为了与已有地面网测量基准一致，多采用固定一点一方向的经典自由网平差法。此时应搜集一些参数资料：参考椭球、中央子午线经度、坐标加常数、投影面高程及测区平均高程异常等，因为这些参数将直接影响GPS网的尺度基准。而其位置基准可根据需求并结合己有资料确定：通过联测大坝施工控制网、常规观测网或地心坐标确定。为保证基线解算的精度，一般对基准网联测了精确的全球地心坐标，这时可以采用最小约束平差法。

3.5观测时段和周期的设计

针对观测时段和周期，可以将影响大坝变形的因素(如水位、水温、气温、气压等)结合起来分析，确定有利用于实现观测目的和成果分析的最佳观测周期。而且可以结合各点地形情况、多路径效应、卫星分布状况等，对观测时间、时段的长短、气象因素等进行各种分析，得出最佳的观测时段。

3.6数据处理和分析

利用精密基线解算软件和精密星历进行gps数据处理，可采用连续观测分历元数据处理，或者间断观测整段数据处理方法进行数据计算。利用统计检验、回归模型、成因分析等形式进行数据分析。

4结语

全球定位系统(GPS)在变形监测中的应用，对弥补传统的变形监测方法的缺陷具有重要的意义。并且随着GPS观测技术的发展，其应用前景将更加广阔。

参考文献：

[1]岳建平.GPS在大坝变形监测中的应用[J].大坝观测与土工测试, 1996, (3).

[2]邱斌,朱建军.GPS在大地及工程变形观测中的应用[J].矿冶工程.2002, 22(2).