GPS变形监测网数据处理方法研究

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摘要：本文以卡拉水电站变形监测项目的gps观测数据作为实验数据，分别采用两种不同的方法(方法一：基于基准点的约束平差；方法二：基于基准点的坐标转换方法)处理实验数据。在此基础上对实验结果进行了各个方面的比对分析。总结了两种方法各自的特点和局限性。

关键词：GPS 变形监测；约束平差；坐标转换

Abstract: This paper in Cara Hydropower Station deformation monitoring project of GPS observational data as the experimental data, using two different methods (method: Based on the constraint of datum point adjustment; method two: Based on Coordinate Datum Transformation Method) in experimental data processing. Based on the analysis and comparison of various aspects of experimental results. Summarizes the characteristics and limitations of the two methods.

Key words: GPS deformation monitoring; constraint adjustment; coordinate transformation

中图分类号：P228.4文献标识码：A文章编号：

背景介绍

随着GPS 技术的不断发展，GPS 在各种行业应用广泛，GPS已经成为变形监测中常用的一种重要方法。因此，本文用卡拉水电站变形监测数据作为实验数据，来研究不同数据处理方法的特点。雅砻江卡拉段位于四川省木里县境内，该江段地处山区，水流湍急，水力资源丰富，地质资料表明该江段两侧山体存在五个巨型滑坡体，沿江长度超过10Km，在准备修建大坝之前组织实施了对五块滑坡体的变形监测。方案设计采用GPS测量作为主要测量手段。技术方案采用双频GPS观测，两级布网。基准网有六个基准点，监测点共布设了36个。经过长时间的重复观测得到了总共十七期的观测数据。本文利用其中的岗尖滑坡体的部分GPS观测数据(包括3个基准点，9个监测点，17期数据)进行实验验证。分别用方法一：基于基准点的约束平差；方法二：基于基准点的坐标转换方法。对数据进行处理，并转换到高斯坐标，最后对两种不同的数据处理方法所得结果进行比较分析其特点。

数据处理

基于基准点的约束平差

第一步：用TTC（Trimble Total Control）GPS数据处理软件处理各期数据，具体处理流程如下：“打开TTC软件新建一个项目导入接收机原始数据处理GPS基线固定三个基准点并手工输入它们在WGS-84坐标系下的三维坐标进行约束平差得到各点WGS-84坐标系下的三维坐标及其精度。

第二步：利用科傻系统（COSA）将各点WGS-84坐标转(X,Y,Z)换成大地坐标(B,L,H)，其原理公式如下：

式中，,为该点卯酉圈曲率半径；分别为该点大地坐标系对应的椭球的长半轴和第一偏心率。

利用科傻系统（COSA）的具体转换过程如下：

在进行转换前选择“文件”菜单的“新建”项，编辑生成输入文件 *.XYZ，其格式为：点名X Y Z 。

设置坐标系参数：椭球长轴为：6378137m，椭球扁率分母为：298.25722356。

该参数为WGS-84椭球参数。

在“坐标转换”菜单下选“”子项进行转换，此时屏幕出现打开文件窗口，选取输入文件“一期.XYZ”，并单击“打开”。

此时屏幕显示输入文件“一期.XYZ”和输出文件“一期.BLH”的文件。结果文件格式为：点名 B L H；经纬度B、L以度分秒（DDD.MMSS）为单位，大地高H以米为单位。

第三步：提取出各点的大地经度L和大地纬度B，利用科傻系统（COSA）进行高斯投影，投影基准为WGS-84椭球，以II03点概略经度101°21′为中央子午线，Y常数加10000m，从而得到高斯平面坐标()。利用科傻系统（COSA）具体投影过程如下：

选择“文件”菜单的“新建”项，编辑生成输入文件 “一期.BL”，其格式为：点名 BL。并在在“参数设置”项输入Y加常数10000m（10km）。

设置坐标系参数：椭球长轴6378137m，椭球扁率分母298.25722356，中央子午线101.2100

在“坐标转换”菜单下选“”子项进行转换，此时屏幕出现打开文件窗口，选取输入文件“一期.BL”。并单击“打开”按钮。

此时屏幕显示输入文件“一期.BL”和输出文件“一期.XY”的窗口，单击“保存”。保存生成文件。生成文件中各项以空格分隔，经纬度B、L以度分秒（DDD.MMSS）为单位。

2、基于基准点的坐标转换方法

第一步：用TTC（Trimble Total Control）GPS数据处理软件处理各期数据，具体处理流程如下：“打开TTC软件新建一个项目导入接收机原始数据固定一个基准点坐标作为网的位置基准处理GPS基线基线解算后在WGS84坐标系下进行自由网平差，得到三维坐标（X,Y,Z），这种坐标不是基准点坐标系下的坐标 ，存在方位和尺度的误差。

第二步：将三个基准点(II03,II04,II05)作为公共点，采用布尔莎(Bursa)七参数模型（如第二章公式所示），将自由平差得到的各点坐标转换成基准坐标系下的坐标。

第二步、第三步、分别与方法一中第二步、第三步相同。利用该种方法同样得到高斯平面坐标()和大地高H以及各监测点的变形量。

结果分析

用两种方法处理数据最终都得到高斯平面坐标（X,Y）和大地高H，然后对每一个监测点进行分析，把同一个监测点的十七期的最终结果放在一起并用除第一期以外的各期坐标值减第一期得到变形监测点在各个坐标分量上的变化量。由于篇幅有限，本文只给出14号点位Y坐标的变化趋势比较，如下：

图表说明：y1表示用方法一（约束平差）处理所得14号点的变化趋势

y2表示用方法二（自由平差+坐标转换）处理所得14号点的变化趋势

由以上两种方法对比验证，我们得出结论：两种方法都是可行的，都能达到所要求的精度。虽然通常我们在做变形监测时，总是采用先做自由平差，再做坐标转换的方法来获得变形量。然而，由本次实验结果表明用约束平差的方法直接获得变形量，而不再多做一步坐标转换的方法也可以满足做变形分析的需要，而且由方法一无法比拟的特点。

四、结束语

⑴对于GPS变形监测网，固定多个已知点的约束平差会将基准点的误差引入GPS监测点，除非基准点精度很高，其误差对于GPS监测点可忽略不计。所以基准点观测时间应尽可能长。

⑵对于GPS变形监测网，每一期都固定一个已知点的无约束平差成果会更有价值。这样基准点间的位移，或基准点的观测误差不会影响平差结果。

⑶各期观测结果进行无约束平差后，虽然统一了位置基准，但仍然存在着方位基准和尺度基准点影响。为了利用各期平差结果进行变形分析，各期无约束平差结果还必须利用全部基准点进行坐标转换以统一方位基准和尺度基准。坐标转换方法可以用布尔萨(Bursa)七参数 模型也可以将大地经度、大地纬度或高斯平面直角坐标按二维转换模型进行准换。

⑷ 两种方法处理数据的基本流程大致相同，不同之处在于方法一虽然不需要坐标转换但是在约束平差之前也必须进行自由平差从而发现粗差，自由平差之后再约束平差得到高精度的WGS-84地心坐标，但是受到测区一直控制点的限制，控制点不足则约束平差精度不高；方法二只需自由平差一步就可以直接将所得坐标用于坐标转换，但是受到坐标转软件和换模型的限制，选取不同软件不同模型得到的结果精度有所不同，如果测区控制点少于三个则根本无法坐标转换。

⑸实验结果表明应用两种方法都能得到理想的变形监测信息，所不同的是方法二的工作量较方法一稍大，而方法一不如方法二灵活。实际工作中可以分别选取两种方法处理惊醒比较以发现较明显的错误，相互印证。

⑹对于GPS数据处理除了 用以上两种方法还可以用其他方法如：违逆平差、拟稳平差、卡尔曼滤波等方法来研究，但由于时间、能力有限未能进行研究。

参考文献

[1]徐绍铨、张华海、杨志强、王泽民.《GPS 测量原理》.（第三版）武汉：武汉大学出版社2008

[2]许其凤.《GPS卫星导航与精密定位》.北京：出版社，1994

[3]徐绍栓、吴祖仰主编.《大地测量学》.武汉：武汉测绘科技大学出版社，1996

[4]隋立分、宋力杰. 《误差理论与测量平差基础》.北京：出版社