论文部分内容阅读
摘 要：全球定位系统 GPS（Global Positioning System），以其连续、实时、高精度、全天候测量、自动化程度高以及能够全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数，使其在变形监测中的应用越来越广泛。本文主要讨论 GPS 技术在变形监测时的现状、特点和作业方式等方面的一些问题。
关键词：GPS；变形监测；测量工程
1 引言
现实世界中许多灾害的发生与变形有着极为密切的联系，例如地震、溃坝、滑坡以及桥梁的垮塌等等，都是典型的变形破坏现象。因而，变形监测研究在国内外受到了广泛的重视。随着各种大型建筑的大量涌现以及滑坡等地质灾害的频繁发生，变形监测研究的重要性更加突出，推动着变形监测理论和技术方法的迅速发展。现代科学技术的飞速发展，也促进了变形监测技术手段的更新换代。以 GPS、地面三维激光扫描为代表的地面测量技术，改变了经纬仪、沉降仪、应变计等为代表的地下观测监测技术，正实现数字化、自动化、网络化。全球定位系统GPS作为20世纪的一项高新技术，由于具有定位速度快、全天候、自动化、测站之间无需通视、可同时测定点的三位坐标及精度高等特点，对经典大地测量以及地球动力学研究的诸多方面产生了极其深刻的影响，在工程及灾害监测中的应用也越来越广泛。
2 变形监测概述
2.1 变形监测的意义
在测量工程的实践和科学研究活动中，变形监测占有重要的地位。工程建筑物的兴建，从施工开始到竣工，以及建成后整个运营期间都要不断地监测，以便掌握变形的情况，及时发现问题，保证工程建筑的平衡。人类开发自然资源的活动（如抽取地下水、采油、采矿等）会破坏地壳上部的平衡，造成地面变形。这种变形需要长期监测，以便采取措施控制其发展，保证人类正常的生产和生活。
2.2 变形监测的特点
精度要求高：和其他测量工作相比，变形监测要求的精度高，制定变形监测的精度取决于变形的大小、速率，仪器和方法所能达到的实际精度，以及监测的目的等。
重复观测：重复观测的速率取决于变形的大小、速度以及观测的目的。在工程建筑物建成初期，变形的速度比较快，因此观测频率也要大一些。经过一段时间后，建筑物趋于稳定，可以减少观测次数，但要坚持定期观测。
综合应用各种监测方法：变形监测方法一般分为地面测量方法，空间测量技术，摄影测量方法，专门测量手段。各种测量方法都有其有缺点。
数据处理要求严密：变形量一般很小，要从含有观测误差的观测值中分离出变形信息，需要严密的数据处理方法。此外，观测值中经常含有粗差和系统误差，在估计变形模型之前要进行筛选，以保证结果的正确性。
多学科的配合：在制定变形监测精度，优化设计变形监测方案，合理的分析变形监测结果，特别是进行变形的物理解释时，变形测量工作者要熟悉所研究的变形体。
2.3 传统变形测量方法
变形监测技术包括常规大地测量技术、特殊变形测量技术、摄影测量技术和 GPS 技术。在 20 世纪 80 年代以前，变形监测主要是采用常规大地测量和某些特殊测量技术。常规大地测量，是采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值，其优点是：1）能够提供变形体整体的变形状态；2）适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境；3）可以提供绝对变形信息。但外业工作量大，布点受地形条件影响，不易实现自动化监测。特殊测量手段包括应变测量、准直测量和倾斜测量，它具有测量过程简单、可监测变形体内部的变形、容易实现自动化监测等优点，但通常只能提供局部的和相对的变形信息。
3 GPS 在变形监测中的应用
3.1GPS 在变形监测中的应用现状
传统的变形监测技术缺点非常明显，那就是观测时间长、外业工作量大，布点受地形条件的限制不易实现自动化监测。在有些地方由于受到地形和外界条件等限制，其工作效率和精度往往受到很大的影响。GPS 技术已经发展成熟，很好的解决了以往测量方法的缺点，已经在很多测绘工作中都有了应用，GPS 技术在变形监测中的应用就是典型的例子。比如：在大坝外观变形监测方面，已成功地建立 GPS 自动化监测系统。我国在青江隔河岩大坝建立的 GPS 自动化变形监测系统，由数据采集、数据传输、数据处理与分析 3 大部分组成。数据传输部分及时准确地传输观测资料及有关信息（观测值、卫星星历）到控制中心，也能在总控室中对各接收机进行遥控（例如：开机、关机、改时段长度、设置采样率、截止高度角等参数）。数据处理及管理部分主要由总控软件、数据自动处理软件、自动变形分析软件和数据库管理等部分组成。该系统曾在 1998 年长江抗洪中发挥了重要作用。在 GPS 用于滑坡变形监测方面， Ding X L 于 1999 年提出了一机多天线的思想并成功研制了一机多天线 GPS 变形监测系统，它不改变目前已有的 GPS 接收机的结構，而通过一个附加的 GPS 信号分时器来实现一机多天线。这一思想在设计上是多天线阵列与接收机的连接使用一个时分单通连接开关，即 GPS 多天线转换开关 GMS（GPSMulti-antenna Switch），它能与任意多个 GPS 天线相连。实践证明，采用一机多天线 GPS 系统，不仅可大大节省硬件设备费用的投入，而且能够有效地应用于滑坡和大坝等局部变形监测。
3.2 GPS 技术的特点
⑴测站间无需同时通视。对于传统的地表变形监测方法，点之间只有通视才能进行观测，而运用 GPS 测量的一个显著特点就是点之间无需保持通视，只需保证测站上空开阔即可。
⑵可同时提供监测点的三维位移信息。在运用传统方法进行变形监测时，平面位移和垂直位移是采用不同方法分别进行监测，这样不仅监测的周期长、工作量大，而且监测的时间和点位也很难保持一致，为变形分析增加了难度。采用 GPS 可同时精确测定监测点的三维位移信息。 ⑶可以全天候监测。GPS 测量不受气候条件限制，不论起雾刮风还是雨雪天气，均可正常监测，配备防雷电设施后，GPS 变形监测系统便可实现长期的全天候观测。
⑷操作简便，易于实现监测自动化。GPS 接收机的自动化程度已越来越高，且体积越来越小，重量越来越轻，便于安置和操作。同时，GPS接收机为用户准备了必要的接口，用户可以较为方便地利用各监测点，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。
3.3GPS 用于变形监测的作业方式
根据被监测对象的特点，有 3 种不同作业和监测模式：周期性重复测量、固定连续 GPS 测站阵列和实时动态监测。周期性重复测量在建筑物的变形监测中是最常用的，每一个周期测量测点之间的相对位置（类似于控制测量），通过计算两个观测周期之间相对位置的变化来测定变形，采用静态相对定位的方式获得基线向量，然后采用网平差，并对观测质量进行分析和控制，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的方法来确定该坐标量是否为变形量。在一个变形监测工程中，我们首先要根据所要监测的建筑物或构筑物的自然条件及其变化，建筑物本身的原因，以及勘测、设计、施工和运营等各方面的原因，来确定它的监测模式，分析建筑物发生变形的主要原因，预测该建筑物的变形规律，以便设计最好的监测方法。
4 GPS 技术应用于变形监测的优点与不足
4.1 GPS 应用于变形监测的优点
⑴测站间无需保持通视。由于 GPS 定位时站间无需保持通视，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，節省大量费用。
⑵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。
⑶易于实现监测的自动化。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查看每台 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。
⑷可消除或削弱系统误差的影响。在变形监测中我们关心的是在两期变形监测中所求得的变形监测点的坐标之间的差异，而不是变形监测点本身的坐标。两期变形监测中所含的共同的系统误差虽然会分别影响两期的坐标值，但却不会影响所求得的变形量。GPS 变形监测网中的起始坐标的误差，数据处理中所用的定位软件本身的不完善以及卫星信号在大气层中的传播误差（电离层延迟、对流层延迟、多路径误差等）中的公共部分的影响可得以消除或削弱。
⑸精度高、效率高。
4.2 GPS 应用于变形监测的不足
⑴点位选择的自由度较低。为保证 GPS 测量的常进行和定位精度，在 GPS 测规范中对测站的选择作出了一系列的规定，如测站周围高度角15度以上不允许存在成的障碍物，测站离大型发电机、变压器、高压线及微波信号发射台、转播台等有一定的距离要求。测站周围也不允许有房屋、围墙、广告牌、大面积水域等信号反射物，以避免多路径误差等。但在变形监测中上述要求往往难以满足，因为监测点的位置常是由业主单位依据大坝、桥梁、大型厂房等监测物的建筑结构和受力情况而确定的，或由地质人员依据滑坡、断层等地质构造而定的，变动的余地很小。
⑵从整体上讲观测条件往往较差。视场往往很狭窄，大量卫星被遮挡，且多径误差严重。如在大坝上进行变形监测时，由于大坝的一侧为大水库而另一侧则为地等，自然地理环境和植被等的明显差别往往会导致大坝两侧的大气状况（温度、湿等）产生明显的差异，从而影响对流层延迟改正的精度。
⑶函数关系过于复杂，误差源多。与正倒锤等变形监测手段相比，GPS 定位函数关系要复杂得多，涉及的误差源也要多得多。在 GPS 定位中基准站和变形监测间的坐标差是依据两站的载波相位观测值和卫星星历经过复杂的计算后而求得的。位结果受卫星星历误差、卫星钟钟差和接收机钟钟差、对流层延迟、电离层延迟、路径误差、接收机测量噪声以及数据处理软件本身的质量等多种因素的影响。在数处理过程中，还将涉及周跳的探测及修复、整周模糊度的确定等一系列问题。其中一环节处理不好就将影响最终的监测精度。此外接收机天线相位中心的不稳定也是响 GPS 定位精度的一个重要因素。
⑷对垂直位移的监测精度仍然存在较大的不足，在很多精密的变形监测中不能满足监测精度的需要。
5 结论
GPS 以其连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点，在地壳形变和工程及灾害监测中的应用将越来越广泛。GPS 用于变形监测，其总的发展趋势是针对不同的监测对象和监测目的，研究建立技术先进而又实用的 GPS 在线实时监测分析系统和基于 GPS 与其他技术（GIS、RS、IN-SAR、摄影测量和特殊变形测量技术等）集成组合的综合性的变形在线实时分析系统。GPS 应用于大坝和滑坡体等的外观变形监测，与传统的地面测量技术相比有其独特的优越性，但是成本亦较为昂贵。因此，研究低成本的 GPS 一机多天线变形在线实时监测系统有其实际意义。诞生于 20 世纪 80 年代的小波分析理论，是一种最新的时频局部化分析方法，被认为是自 Fourier 分析之后的突破性进展。将小波分析方法用于 GPS 动态变形分析，可望有效地提取动态变形特征，是一个值得重视的研究方向。此外，应当重视研究如何提高 GPS 垂直位移的监测精度，使之能与水平位移的监测精度相匹配，从而使 GPS 可以同时测定三维位移的优越性得到更有效的发挥。
作者简介：郁艳萍，女，1981年10月出生，山东梁山人，现任新汶矿业集团地质勘探有限责任公司地质科助理工程师。
关键词：GPS；变形监测；测量工程
1 引言
现实世界中许多灾害的发生与变形有着极为密切的联系，例如地震、溃坝、滑坡以及桥梁的垮塌等等，都是典型的变形破坏现象。因而，变形监测研究在国内外受到了广泛的重视。随着各种大型建筑的大量涌现以及滑坡等地质灾害的频繁发生，变形监测研究的重要性更加突出，推动着变形监测理论和技术方法的迅速发展。现代科学技术的飞速发展，也促进了变形监测技术手段的更新换代。以 GPS、地面三维激光扫描为代表的地面测量技术，改变了经纬仪、沉降仪、应变计等为代表的地下观测监测技术，正实现数字化、自动化、网络化。全球定位系统GPS作为20世纪的一项高新技术，由于具有定位速度快、全天候、自动化、测站之间无需通视、可同时测定点的三位坐标及精度高等特点，对经典大地测量以及地球动力学研究的诸多方面产生了极其深刻的影响，在工程及灾害监测中的应用也越来越广泛。
2 变形监测概述
2.1 变形监测的意义
在测量工程的实践和科学研究活动中，变形监测占有重要的地位。工程建筑物的兴建，从施工开始到竣工，以及建成后整个运营期间都要不断地监测，以便掌握变形的情况，及时发现问题，保证工程建筑的平衡。人类开发自然资源的活动（如抽取地下水、采油、采矿等）会破坏地壳上部的平衡，造成地面变形。这种变形需要长期监测，以便采取措施控制其发展，保证人类正常的生产和生活。
2.2 变形监测的特点
精度要求高：和其他测量工作相比，变形监测要求的精度高，制定变形监测的精度取决于变形的大小、速率，仪器和方法所能达到的实际精度，以及监测的目的等。
重复观测：重复观测的速率取决于变形的大小、速度以及观测的目的。在工程建筑物建成初期，变形的速度比较快，因此观测频率也要大一些。经过一段时间后，建筑物趋于稳定，可以减少观测次数，但要坚持定期观测。
综合应用各种监测方法：变形监测方法一般分为地面测量方法，空间测量技术，摄影测量方法，专门测量手段。各种测量方法都有其有缺点。
数据处理要求严密：变形量一般很小，要从含有观测误差的观测值中分离出变形信息，需要严密的数据处理方法。此外，观测值中经常含有粗差和系统误差，在估计变形模型之前要进行筛选，以保证结果的正确性。
多学科的配合：在制定变形监测精度，优化设计变形监测方案，合理的分析变形监测结果，特别是进行变形的物理解释时，变形测量工作者要熟悉所研究的变形体。
2.3 传统变形测量方法
变形监测技术包括常规大地测量技术、特殊变形测量技术、摄影测量技术和 GPS 技术。在 20 世纪 80 年代以前，变形监测主要是采用常规大地测量和某些特殊测量技术。常规大地测量，是采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值，其优点是：1）能够提供变形体整体的变形状态；2）适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境；3）可以提供绝对变形信息。但外业工作量大，布点受地形条件影响，不易实现自动化监测。特殊测量手段包括应变测量、准直测量和倾斜测量，它具有测量过程简单、可监测变形体内部的变形、容易实现自动化监测等优点，但通常只能提供局部的和相对的变形信息。
3 GPS 在变形监测中的应用
3.1GPS 在变形监测中的应用现状
传统的变形监测技术缺点非常明显，那就是观测时间长、外业工作量大，布点受地形条件的限制不易实现自动化监测。在有些地方由于受到地形和外界条件等限制，其工作效率和精度往往受到很大的影响。GPS 技术已经发展成熟，很好的解决了以往测量方法的缺点，已经在很多测绘工作中都有了应用，GPS 技术在变形监测中的应用就是典型的例子。比如：在大坝外观变形监测方面，已成功地建立 GPS 自动化监测系统。我国在青江隔河岩大坝建立的 GPS 自动化变形监测系统，由数据采集、数据传输、数据处理与分析 3 大部分组成。数据传输部分及时准确地传输观测资料及有关信息（观测值、卫星星历）到控制中心，也能在总控室中对各接收机进行遥控（例如：开机、关机、改时段长度、设置采样率、截止高度角等参数）。数据处理及管理部分主要由总控软件、数据自动处理软件、自动变形分析软件和数据库管理等部分组成。该系统曾在 1998 年长江抗洪中发挥了重要作用。在 GPS 用于滑坡变形监测方面， Ding X L 于 1999 年提出了一机多天线的思想并成功研制了一机多天线 GPS 变形监测系统，它不改变目前已有的 GPS 接收机的结構，而通过一个附加的 GPS 信号分时器来实现一机多天线。这一思想在设计上是多天线阵列与接收机的连接使用一个时分单通连接开关，即 GPS 多天线转换开关 GMS（GPSMulti-antenna Switch），它能与任意多个 GPS 天线相连。实践证明，采用一机多天线 GPS 系统，不仅可大大节省硬件设备费用的投入，而且能够有效地应用于滑坡和大坝等局部变形监测。
3.2 GPS 技术的特点
⑴测站间无需同时通视。对于传统的地表变形监测方法，点之间只有通视才能进行观测，而运用 GPS 测量的一个显著特点就是点之间无需保持通视，只需保证测站上空开阔即可。
⑵可同时提供监测点的三维位移信息。在运用传统方法进行变形监测时，平面位移和垂直位移是采用不同方法分别进行监测，这样不仅监测的周期长、工作量大，而且监测的时间和点位也很难保持一致，为变形分析增加了难度。采用 GPS 可同时精确测定监测点的三维位移信息。 ⑶可以全天候监测。GPS 测量不受气候条件限制，不论起雾刮风还是雨雪天气，均可正常监测，配备防雷电设施后，GPS 变形监测系统便可实现长期的全天候观测。
⑷操作简便，易于实现监测自动化。GPS 接收机的自动化程度已越来越高，且体积越来越小，重量越来越轻，便于安置和操作。同时，GPS接收机为用户准备了必要的接口，用户可以较为方便地利用各监测点，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。
3.3GPS 用于变形监测的作业方式
根据被监测对象的特点，有 3 种不同作业和监测模式：周期性重复测量、固定连续 GPS 测站阵列和实时动态监测。周期性重复测量在建筑物的变形监测中是最常用的，每一个周期测量测点之间的相对位置（类似于控制测量），通过计算两个观测周期之间相对位置的变化来测定变形，采用静态相对定位的方式获得基线向量，然后采用网平差，并对观测质量进行分析和控制，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的方法来确定该坐标量是否为变形量。在一个变形监测工程中，我们首先要根据所要监测的建筑物或构筑物的自然条件及其变化，建筑物本身的原因，以及勘测、设计、施工和运营等各方面的原因，来确定它的监测模式，分析建筑物发生变形的主要原因，预测该建筑物的变形规律，以便设计最好的监测方法。
4 GPS 技术应用于变形监测的优点与不足
4.1 GPS 应用于变形监测的优点
⑴测站间无需保持通视。由于 GPS 定位时站间无需保持通视，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，節省大量费用。
⑵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。
⑶易于实现监测的自动化。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查看每台 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。
⑷可消除或削弱系统误差的影响。在变形监测中我们关心的是在两期变形监测中所求得的变形监测点的坐标之间的差异，而不是变形监测点本身的坐标。两期变形监测中所含的共同的系统误差虽然会分别影响两期的坐标值，但却不会影响所求得的变形量。GPS 变形监测网中的起始坐标的误差，数据处理中所用的定位软件本身的不完善以及卫星信号在大气层中的传播误差（电离层延迟、对流层延迟、多路径误差等）中的公共部分的影响可得以消除或削弱。
⑸精度高、效率高。
4.2 GPS 应用于变形监测的不足
⑴点位选择的自由度较低。为保证 GPS 测量的常进行和定位精度，在 GPS 测规范中对测站的选择作出了一系列的规定，如测站周围高度角15度以上不允许存在成的障碍物，测站离大型发电机、变压器、高压线及微波信号发射台、转播台等有一定的距离要求。测站周围也不允许有房屋、围墙、广告牌、大面积水域等信号反射物，以避免多路径误差等。但在变形监测中上述要求往往难以满足，因为监测点的位置常是由业主单位依据大坝、桥梁、大型厂房等监测物的建筑结构和受力情况而确定的，或由地质人员依据滑坡、断层等地质构造而定的，变动的余地很小。
⑵从整体上讲观测条件往往较差。视场往往很狭窄，大量卫星被遮挡，且多径误差严重。如在大坝上进行变形监测时，由于大坝的一侧为大水库而另一侧则为地等，自然地理环境和植被等的明显差别往往会导致大坝两侧的大气状况（温度、湿等）产生明显的差异，从而影响对流层延迟改正的精度。
⑶函数关系过于复杂，误差源多。与正倒锤等变形监测手段相比，GPS 定位函数关系要复杂得多，涉及的误差源也要多得多。在 GPS 定位中基准站和变形监测间的坐标差是依据两站的载波相位观测值和卫星星历经过复杂的计算后而求得的。位结果受卫星星历误差、卫星钟钟差和接收机钟钟差、对流层延迟、电离层延迟、路径误差、接收机测量噪声以及数据处理软件本身的质量等多种因素的影响。在数处理过程中，还将涉及周跳的探测及修复、整周模糊度的确定等一系列问题。其中一环节处理不好就将影响最终的监测精度。此外接收机天线相位中心的不稳定也是响 GPS 定位精度的一个重要因素。
⑷对垂直位移的监测精度仍然存在较大的不足，在很多精密的变形监测中不能满足监测精度的需要。
5 结论
GPS 以其连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点，在地壳形变和工程及灾害监测中的应用将越来越广泛。GPS 用于变形监测，其总的发展趋势是针对不同的监测对象和监测目的，研究建立技术先进而又实用的 GPS 在线实时监测分析系统和基于 GPS 与其他技术（GIS、RS、IN-SAR、摄影测量和特殊变形测量技术等）集成组合的综合性的变形在线实时分析系统。GPS 应用于大坝和滑坡体等的外观变形监测，与传统的地面测量技术相比有其独特的优越性，但是成本亦较为昂贵。因此，研究低成本的 GPS 一机多天线变形在线实时监测系统有其实际意义。诞生于 20 世纪 80 年代的小波分析理论，是一种最新的时频局部化分析方法，被认为是自 Fourier 分析之后的突破性进展。将小波分析方法用于 GPS 动态变形分析，可望有效地提取动态变形特征，是一个值得重视的研究方向。此外，应当重视研究如何提高 GPS 垂直位移的监测精度，使之能与水平位移的监测精度相匹配，从而使 GPS 可以同时测定三维位移的优越性得到更有效的发挥。
作者简介：郁艳萍，女，1981年10月出生，山东梁山人，现任新汶矿业集团地质勘探有限责任公司地质科助理工程师。