GPS技术在水利工程变形勘测中的应用

陈丹

（河南省豫东水利工程管理局三义寨分局，河南 开封 475000）

1 引言

水利工程是中国经济发展的重要依托，大至三峡工程，小至农田渠道，无不直接关系着国运民生，水利工程的安全运营是水利工程得以全面稳定发展的前提，对于水利工程变形的检测主要工作为对监测目标的分析指标进行确定、检测具体方法的确定、监测获得数据的处理与分析、根据监测获得数据对水利工程的安全状况进行分析。

张俊杰将GPS技术应用于某城市地铁运营网络中，并对运营状况进行评估；李世安等对GPS监测数据网进行优化，将椭球变换运用于GPS 监测中，有效提高了监测精度；赵琛将GPS监测技术应用于高速公路网的测量中，有效提高了公路运营的效率；马建良将GPS 监测技术应用于地铁线路网的管理运营中；徐乃超设计了一种高精度GPS监测网络，将其应用于高铁项目的运营管理中；万军将GPS监测技术应用于水上运输线路控制网的规划管理，可以有效提高水上运输的效率；申景贇以吉林中部某供水工程为研究对象，利用GPS技术对输水管网进行监测，对监测的数据进行处理；何明岗通过开发拓展GPS新功能，并将其应用于某水库的规模论证。

基于前人对GPS技术的应用拓展，此研究从分析误差来源和影响机理入手，进而降低GPS 的定位误差，提高GPS监测网络的精度。

2 水利工程变形监测

水利工程变形监测的监测工作内容主要包括：①对监测目标的分析指标进行确定；②检测具体方法的确定；③监测获得数据的处理与分析；④根据监测获得数据对水利工程的安全状况进行分析。监测水利工程的变形数值与对检测目标安全状况分析是监测整个过程的核心工作，对于水利工程的变形值要保证在允许范围值的0.05～0.10。

GPS 技术目前广泛应用于工程测绘中，其主要有方便操作、可以自动监测无需人为控制、适用范围广等特点，因而在工程监测中被广泛使用，且使用效果好。对于水利工程，其监测要求精度高、监测时间长、监测环境较差等特点。

3 GPS监测数据处理

GPS监测得到的数据由于各种因素的影响，导致出现较大的误差，GPS 检测的主要方法有持续性监测、动态监测以及间断性定期监测，但这些方法监测数据能够指导工程实际应用的前提都是对数据采用科学合理的方法进行处理，提取其中有效的变形数据信息。对于GPS监测，载波相位差分技术是较为常用的数据处理技术，这种数据处理技术优点在于能够采用差分技术减弱数据的误差的影响，但是这种方法在处理整周模糊度的求解方面还有些欠缺，对于周跳的探测与剔除，该种方法相对有效，但不是特别理想，以及减小残余系统误差方面效果也较差。

在GPS静态定位分析中，整周模糊度的求解主要是通过分析卫星几何图形得到的，目前较为常用的求解方法为延长GPS卫星的观测时常，但这种方法的弊端也很明显，需要卫星进行较长时间的观测，工作过程中检测的数据利用率较低。经过较为全面的研究，目前国内的专家学者在这方面进行了深入的研究，目前的主要方法为模糊度搜索法，同时周模糊度的在航求解这种方法应用也较为广泛，有效提高了GPS测量的精度。

周跳主要影响GPS监测的精度，主要是限制载波相位观测定位精度，这种问题也是较为普遍的，主要影响因素为整周模糊度以及接收机位置参数。目前，在GPS数据处理软件中应用较为广泛的方法主要有伪距法、相位法、多项式法等数据处理方法，但是周跳是一种较为随机且偶然的影响因素，因而仅仅凭借一种处理方法是难以完全消除这种影响的，采用不同种方法的组合能够有效消除周跳的影响，主要方法的结合有相位组合与高次差法的组合。

4 GPS变形监测数据处理与分析

对于GPS检测到的变形监测数据，其中很多数据为重复数据，还有一部分为误差较大的数据，因而，对于监测测得的数据进行处理就是较为关键的工作，这一步需要去除重复和误差较大的数据，保存下来有用的变形监测数据。由监测到的变形数据特点将数据处理工作分为两个部分：一是变形监测控制网数据处理；二是变形监测数据序列处理。对于变形监测控制网数据处理，其主要工作有变形监测控制网设计、变形数据误差计算与变形数据分析，对于变形监测控制网数据处理，重点工作在于同一个监测点上的监测数据处理，需要对该数据结合实际工程应用对变形监测控制网数据进行预测与评估，若变形数据过大需要对该水利工程管理人员发出预警。

4.1 变形监测控制网的处理

对于变形监测，其主要作用是通过多次观测测量观测点的变形位移状况，其中，分期观测方法为采用静态相对定位模型，进而获得观测基准线的位移向量，利用位移向量解决观测网分期观测中每期的观测结果与观测精度值，采用统计分析的方法分析出每个测点的变形精确值，因为GPS变形观测是以多次分期观测数据为基础的，因而对于每一期的变形观测必须采用相同的基准指标，这样的观测结果才具有权威性。对于GPS观测网，其观测值的选取均是在相同的基准下进行的。

4.2 变形监测数据整体序列的处理

GPS 变形监测采用的主要方法为间隔性周期监测变形数据，从监测的变形数据中得到水利工程的变形量。由于GPS变形监测的特点与普通检测的特点不同，因而GPS变形监测在网形设计、观测数据处理方面需要进行独特的设计，同时，对于监测数据的指标也与常规监测的指标有所不同，因而需要对监测的指标做相应的调整。GPS 监测的要求不仅有精度、可靠性、费用等方面的独特要求，同时也需要对监测的灵敏度进行独特的指标评价，灵敏度直接关乎监测数据的合理性。

基准设计是GPS监测过程中较为重要的一项关键工作，在处理数据的过程中，基准设计主要表现为建立合适的平差模型，即基准方程。将两次不同的观测数据在相同的观测标准下的平差进行计算，进而分析两次测得的变形数据。

5 GPS监测网络设计

GPS 变形监测系统主要是通过对监测网变形数据进行观测，从而获得变形观测数据。根据这一变形监测网的特点，可得GPS监测网络与其它监测网络系统在观测方法、数据收集、数据集处理、数据整合等方面存在较大差异，同时监测网络的参数特征也直接影响着GPS监测网络监测变形数据的真实性。

基准设计是GPS监测网络设计中较为重要的一环，在监测网络设计中，利用平差模型对检测网络进行基准设计，将相邻两组数据在同一个基准下分析其变形量与变形指标。

GPS监测网络对于基准点的选取采用的是平均间隙法，当监测网络中各点均处于较为稳定的状态时，选择自由网平差法对监测数据进行计算，当监测网络中各点的变形数据变化幅度较大时，即每组数据的数据特征相差较大时，可以采用拟稳平差法进行计算，这样可以有效降低各数据之间的差异化特征。

6 GPS监测中周跳消除

由于GPS 监测系统受到各种环境因素、人为因素等影响，进而引起较大的误差，这将导致测算的结果存在较大的误差，严重影响GPS解算精度，通过调整GPS解算中的参数以及对数据进行差分处理，可以有效降低误差；同时，对随机模型的优化可以有效减弱或消除GPS实测数据中的偶然误差。

周跳在数据之间是可以相互影响的，载波相位观测值是随着时间不断变化的，呈现在数据图中是一段较为光滑、波动的曲线，但由于周跳的影响，在数据的每个周期内均会出现不同程度的周跳，严重影响数据的精准性，可以利用小波和差分法相结合的技术对GPS监测数据进行处理可以有效消除周跳的影响。

7 结语

GPS 变形监测误差直接影响着检测的精准度，为了消除GPS变形监测数据误差的影响，此研究从分析误差来源和影响机理来降低GPS 的定位误差，主要方法有：①将2 期测得的数据采用相同的基准进行解算是降低GPS变形监测数据误差的基础，同时也提高了不稳定点的发现效率。②分析变形监测网的质量指标，以及采用合理的方法分析不同观测元素，进而得到变形监测网平差的独特模型，有效消除变量误差的影响，使测得的变形监测数据可靠度更高。③利用稳健估计法，可以实行不统基准条件下的统一，有效避免了误差数据的混入，通过消除变形监测数据的周跳，可以有效提高监测网络监测数据的精度。