GPS在湖北白蓮河抽水蓄能電站變形監測網中的應用

鄒雙朝，甘孝清，周 武

(長江科學院a.工程安全與災害防治研究所;b.水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心;c.國家大壩安全工程技術研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

白蓮河抽水蓄能電站位于湖北省黃岡市羅田縣白蓮河鄉境內的白蓮河水庫右壩頭上游側，蓄能電站上水庫位于白蓮河水庫右壩頭上游側的山頭凹地，庫盆由葉家沖與月山沖2條溪溝組成，庫底高程260～290 m，庫周地表分水嶺高程330～450 m，集雨面積2.71 km2。為了監測電站上水庫及建筑物的變形情況，在上水庫庫周布置了一個平面變形監測控制網，由8個網點組成，具體分布見圖1。該控制網為二等邊角網，每年復測一次。

圖1 白蓮河蓄能電站上水庫變形監測控制網圖Fig.1 Deformation monitoring control network of upper reservoir on Bailianhe pumped storage station

在變形監測控制網觀測過程中，由于通視和地形條件、各個監測點之間高程差較大、空氣溫度分布不均等因素的影響，測量機器人觀測時成像模糊或跳動，使得某些方向的角度觀測值超限，極大地影響了外業觀測的精度和效率。另外在電站大規模施工完成后，山上雜樹和叢林迅速生長，加上農村房屋的建設，改變了控制網原有的通視條件，難以按照設計的方案進行觀測。雨天和大壩泄洪期間，受雨滴和泄洪產生的水氣霧化的干擾，傳統的光學儀器測量方法無法實施變形觀測。隨著GPS定位技術在大地測量、精密工程測量等諸多領域的廣泛應用，采用GPS進行高精度變形監測控制網觀測已成為傳統變形監測觀測的一種必要補充手段。本文采用GPS技術實施上庫變形監測網的觀測，并探討是否能達到變形監測網設計要求的精度。

2 測量機器人變形監測網觀測

白蓮河抽水蓄能電站變形監測控制網設計要求按照二等邊角網的精度指標要求進行觀測。觀測技術方法采用方向觀測法，測量儀器采用徠卡公司具有自動目標識別功能的測量機器人TCA2003。外業觀測采用機載自動控制網觀測系統，由伺服馬達驅動，多測回測角的方法，完善的限差控制，自動尋找目標、自動精確照準目標進行角度、距離測量，實時報告測量精度質量、記錄合格測量數據至全站儀PCMCIA卡。每個監測點觀測12測回，并且保證12個測回在2個時間段完成，一般在上、下午2個時間段各觀測6個測回。為了保證控制網的觀測精度，必須在成像清晰、穩定的條件下進行觀測，且觀測過程中，待儀器溫度與外界氣溫一致時才能開始觀測。外業觀測時，需要記錄儀器處和各個目標處的氣溫、氣壓、濕度;外業結束后，對各條觀測視線的氣溫、氣壓、濕度進行平均，再利用氣象改正模型，對測量距離進行改正。

2011年10月，測量機器人完成觀測后，采用大地測量綜合數據處理系統對自動記錄觀測數據進行觀測質量統計和平差計算，其數據處理過程如下:

首先進行控制網的各種參數設置，包括坐標系統、投影高程面、儀器的加乘常數、大氣折光系數、角度距離觀測的各種限差等，然后將自動記錄的觀測數據按照規范表格，生成水平角、天頂距、距離觀測電子記錄文件，并對角度觀測數據質量進行統計，角度觀測統計結果見表1。

表1 變形監測控制網測角精度統計表Table 1 Accuracies of angel measurement ofdeformation monitoring control network

接著對邊長觀測數據進行氣象改正、加乘常數改正、傾斜改正、投影改正、周期誤差改正等，在角度觀測、往返邊長、往返測高差、三角形條件、極條件、正余弦條件等統計符合規范要求后，將已知數據、角度觀測、邊長觀測數據組合成平差準備文件，最后進行經典控制網平差，平差成果精度統計見表2。

表2 變形監測控制網平差結果統計表Table 2 Adjustment results of deformation monitoring control network

從表1和表2的成果統計來看，測量機器人的觀測成果滿足白蓮河變形監測網精度設計要求。

采用測量機器人在白蓮河抽水蓄能電站變形監測控制網觀測過程中，由于各個監測點分布在上水庫的四周山上，點與點之間的空氣溫度分布不均，造成儀器在進行自動精密觀測時成像模糊或跳動，使得某些方向的角度觀測總是超限，極大地影響外業觀測效率。隨著GPS精密定位技術在大地測量、精密工程測量等領域的廣泛應用，采用GPS進行高精度變形監測控制網觀測已成為今后的發展趨勢，因此采用GPS技術對變形監測網的觀測，探討是否能達到變形監測網設計的要求。

3 GPS變形監測網觀測

變形監測控制網復測采用GPS測量技術，與傳統測量邊角相對幾何關系的方法相比，GPS具有全天候、自動化、測站間無需通視、可同時測定測點的三維坐標。GPS測量技術的具有如下特點。

(1)定位精度高:GPS相對定位精度在50 km以內可達 10－6，500 km 可達 10－7，1 000 km 可達10－9。在300～1 500 m工程精密定位中，1 h以上觀測解的平面位置誤差小于1 mm。

(2)測站間無須通視:GPS測量不要求測站之間互相通視，只需測站上空開闊即可，因此測點位置可根據需要，可稀可密布置，使選點工作甚為靈活。

(3)可提供三維坐標:經典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測。GPS可同時精確測定測點的三維坐標(平面+大地高)。目前，通過局部大地水準面精化，GPS水準可滿足三等水準測量的精度。

(4)全天候作業:GPS觀測可在24 h內的任何時間進行，不受陰天黑夜、起霧刮風、下雨下雪等天氣的影響。

2011年10月，測量機器人觀測完成后，采用6臺徠卡公司高精度雙頻GPS接收機對變形監測控制網進行靜態相對定位觀測。將8個監測點分成3個時段觀測，每個時段長度大于240 min，不同時段有4臺接收機同步，保證監測網中每個點與其它監測點都有基線連接，提高了控制網的可靠性和精度。

外業觀測完成后，首先采用徠卡公司LGO 6.0軟件進行基線數據檢查和基線解算。考慮到現場觀測條件TB06和TB01監測點周圍有樹枝遮擋，凈空條件不理想，刪除部分受干擾的衛星觀測數據，提高與之同步基線的質量。然后采用武漢大學科傻GPS數據處理軟件進行三維無約束平差和二維約束平差，最后對平差的結果進行精度統計。環閉合差、三維基線向量無約束平差的點位誤差統計見表3和表4。

表3 環閉合差精度統計表Table 3 Accuracies of loop closure of control network

表4 三維無約束平差的點位誤差統計表Table 4 Point errors of three dimensional unconstrained adjustments mm

變形監測網參與平差計算的基線有39條，構成閉合環21個，各個閉合均不超限。二維約束平差結果的平均邊長相對中誤差為1/374 405，最弱邊TB05—TB06邊長相對中誤差為1/194 000，滿足二等邊角網邊長測量的精度。

4 GPS與測量機器人觀測成果比較

為了驗證GPS技術與測量機器人測量成果的一致性，分別對2種方式的計算后的觀測邊長、點位精度、點位較差和作業時間4個方面進行比較，比較結果見表5、表6、表7和表8。

表5 GPS與測量機器人邊長比較表Table 5 Differences of side length by GPS and georobot

從表5和表6可以看出，GPS測量的觀測邊長和平差的點位精度與TCA2003相當。從表7可以看出，2種測量方式計算結果的較差比較，GPS靜態相對定位觀測與測量機器人的成果基本一致，兩者成果較差在3 mm左右，可能是由于三維無約束平差投影到二維平面上坐標系統旋轉帶來的誤差，但未超過點誤差2倍準許范圍，兩者吻合性較好。

表6 GPS與測量機器人點位平面精度比較表Table 6 Differences of point plane error by GPS and georobot mm

表7 GPS與測量機器人平差結果比較表Table 7 Differences of adjustment results by GPS and georobot mm

表8 GPS與測量機器人作業時間比較表Table 8 Differences of operation time of GPS and georobot

根據白蓮河變形控制網的條件，分別統計GPS和測量機器人的作業時間，成果見表8。從表8可以看出:采用測量機器人進行變形控制網的觀測，外業需要總人天數14 d，前提條件是在2 d的工作時間間內，氣象條件非常適宜光學儀器觀測，如果遇到不良的氣象條件，觀測時間將需要更多。采用GPS技術進行觀測，需要總人天數少，不到測量機器人的一半，人為干預少，不受天氣影響，從采集到數據處理自動化程度高，能及時、準確地取得可靠的觀測成果。

5 結語

白蓮河抽水蓄能電站變形監測網兩種觀測方式的數據處理結果表明，采用定位精度高、全天候作業、統一提供三維信息、效率高的GPS技術與傳統的大地測量方法的成果比較吻合，可達到二等變形監測控制網的精度要求。如果監測網每期復測采用GPS進行觀測，固定相應的坐標框架、起算數據、處理軟件模型，每期成果之間的較差也可以反映出監測點的位移量，可應用水利工程的高精度變形監測。

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