基于GPS變形監(jiān)測(cè)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

黃燕明

(增城市國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東增城 511300)

基于GPS變形監(jiān)測(cè)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

黃燕明?

(增城市國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東增城 511300)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，利用傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)手段越來越不能滿足變形監(jiān)測(cè)要求。為了更有效保障國(guó)家財(cái)產(chǎn)及人身安全，迫切需要性能更可靠的設(shè)備來監(jiān)測(cè)形變。目前，隨著GPS技術(shù)的不斷成熟，GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在橋梁、建筑、地震等行業(yè)中應(yīng)用并取得很好的效益。本文介紹如何通過GPS技術(shù)運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)組建廣東清遠(yuǎn)水利樞紐的GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

GPS；變形監(jiān)測(cè)；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；監(jiān)測(cè)站

1 前 言

通過近年的實(shí)踐證明，利用GPS定位技術(shù)進(jìn)行精密工程測(cè)量和大地測(cè)量，平差后控制點(diǎn)的平面位置精度為1 mm～2 mm，高程精度為3 mm～5 mm。應(yīng)該說:利用GPS定位技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，是一種先進(jìn)的高科技監(jiān)測(cè)手段，而用GPS監(jiān)測(cè)滑坡是GPS技術(shù)變形監(jiān)測(cè)的一種典型應(yīng)用，通常有兩種方案:①用幾臺(tái)GPS接收機(jī)，由人工定期到監(jiān)測(cè)點(diǎn)上觀測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施處理后進(jìn)行變形分析與預(yù)報(bào)；②在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上建立無人值守的GPS觀測(cè)系統(tǒng)，通過軟件控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)解算和變形分析、預(yù)報(bào)[4～5]。

2 工作區(qū)基本情況

清遠(yuǎn)水利樞紐由北江干流樞紐和大燕河水閘組成。北江干流樞紐位于北江支流大燕河河口上游約1 km處的北江干流上，電站壩址上距飛來峽水利樞紐46.73 km，下距石角水文站4.8 km，左岸是清東圍，右岸是清西圍。

清遠(yuǎn)水利樞紐的水庫(kù)正常蓄水位10m，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，河床式廠房?jī)?nèi)裝4臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組。本工程電站總裝機(jī)容量為4×11MW。考慮到河床下切，電站機(jī)組出力有可能增加到80MW。主變?nèi)萘繛?×50MVA。

3 總體設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)項(xiàng)目共布設(shè)17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分布在廠房頂部和船閘的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)在左壩肩建有一個(gè)基準(zhǔn)站，以便于觀測(cè)數(shù)據(jù)解算。

整個(gè)系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分對(duì)GPS數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，軟件部分對(duì)GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[6]。軟件處理后得到17個(gè)點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)，對(duì)每次計(jì)算的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，得到這些點(diǎn)的變化量。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)

GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)及工程建造依據(jù)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，本設(shè)計(jì)中所引用的部分技術(shù)規(guī)范參見表1[7～9]。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)參照規(guī)范 表1

3.2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用6臺(tái)華測(cè)產(chǎn)X300M接收機(jī)進(jìn)行定期觀測(cè)，后期靜態(tài)解算軟件安裝在一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，并得出各個(gè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施

本GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施主要包括以下幾個(gè)方面:基準(zhǔn)站及監(jiān)測(cè)站選址；監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站及監(jiān)測(cè)站觀測(cè)墩的建設(shè)；靜態(tài)數(shù)據(jù)采集；靜態(tài)數(shù)據(jù)解算；數(shù)據(jù)處理。

4.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

GPS監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)單元包括基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站，各站點(diǎn)的具體布置方式根據(jù)以下要求:

基準(zhǔn)點(diǎn)宜選在地質(zhì)條件良好、穩(wěn)定、視野相對(duì)比較開闊且易于長(zhǎng)期保存的地方，而這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)必須定時(shí)應(yīng)與就近的GPS-A，B級(jí)控制網(wǎng)或國(guó)家IGS網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，以利于確定基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)的可靠性及變形情況。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)立于左右壩肩上

GPS監(jiān)測(cè)站根據(jù)本工程被監(jiān)測(cè)對(duì)象確定，擬在廠房頂、船閘等處分別布置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。這些點(diǎn)間無須相互通視，但應(yīng)滿足如下條件:

①周圍應(yīng)便于安置接收設(shè)備和操作，視野開闊，視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度角不宜超過15°；

②遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源(如電視臺(tái)、電臺(tái)、微波站等)，其距離不小于200 m；遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電信號(hào)傳送通道，其距離不得小于50 m；

③附近不應(yīng)有強(qiáng)烈反射衛(wèi)星信號(hào)的物件(如大型建筑物等)；

④地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點(diǎn)的保存；

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況和以往施工經(jīng)驗(yàn)，基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)墩均使用內(nèi)徑為315mm的PVC圓柱筒，內(nèi)置鋼筋籠并澆鑄混凝土而成，墩頂安裝強(qiáng)制對(duì)中盤，墩高1.2m。

因?yàn)橛^測(cè)墩建設(shè)的時(shí)候都安裝了強(qiáng)制對(duì)中底盤，所以在安置GPS接收機(jī)時(shí)只要擰牢即可。

(1)觀測(cè)周期

按照現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)要求，每個(gè)月對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行一次靜態(tài)觀測(cè)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)2 h，接收機(jī)設(shè)置采樣率為5 s。數(shù)據(jù)采集完成后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并和上一次觀測(cè)對(duì)比得出結(jié)論。

(2)基準(zhǔn)站接收機(jī)

在整個(gè)觀測(cè)過程中，基準(zhǔn)站類似于連續(xù)運(yùn)行參考站，因而在靜態(tài)數(shù)據(jù)采集過程中基準(zhǔn)站不斷電，數(shù)據(jù)采集連續(xù)，最好使用外掛電池進(jìn)行供電。

(3)監(jiān)測(cè)點(diǎn)接收機(jī)

因?yàn)镚PS接收機(jī)只有6臺(tái)，1個(gè)基準(zhǔn)站使用了1臺(tái)，剩下的5臺(tái)接收機(jī)要分4次安裝在不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，每個(gè)觀測(cè)墩上觀測(cè)2 h。觀測(cè)過程中要對(duì)每個(gè)接收機(jī)觀測(cè)的點(diǎn)做好記錄，保證不混淆。

4.2 數(shù)據(jù)下載

數(shù)據(jù)采集完成以后，使用GPS軟件進(jìn)行下載，保存在以日期為路徑建立的文件夾下。

每周期數(shù)據(jù)按同步觀測(cè)數(shù)據(jù)分類，共分4個(gè)文件夾存放。

4.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)下載好以后，使用靜態(tài)處理軟件進(jìn)行處理，得到準(zhǔn)確的坐標(biāo)值。具體處理如下:

(1)任務(wù)的建立

先分4個(gè)文件夾來存放觀測(cè)數(shù)據(jù)，每次處理一個(gè)文件夾里的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)合并。

(2)坐標(biāo)系統(tǒng)的建立

為限制投影變形，本工程選定以壩軸線中心所在的子午線為中央子午線的任意坐標(biāo)系統(tǒng)，投影面與壩頂面高程相同。

(3)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

項(xiàng)目建完后，開始加載GPS數(shù)據(jù)觀測(cè)文件。導(dǎo)入事先存好的靜態(tài)數(shù)據(jù)。

(4)數(shù)據(jù)檢查

數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，檢查相應(yīng)點(diǎn)的點(diǎn)名，儀器高，天線類型等等，對(duì)于有問題的數(shù)據(jù)要及時(shí)更改。然后通過檢查，直到?jīng)]有問題為止，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)檢查

(5)基線的處理

數(shù)據(jù)檢查沒有問題之后處理全部基線，等基線全部處理完后，對(duì)于“Radio”值比較小的進(jìn)行單獨(dú)處理，至少保證Radio值大于3以上，當(dāng)然處理得越大越好，最大為99.9。

(6)網(wǎng)平差

在觀測(cè)站點(diǎn)里輸入基準(zhǔn)點(diǎn)已知坐標(biāo)，然后，根據(jù)具體情況選擇三維平差，二維平差，水準(zhǔn)高程擬合，并通過軟件進(jìn)行網(wǎng)平差形成平差報(bào)告。

(7)成果檢查

從平差報(bào)告里看出:基線向量及改正數(shù)、τ(Tau)檢驗(yàn)表個(gè)別為紅色，這說明要單獨(dú)對(duì)這些基線進(jìn)行處理，直到?jīng)]有紅色出現(xiàn)為止。

當(dāng)基線被處理的沒有紅色的了，但χ2檢驗(yàn)(α= 95%)還是“失敗”，這時(shí)把這個(gè)參考因子輸入到方差比例系數(shù)里，然后再進(jìn)行平差，直到“通過”。根據(jù)網(wǎng)的等級(jí)設(shè)計(jì)要求，查看是否超限，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)平差成果檢查

4.4 成果數(shù)據(jù)

通過以上反復(fù)處理及檢查，確認(rèn)無誤后，方可提交成果，提交成果可以以成果報(bào)告，詳細(xì)成果文本，簡(jiǎn)明成果文本或者以DXF格式輸出網(wǎng)圖。

每次觀測(cè)的數(shù)據(jù)都做好詳細(xì)的備檔，對(duì)本次和上次的坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比得出整個(gè)變形體的變化趨勢(shì)，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

通過對(duì)GPS數(shù)據(jù)的采集和后期的數(shù)據(jù)處理，建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使清遠(yuǎn)水利樞紐可以實(shí)施全天候監(jiān)測(cè)，為管理與決策提供科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)。相同的技術(shù)手段也已應(yīng)用在清遠(yuǎn)市橋梁、建筑、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害方面的變形監(jiān)測(cè)中，為清遠(yuǎn)市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的決策以及安全提供了技術(shù)保障。

[1] 胡友健，梁新美，許成功.論GPS變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].測(cè)繪科學(xué)，2006，3:155～157.

[2] 衛(wèi)建東.現(xiàn)代變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].測(cè)繪科學(xué)，2007，6:10～13.

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Construction of Security M onitoring System Based on Deformation M onitoring Using GPS

Huang Yanming
(Surveying and Mapping Institute Lands and Resource Department of Zengcheng，Zengcheng 511300，China)

With the rapid development of social economy and science technology，the traditionalmethods of deformation monitoring cannot satisfy the requirement of current deformationmonitoring.In order tomore effectively protect state property and life safety，there is an urgent need for more reliable performance of equipment to monitor deformation.At present，with thematurity of GPS technology，automatic monitoring system of GPS has been used in the bridge，building，earthquake.And experiments showed that the application can achieve good results.In this paper，we will introduce the construction of Qingyuan water conservancy hinge automaticmonitoring system by using GPS technology.

GPS；deformation monitoring；automatic monitoring system；monitoring station

1672-8262(2013)04-90-03

P228

B

2013—04—23

黃燕明(1971—)，男，測(cè)繪工程師，主要從事測(cè)繪研究與管理。