GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理研究

【摘 要】在監(jiān)測(cè)變形體安全時(shí)，變形監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)重要的方法，是一項(xiàng)長(zhǎng)期、重復(fù)的測(cè)量工作。GPS是一種全新的定位技術(shù)，在當(dāng)今的測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)，GPS技術(shù)已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的測(cè)量方法。GPS作為一種高效的監(jiān)測(cè)方法，能夠減少工作量，從而增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。GPS同傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法相比，能夠省去數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)序列的處理工作，因此，具有很高的研究意義和現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】變形監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)處理；小波

GPS全稱是全球定位系統(tǒng)，具有很廣泛的應(yīng)用，在測(cè)繪行業(yè)中，全球定位系統(tǒng)的引進(jìn)改變了傳統(tǒng)測(cè)繪的方法，促進(jìn)了測(cè)繪技術(shù)的變革。近年以來(lái)，我國(guó)大力推行GPS技術(shù)，并在精密工程測(cè)量、大地測(cè)量和地殼變形監(jiān)測(cè)中廣泛應(yīng)用，同時(shí)，開(kāi)始進(jìn)軍交通運(yùn)輸、海洋、軍事和航道等方面，隨著GPS技術(shù)的完善，其必將覆蓋各個(gè)行業(yè)。

1.GPS應(yīng)用的特點(diǎn)

GPS是一種全新的技術(shù)，不同于經(jīng)典的測(cè)繪方法，因此，具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)。

第一，GPS技術(shù)具有更高的測(cè)量精度。同常規(guī)的測(cè)量方法相比，GPS觀測(cè)的精度更高，尤其是GPS基線向量的精度，一般的測(cè)量方法很難達(dá)到。

第二，GPS具有靈活的選點(diǎn)，耗費(fèi)的費(fèi)用較少。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，GPS測(cè)量在測(cè)站間不通視的情況下，仍能正常的進(jìn)行測(cè)量，這樣就大大降低了作業(yè)的成本，同時(shí)可以減少布網(wǎng)費(fèi)用。

第三，能夠全天候進(jìn)行作業(yè)。GPS對(duì)于天氣和氣候的要求很低，在任何的時(shí)間和氣候下都能進(jìn)行觀測(cè)，因此能夠更加方便的進(jìn)行測(cè)量工作，有利于高效的完成測(cè)量工作。

第四，減少了測(cè)量時(shí)間。同傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，GPS能夠減少測(cè)量時(shí)間，一般情況下，GPS布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)，在每一個(gè)觀測(cè)站，觀測(cè)時(shí)間大概在30到40分鐘之間，若使用快速靜態(tài)定位方法，觀測(cè)時(shí)間能夠再次縮短，最短可在5秒內(nèi)完成[1]。

第五，自動(dòng)化程度較高。隨著科技的逐漸發(fā)展，人們逐漸將GPS接收機(jī)制作的小型化和操作傻瓜化，觀測(cè)人員能夠更加方便的進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量時(shí)，僅僅需要將天線進(jìn)行對(duì)中和整平，量取天線的高度后打開(kāi)電源，這時(shí)就可以進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)了，然后應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.GPS數(shù)據(jù)處理的要求

在進(jìn)行GPS檢測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，要考慮到軟件、星歷、參考框架、約束條件的確定、參考基準(zhǔn)和精度分析的方法等，這些問(wèn)題都會(huì)影響數(shù)據(jù)的處理，尤其是參考基準(zhǔn)的約束和選擇的確定。為了能夠提供更加標(biāo)準(zhǔn)的變形分析數(shù)據(jù)，對(duì)GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)提出了以下幾點(diǎn)要求。

2.1 GPS參考框架

對(duì)于GPS數(shù)據(jù)處理技術(shù)來(lái)說(shuō)，參考框架是其最基礎(chǔ)的部分，因此，應(yīng)在數(shù)據(jù)處理之前將其確定。目前，比較常見(jiàn)的是聯(lián)系自治、全球統(tǒng)一和不斷精華的坐標(biāo)框架，而能夠滿足這些條件的僅有國(guó)際地球參考系。GPS在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，要不斷采用最新的參考系，同時(shí)，對(duì)于已經(jīng)進(jìn)行處理的結(jié)果，及時(shí)的將其轉(zhuǎn)換成最新參考系中的數(shù)據(jù)。在當(dāng)前的參考框架方法確定中，松弛解+七參數(shù)轉(zhuǎn)化、松弛解+相對(duì)穩(wěn)定點(diǎn)組的七參數(shù)轉(zhuǎn)換和松弛解+強(qiáng)制符合等是比較常見(jiàn)的方法。

2.2 GPS監(jiān)測(cè)平差要求

GPS網(wǎng)平差通常指的是固定一個(gè)已知點(diǎn)的約束平差，對(duì)于目前的GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，多個(gè)已知點(diǎn)約束差的固定很容易將已知點(diǎn)的誤差引入到GPS觀測(cè)點(diǎn)。若想固定多個(gè)已知點(diǎn)的約束平差，必須將已知點(diǎn)的精度提高到足夠的高度，同時(shí)對(duì)于GPS觀測(cè)點(diǎn)的影響可以忽略。所以，在對(duì)GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的各期觀測(cè)值進(jìn)行變形分析之前，一般情況下要先進(jìn)行空間無(wú)約束平差，以保證能夠盡享GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的質(zhì)量。在進(jìn)行變形分析的過(guò)程中，也可以選用固定一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的固定基線方式來(lái)進(jìn)行，同時(shí)能夠評(píng)價(jià)GPS網(wǎng)的質(zhì)量[2]。評(píng)價(jià)的內(nèi)容大致可以分為外可靠性指標(biāo)、內(nèi)可靠性指標(biāo)、點(diǎn)為中誤差和基線向量的相對(duì)中誤差、單位權(quán)中誤差的檢驗(yàn)和基線向量，同時(shí)應(yīng)排除含有粗差的。

2.3 GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)變形分析基準(zhǔn)的選擇

在當(dāng)前的GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)變形分析中，比較突出的問(wèn)題是所有的研究單位都使有相同的精密星歷和軟件，然而分析得到的結(jié)果卻不盡相同，甚至有的差別很大，究其原因，最主要的是對(duì)于參考基準(zhǔn)的選擇不同。通過(guò)檢測(cè)區(qū)內(nèi)穩(wěn)定基準(zhǔn)點(diǎn)的存在情況，可以在以下幾種方案中選擇變形基準(zhǔn)：

如果監(jiān)測(cè)網(wǎng)中只有一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)，可以選擇重心尺度、位置、重心方位基準(zhǔn)，同時(shí)將該穩(wěn)定點(diǎn)作為固定的位置基準(zhǔn)，然后按秩虧平差的方法對(duì)方位和尺度進(jìn)行選擇。

如果監(jiān)測(cè)網(wǎng)中存在多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)將變形區(qū)域外的點(diǎn)的重心位置作為準(zhǔn)確基準(zhǔn)，這就是擬穩(wěn)基準(zhǔn)。

另一種基準(zhǔn)是重心基準(zhǔn)，這種方法應(yīng)用于變形區(qū)域較大的情況，當(dāng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)都在變形區(qū)域內(nèi)時(shí)，利用秩虧平差的方法，可以運(yùn)用重心基準(zhǔn)的方法。

還有一種是固定基準(zhǔn)，通常情況下應(yīng)用在監(jiān)測(cè)網(wǎng)中擁有多個(gè)穩(wěn)定基準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)各期觀測(cè)值之間認(rèn)為沒(méi)有系統(tǒng)性的方位差異和尺度差異。

3.GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理方法

隨著GPS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的廣泛應(yīng)用，各種數(shù)據(jù)處理方法也被發(fā)現(xiàn)。

3.1靜態(tài)數(shù)據(jù)處理方法

這種方法基于每一期的觀測(cè)值，然后將其作為相對(duì)定位，再通過(guò)計(jì)算兩期監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間位置的變化來(lái)測(cè)定變形量[2]。這種數(shù)據(jù)的處理方法是：首先在各期進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位，以獲得基線向量；在通過(guò)網(wǎng)平差，將觀測(cè)質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，來(lái)得到檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)；最后，通過(guò)兩期得到的坐標(biāo)差，根據(jù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的方法來(lái)觀察得到的坐標(biāo)差是否具有變形量。在這種方法中，監(jiān)測(cè)網(wǎng)通常情況下是由監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)確定的。在監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立中，基準(zhǔn)點(diǎn)是其基礎(chǔ)，保證變形分析能夠在相同的基準(zhǔn)下進(jìn)行。而監(jiān)測(cè)網(wǎng)的首期坐標(biāo)則作為變形分析的基礎(chǔ)。這種數(shù)據(jù)處理方式必須解決兩個(gè)問(wèn)題才能進(jìn)行，首先，要采取正確的方法將觀測(cè)值中的粗差排除，然后判斷基準(zhǔn)點(diǎn)是否是穩(wěn)定的，當(dāng)基準(zhǔn)點(diǎn)不夠穩(wěn)定時(shí)，要通過(guò)合理的方法消除基準(zhǔn)點(diǎn)變化對(duì)變形信息的影響。

3.2單歷元解算法

關(guān)于動(dòng)態(tài)定位，最近幾年，國(guó)內(nèi)外的專家將研究重點(diǎn)放在了整周模糊度的在航求解方法上，同時(shí)得到了很多OTF方法。然而在OTF方法中，卻出現(xiàn)了周跳的探測(cè)和修復(fù)問(wèn)題。為了能夠解決這個(gè)問(wèn)題，單歷元解算模糊度的方法被提出。

該方法的基本思路是：第一要將GPS點(diǎn)的近似坐標(biāo)進(jìn)行確定；然后確定基本衛(wèi)星星座，可以采用L1載波來(lái)建立3個(gè)雙差方程。在進(jìn)行實(shí)數(shù)解的確定時(shí)，可以采用近似坐標(biāo)解算的方法，然后根據(jù)四舍五入，將實(shí)數(shù)解確定為整數(shù)。對(duì)于模糊度組合的所有方式，可以利用雙差方程得出相應(yīng)的坐標(biāo)，然后根據(jù)得到的坐標(biāo)，根據(jù)測(cè)站和衛(wèi)星的觀測(cè)值計(jì)算出模糊度函數(shù)。在將模糊度函數(shù)值大于一定數(shù)值的情況挑選出來(lái)，構(gòu)造一個(gè)模糊度搜索范圍，在搜索范圍內(nèi)，利用雙差方程和最小二乘估測(cè)方法來(lái)計(jì)算殘差平方和，最后根據(jù)F檢驗(yàn)將模糊度最終確定。

3.3小波變換法

小波分析理論是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法中最新的時(shí)頻局部化分析方法，被評(píng)為傅里葉分析方法以后最具有突破性的發(fā)展。小波變換在GPS動(dòng)態(tài)變形分析中的應(yīng)用，消除了經(jīng)典傅里葉分析在描述信號(hào)時(shí)頻特點(diǎn)時(shí)的缺點(diǎn)，通過(guò)小波變換的多分辨率性，能夠?qū)PS動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變形特征信息和濾波提取分離。然而，這種方法的研究才剛剛起步，目前仍處于研究階段。在21屆IUGG大會(huì)和22屆IUGG大會(huì)上，小波分析理論被確定為今后的研究方向。由此可見(jiàn)，小波研究很具有研究?jī)r(jià)值。根據(jù)當(dāng)前的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)，小波分析需要大子樣容量的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，然而GPS需要的是長(zhǎng)序列的數(shù)據(jù)，這樣，才能保證自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，在GPS的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中，小波分析理論必將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

4.總結(jié)

伴隨著全球定位系統(tǒng)的不斷完善，GPS應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛，尤其是在工程建設(shè)領(lǐng)域。自從八十年代進(jìn)入民用后，其已經(jīng)應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，特別是在測(cè)量界的控制測(cè)量中，GPS應(yīng)用具有劃時(shí)代的意義。GPS以其靜態(tài)相對(duì)定位中的高效益、高精度、全天候等優(yōu)勢(shì)，逐漸取代了傳統(tǒng)的測(cè)量方法。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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[2]詹京晶，肖田元.基于GPS數(shù)據(jù)的尾礦壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013，9（4）：5-6.