探究GNSS技術在大壩變形監測中的應用

張逸仙

摘要： 隨著科學技術的不斷發展，全球導航衛星系統GNSS（Global Navigation Satellite System）技術應運而生，GNNS技術具有全天候測量、定位速度快、連續實時、自動化程度高的特點，在工程和災害監測的應用中產生了巨大影響，已經逐漸應用在大壩的變形監測中。但是，在大壩變形監測的應用中還存在不足和局限性。本文通過對GNSS技術的優點和大壩變形因素進行分析，對GNSS技術在大壩變形監測中測量過程進行探討，提出GNSS技術在大壩的變形監測的發展趨勢，推動著變形監測理論和技術方法的不斷創新和發展。

Abstract： With the continuous development of science and technology， GNSS （Global Navigation Satellite System） technology came into being. GNNS technology has the characteristics of all-weather measurement， rapid positioning speed， continuous and real-time， and high degree of automation， and its application has produced a huge impact on engineering and disaster monitoring， and it has been gradually applied in the deformation monitoring of the dam. However， there are shortcomings and limitations in the application of GNNS technology in dam deformation monitoring. Based on the analysis of the advantages of GNSS technology and the deformation factors of dam， this paper discusses the measurement process of GNSS technology in dam deformation monitoring， and puts forward the development trend of GNSS technology in dam deformation monitoring to promote the constant innovation and development of deformation monitoring theory and technical method.

關鍵詞： GNSS技術；大壩變形監測；應用

Key words： GNSS technology；dam deformation monitoring；application

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0198-03

0 引言

隨著地質災害的不斷涌現，對于大壩變形測量研究已經成為各大學者研究的熱點。傳統的變形監測是采用高精度的監測網對大壩變形要素進行監測，但由于大壩所處地形條件的影響，導致監測網的網形差和監測點的位置精度不精確，影響測量的準確性。對于變形測量研究的技術手段也不斷地在更新和發展，其中包括全球導航衛星技術（GNSS技術）和地面激光掃描等地面變形測量技術，其中GNSS技術在變形監測中應用得最廣泛。通過應用GNSS技術，使得變形監測技術逐漸向自動化、數字化、網絡化轉變，提升變形監測水平和監測精度[1]。

1 大壩變形監測的概述

全球導航衛星系統 GNSS始于19世紀70年代，并廣泛應用于定位工作中，逐漸在測量領域中占據重要的位置。1998年，我國的隔河巖大壩外部變形首次采用GNSS自動化監測系統。 GNSS技術是一項高科技技術，利用衛星技術進行全方面的測量。它能夠提供的時間信息和三維坐標等技術參數的精度很高，對測量領域產生了重大意義。為了保證大壩的安全運營，減少安全事故的發生，需要對大壩的變性因素進行分析，并實時監測。利用GNSS監測大壩的變形是現在應用最多的技術，具有全天候測量、定位速度快、連續實時、自動化程度高的優勢。

1.1 大壩變形的影響因素

我國的大壩數量也不斷增加，需要對大壩的變形要素進行連續、周期性的測定和實時、準確的安全監測。大壩變形的主要因素包括：靜水壓力的作用，大壩外體受到水平推力，導致大壩產生變形，水庫由于自身重力作用會導致庫底發生變形；壩體溫度變化，壩體的溫度隨著季節變化會使混凝土無規律的脹縮，會引起大壩壩頂下陷，新建成的大壩自身的混凝土會發生脹縮，這樣導致了壩體變形；時效變化，時效變化是由于混凝土熱脹冷縮引起的變形，和基礎巖層在載荷作用下產生時效變化，時效變化在施工或運營初期表現顯著，時間長久后，建筑會趨于穩定，時效變化會變小。

1.2 變形監測現狀

變形監測在測量領域內占據著重要的位置，從一個工程的施工到完工，以及后續的運營都需要進行不斷地監測，掌握變形的情況，及時解決潛在安全問題，保證工程的正常運營。

在大壩變形監測中，傳統的變形監測是采用高精度的監測網對大壩變形要素進行監測，但由于大壩所處地形條件的影響，導致監測網的網形差和監測點的位置精度不精確，影響測量的準確性。這種方法的勞動強度很大，觀測時間較長，沒有實現自動化監測。隨著GNSS技術的出現，使變形監測實現了從數據采集、數據傳輸、平差計算和變形分析的連續自動化。經研究發現，利用GNSS技術進行水平位移的監測精度在±2mm以下，高程的測量誤差在

±10mm以下。

1.3 GNSS技術優點

傳統的變形監測技術由于地形原因導致變形監測精度低，影響變形監測結果。GNSS技術的優點是監測站沒有時間限制，能夠全天候監測，不會受到氣候等因素的影響，在各種氣候中都能進行變形監測；實現監測自動化，GNSS接收機的數據收集是自動進行的，使自動監測過程（包括數據采集、處理、傳輸、分析）實現全自動化，操作簡單，提高監測效率；能夠降低系統誤差，在利用GNSS技術進行變形監測中，不會影響變形監測點坐標之間的差異值，會降低在大氣層中衛星信號的傳播誤差對變形監測的影響；測量精度高，監測速度快；利用GNSS技術進行的監測具有良好的抗干擾性和保密性，能夠進行實時測量；為坐標提供3D立體信息，能夠精確測量變形地點的3D坐標[2]。

2 GNSS技術在變形監測中的應用

2.1 GNSS技術變形監測模式

GNSS技術在大壩的變形監測中分為周期性重復變形監測、固定連續性變形監測和實時動態監測。

2.1.1 GNSS周期性重復變形監測

當被監測工程的變形速率緩慢，在一定的空間域和時間域上被認作是穩定的，可以利用GNSS周期性重復變形監測。針對每一個周期測量監測點之間的相對位置，經過計算兩個觀測周期之間的位置變化來測定其變形。監測周期可以根據大壩的特性及危害程度來確定。這種模式是通過邊或網連接的方式建成監測網，并用平差計算法得到監測點的三維坐標，根據坐標差值來確定監測點的變形量。

2.1.2 GNSS固定連續性變形監測

利用固定的監測儀器對變形進行長時間的數據收集的方式稱為固定連續性變形監測。在這種模式下測量是連續性的，時間分辨率高。通過選擇重點和關鍵部位布設永久GNSS觀測站，在這些測站上不間斷觀測，并進行數據處理。由于大壩變形的緩慢性，因而在對監測數據處理時，把一段時間的觀測數據作為一組，用靜態相對定位和動態相對定位方式處理。

2.1.3 GNSS實時動態監測

實時動態監測方式是實時監測大壩的動態變形，其特點是采樣密度高，例如每秒鐘采樣一次，而且要計算每個歷元的位置。數據處理主要采用運動中載波相位模糊度解法，用已求得的整周模糊度計算每一歷元接收機的位置，進而分析大壩的變形特征及原因。變形監測要求實時性，需要建立GNSS自動監測系統，采用全天候實時監測，能夠及時了解監測點位置的實時變化情況。GNSS技術作為一種新的監測技術，在大壩的變形監測中應用越來越廣泛，例如在隔河巖大壩建立的GNSS自動化監測系統，主要包括數據的采集、傳輸和處理[3]。

2.2 GNSS監測網數據處理方法

經過GNSS觀測得到的數據要經過基線解算和平差計算才能轉化為可靠的數據成果。GNSS數據處理方法主要包括兩個方面：首先對監測獲得原始數據進行處理，得到觀測網的基線解；然后對觀測網的基線解進行整體平差和分析從而得到最終的整體解。對于基線解和平差分析是數據處理的重要部分，特別是在觀測網多個子網的粗差分析、系統誤差和偶然誤差的分析。國內主要利用GPSADJ系列平差處理軟件和同濟大學的TGPPS靜態定位后處理軟件，來處理二維和三維網的平差。

對于B級GNSS監測網數據，現階段采用的計算方法是利用美國研發的GAMIT/GLOBK軟件解算平差，參考框架選定UTRF2000框架，采用IGS精密星歷。通過網絡從精密星歷中選取10個IGS站觀測數據和GNSS數據處理的資料（其中包括全球H文件解、精密星歷、最新歷表等資料）。通過建立LCHELP解算模式獲得基線信息，利用GLOBK對網平差求整體解，從而獲取個基準點的坐標。C級監測網觀測數據經過轉化為RINEX數據文件，采用South GPS Processor V4.0進行數據處理，在基線解算中前先對受外界干擾的衛星信號進行剔除，再利用雙差固定解進行計算，坐標取位為0.001m。D級GNSS監測網數據在C級的處理方法上，根據不同的網形，選擇平差方法，優先選擇WGS-84下的單點無約束自由網平差，獲得平差報告。坐標取位為0.001m。

2.3 GNSS變形監測中存在的問題

GNSS已經廣泛應用于大壩的變形監測中，但在特殊地形（高山峽谷等）中，GNSS衛星信號會被干擾或遮擋，從而影響監測的精度和可靠性，甚至導致無法監測。點位選擇自由度較低，函數關系過于復雜、誤差源較多等是其明顯的不足之處。根據資料顯示，GNSS監測對水平位移監測精度高，對垂直位移監測精度低，水平位移精度是垂直位移精度的2倍左右。這樣很難同時對水平和垂直位移進行高精度的測定。現階段，對于GNSS變形監測數據的處理是利用整周模糊度動態解算法，這種方法的精度是厘米級，而變形監測要求精度高。

此外，由于監測點在較短的時間內變形微小，且會存在誤差，如何在誤差干擾中對監測數據進行有效提取是亟待解決的技術問題。

2.4 GNSS變形監測的發展趨勢

通過研究國內外對于GNSS技術在變形監測中的研究，提出以下發展趨勢：

①GNSS技術與其他變形監測技術相結合。由于GNSS技術在變形監測中存在局限和不足，需要將GNSS技術和近景攝影測量和特殊變形測量技術進行結合，將不同監測方法的優勢發揮到最大化，提高大壩變形監測效率。將GNSS技術和INSAR技術進行集成，能夠實現對四維變形的整體動態的高精度監測。

②監測信息的反饋和自動報警技術。利用GNSS技術進行變形監測后需要將變形監測情況（包括監測區域和監測結果）發布在互聯網上，同時利用計算機技術生成變形過程（包括變形速度和預測）的圖表，能實時觀察到變形過程，并配合自動報警技術，當變形達到一定范圍后，自動報警裝置自動報警，使觀測人員能及時做出反應，降低損失。

③建立“3S”的實時在線分析系統。“3S”包括全球導航衛星系統 （Global Navigation Satellite System，GNSS）、 地理信息系統（Geographic Information System，GIS）和遙感技術（Remote Sense，RS）。隨著科學技術的飛速發展，“3S”技術已經開始相互集成融合。基于“3S”技術，對大壩進行在線實時變形監測，能夠自動的分析數據和處理數據，科學地預測變形的發展趨勢，能夠合理有效的降低和預防預防災害的發生。

3 結論

GNSS技術具有監測精度高、速度快、全天候測量和自動化監測等優勢，在大壩變形監測的實踐中取得很重要的成果，利用GNSS技術的自動化數據處理系統獲得精度高的測量數據，為建立自動化監測系統奠定了基礎。GNSS技術在實踐應用中仍然存在不足，需要將GNSS技術與其他監測技術集成在一起，建立監測信息反饋系統、自動報警系統和“3S”的實時在線分析系統，提高大壩的變形監測水平、監測精度和監測效率。本研究通過對大壩變形原因和變形監測現狀出發，分析了GNSS技術的優點和在大壩變形監測中的應用，發現在變形監測中的問題，提出GNSS技術在大壩變形監測中的發展趨勢，為以后的大壩變形監測具有指導意義，對保證大壩的安全運營具有重大作用。

參考文獻：

[1]胡友健，等.論GPS變形監測技術的現狀與發展趨勢.測繪科學，2006，31（5）：155-157.

[2]周山，文小兵，李陶，等.近景數字攝影測量及動態卡爾曼濾波在建筑物變形觀測中的應用[J].東北測繪，2000（3）：29-30.

[3]周碩愚，張躍剛，丁國瑜，等.依據GPS數據建立中國大陸板內塊體現時運動模型的初步研究[J].地震學報，2008，20（4）： 347-355.