论GPS变形监测技术的现状与发展趋势

第31卷第5期2006年9月测绘科学Sc i ence o f Survey ing and M app i ngV o l 31N o 5Sep作者简介:胡友健(1960 ),男,工学博士,教授,现主要从事GPS 技术在工程与灾害监测中的应用研究;近3年内主编《全球定位系统(GPS )原理与应用》,发表论文10余篇。

E m a i:l huyouji an @cug edu cn收稿日期:2005 11 16基金项目:中国地质大学留学回国人员科研基金项目资助(CUGLX0505082)论GPS 变形监测技术的现状与发展趋势胡友健①,梁新美①,许成功②(①中国地质大学工程学院,武汉 430074;②郑州经济管理干部学院,郑州 450000)【摘 要】全球定位系统GPS ,以其连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点,在变形监测中的应用越来越广泛。

然而,目前GPS 在变形监测方面的应用也存在不足和局限性。

本文首先对常规大地测量技术、特殊变形测量手段、摄影测量技术和GPS 技术用于变形监测的现状及其特点进行总结,然后对目前GPS 用于变形监测的模式、数据处理方法及其存在的问题作一介绍和分析,最后探讨G PS 变形监测技术的发展趋势。

【关键词】GPS ;变形监测;应用现状;发展趋势【中图分类号】P228;P258 【文献标识码】A 【文章编号】1009 2307(2006)05 0155 031 引言现实世界中许多灾害的发生与变形有着极为密切的联系,例如地震、溃坝、滑坡以及桥梁的垮塌等等,都是典型的变形破坏现象。

因而,变形监测研究在国内外受到了广泛的重视。

随着各种大型建筑的大量涌现以及滑坡等地质灾害的频繁发生,变形监测研究的重要性更加突出,推动着变形监测理论和技术方法的迅速发展。

目前,变形监测正向多门学科交叉联合的边缘学科方向发展,成为相关学科的研究人员合作研究的领域。

已有的研究工作涉及地壳形变、滑坡、大坝、桥梁、隧道、高层建筑、结构工程及矿区地面变形等。

随着科学技术的进步和对变形监测要求的不断提高,变形监测技术也在不断地向前发展。

全球定位系统G PS 作为20世纪的一项高新技术,由于具有定位速度快、全天候、自动化、测站之间无需通视、可同时测定点的三位坐标及精度高等特点,对经典大地测量以及地球动力学研究的诸多方面产生了极其深刻的影响,在工程及灾害监测中的应用也越来越广泛。

然而,目前G PS 在变形监测方面的应用也存在不足和局限性。

本文首先对常规大地测量技术、特殊变形测量手段、摄影测量技术和GPS 技术用于变形监测的现状及其特点进行总结,然后对目前GPS 用于变形监测的模式、数据处理方法及其存在的问题作一介绍和分析,并探讨其发展趋势。

2 变形监测技术概述变形监测技术包括常规大地测量技术、特殊变形测量技术、摄影测量技术和GPS 技术。

在20世纪80年代以前,变形监测主要是采用常规大地测量和某些特殊测量技术。

常规大地测量,是采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值,其优点是:①能够提供变形体整体的变形状态;②适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境;③可以提供绝对变形信息。

但外业工作量大,布点受地形条件影响,不易实现自动化监测。

特殊测量手段包括应变测量、准直测量和倾斜测量,它具有测量过程简单、可监测变形体内部的变形、容易实现自动化监测等优点,但通常只能提供局部的和相对的变形信息。

摄影测量技术包括地面摄影测量技术和航空摄影测量技术。

近10余年来,近景摄影测量在隧道、桥梁、大坝、滑坡、结构工程及高层建筑变形监测等方面得到了应用,其监测精度可达到mm 级[1,2]。

与其他变形监测技术相比较,近景摄影测量的优点是:①可在瞬间精确记录下被摄物体的信息及点位关系;②可用于规则、不规则或不可接触物体的变形监测;③相片上的信息丰富、客观而又可长期保存,有利于进行变形的对比分析;④监测工作简便、快速、安全。

近几年发展起来的数字摄影测量技术,也在建筑物及滑坡等变形监测中得到了成功的应用[3,4],并显示出良好的应用前景。

此外,空中摄影测量技术亦在较大范围的地面变形监测中得到了应用[5]。

但由于摄影距离不能过远,且大多数的测量部门不具备摄影测量所需的仪器设备,摄影测量技术在变形监测中的应用尚不普及。

G PS 技术的应用给测量技术带来了一场深刻的革命。

据资料介绍,国外从20世纪80年代开始用GPS 进行变形监测[6]。

从90年代以来,世界上许多国家纷纷布设地壳运动G PS 监测网,为地球动力学研究和地震与火山喷发预报服务。

例如,日本国土地理院从1993年开始了GPS 连续观测网的筹建工作,到1994年日本列岛已建立由210个GPS 连续观测站组成的连续监测系统(CO S MO S),目前的观测站总数已发展到1000多个[7]。

该系统于1994年10月1日正式起用,10月4日就监测到北海道东部近海8 1级大地震,并清晰地记录了地震前后的地壳形变。

此后,又成功地捕捉到三陆远海地震及兵库县南部地震的地壳形变。

1995年1月17日,在日本阪神7 2级大地震后,该系统在进行快速、准确、精细地监测与分析地壳运动方面起到了很大的作用。

G PS 技术是监测地壳形变和板块运动的有效手段。

我国在利用G PS 进行地壳形变监测方面起步较早。

从1990年开始,先后建立了多个全国性的GPS 监测网(包括中国地壳运动观测网络、国家GPS A 级网等)和主要活动带的区域性G PS 监测网(包括青藏和喜马拉雅山地区、川滇地区、河西和阿尔金地区、新疆和塔里木地区、华北地区和福建沿海地区的G PS 监测网等),进行了多期的复测和连续观测,并利用这些资料首次建立了定量的中国大陆及其周围地区地壳运动的速度场,给出了中国大陆地壳水平运动的基本特征,得到了中国地壳水平运动呈现明显的非均匀性,西强东弱,西部地区的地壳运动受印度板块强烈冲击呈现南北向缩短、东西向伸展、有明显块体特点等重要结论[8 11]。

在大坝外观变形监测方面,已成功地建立G PS 自动化监测系统。

我国在青江隔河岩大坝建立的GPS 自动化变形监测系统,由数据采集、数据传输、数据处理与分析3大部分组成[12]。

数据传输部分及时准确地传输观测资料及有关信息(观测值、卫星星历)到控制中心,也能在总控室中对各接收机进行遥控(譬如:开机、关机、改时段长度、设置采样率、截止高度角等参数)。

数据处理及管理部分主要由总控软件、数据自动处理软件、自动变形分析软件和数据库管理等部分组成。

该系统曾在1998年长江抗洪中发挥了重要作用。

在GPS用于滑坡变形监测方面,D i ng X L于1999年提出了一机多天线的思想并成功研制了一机多天线G PS变形监测系统[13],它不改变目前已有的GPS接收机的结构,而通过一个附加的G PS信号分时器来实现一机多天线。

这一思想在设计上是多天线阵列与接收机的连接使用一个时分单通连接开关,即GPS多天线转换开关GM S(GPS M u lti antenna S w itch),它能与任意多个GPS天线相连。

实践证明,采用一机多天线GPS系统,不仅可大大节省硬件设备费用的投入,而且能够有效地应用于滑坡和大坝等局部变形监测[14,15]。

3 GPS变形监测及其存在的问题3 1 GPS变形监测模式G PS用于变形监测的作业方式可分为周期性和连续性两种模式(Ep i sod i c and Conti nuousM ode)。

3 1 1 周期性监测模式当形变体的变形速率相当缓慢(如地壳运动,处于缓慢变形阶段的滑坡体位移等),在局部时间域和空间域内可以认为稳定不动时,可利用GPS进行周期性变形监测,监测频率视具体情况可为数月、一年或甚至数年之久。

此时采用G PS静态相对定位方法测量,将2台以上G PS接收机安置在观测点上同步观测一段时间,观测时段长度和时段个数依监测精度的要求而定。

一般采用边连接方式构成监测网,数据处理与分析在事后进行,用后处理软件进行基线解算,经过平差计算求得观测点的三维坐标。

这种方法尤其适用于长边监测网,边长相对精度可高达10-9。

3 1 2 连续性监测模式连续性变形监测指的是采用固定监测仪器进行长时间的数据采集,获得变形数据系列,此时监测数据是连续的,具有较高的时间分辨率。

根据变形体的不同特征,GPS连续性监测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测,一般要求变形响应的实时性。

例如,大坝在超水位蓄洪时,必须时刻监视其变形状况,要求监测系统具有实时的数据传输和数据处理与分析能力。

对于桥梁的静动载试验和高层建筑物的振动测量等,其监测的主要目的在于获取变形信息及其特性,数据处理与分析可以在事后进行。

对于建在活动的滑坡体上的城区、厂房,需要实时了解其变化状态,以便及时采取措施,保证人民生命财产的安全,可采用全天候实时监测方法,即建立G PS自动化监测系统。

系统的精度可按要求设定,目前最高监测精度可达到亚毫米级。

系统的响应速度快,从控制中心敲击键盘开始,几分钟内可以了解到监测点位置的实时变化情况。

在动态监测方面,过去一般采用加速度计、激光干涉仪等测量设备测定建筑结构的振动特性,但是,随着建筑物高度的增加,以及对监测工作的连续性、实时性和自动化程度的要求的提高,常规测量技术已越来越受到局限。

GPS作为一种新方法,随着其硬件和软件的发展与完善,在大型结构物动态特性和变形监测方面已显示出独特的优越性。

近几年来,国内外利用G PS在这方面进行了一些试验研究工作。

例如,利用GPS技术对加拿大卡尔加里(Calgary)塔在强风作用下的结构动态变形进行了测定;国内对一些大跨度悬索桥和斜拉桥(如广东虎门大桥)已尝试安装GPS实时动态监测系统,深圳帝王大厦的风力振动特性采用了GPS进行测量[16]。

为了获得监测对象的动态特征,需要进行连续的、高频率的数据采样。

高采样率卫星接收机(20H z、10H z、5H z)的出现,使之成为研究各种工程建(构)筑物的动态变形特征的新方法。

3 2 GPS数据处理方法G PS变形监测网的基线解算和平差计算,目前一般是采用瑞士BERNESE大学研制开发的BERNESE软件[17]或美国麻省理工学院研制开发的GAM IT/GLO B K软件[18]和I G S精密星历[19]。

BERNESE和GAM I T/GLOBK软件均为科研用途的高精度GPS数据处理软件,其数据处理分为两个主要方面:一是对G PS原始数据进行处理后获得同步观测网的基线解;二是对各同步观测网的解进行整体平差和分析,获得G PS网的整体解。

数据处理的重点都在于对同步网的基线处理,而在网的平差分析方面,特别是多个子网的系统误差分析、粗差分析及随机误差处理方面,目前还没有很理想的方法。