基于GPS大坝变形监测系统综述

1基于GPS大坝变形监测系统综述摘要：大坝安全关系到国家稳定和人民安全，对大坝的变形监测是十分必要的。GPS定位技术能实现高精度快速定位，且可二十四小时无人值守进行监测，对大坝变形监测精度能达到毫米级，适用于大坝变形监测。简要介绍了GPS定位的基本原理，简述变形监测的发展历程，对常规的GPS变形监测技术进行了较为深入的分析，并介绍了几种新型的GPS变形监测技术，最后对大坝变形监测技术作出了展望。关键词：GPS；变形监测；数据处理Abstract:Damsafetyisrelatedtothestabilityofthestateandthepeople'ssafety.GPSpositioningtechnologycanachievehighaccuracyandpositionveryfast,anditistwenty-fourhoursunattended.Theaccuracyofdamdeformationmonitoringcanreachmillimeterlevel,itissuitablefordamdeformationmonitoring.ThispaperbrieflyintroducesthebasicprincipleofGPSpositioning,introducesthedevelopmentofdeformationmonitoring,andanalyzestheconventionalGPSdeformationmonitoringtechnology,andintroducesseveralnewGPSdeformationmonitoringtechnology.Finallyitgivesaprospectofdamdeformationmonitoringtechnology.Keywords：GPS；Deformationmonitoring；Dataprocessing21.引言随着我国经济的发展，我国建立了许多水电大坝，建造了约十万座大中小型水坝【1】。大坝在我国国民经济中发挥了重要的作用，但由于大坝周围地质环境、大坝施工质量及老化等诸多原因的影响，大坝可能会出现形变，如果不能及时了解大坝安全情况，那么大坝下游的人民生命和财产安全将受到极大的威胁。例如，法国的马尔巴塞大坝突然失事造成了重大的财产损失及人员伤亡。1959年12月初，大坝附近连降大雨，致使大坝决堤失事，造成500余人死亡与失踪，财产损失300亿法郎。【2】因此，对大坝变形监测是十分必要的【3】。大坝变形监测可分为传统监测方法与GPS监测方法。传统的监测方法工作量较大、工作时间长，测量精度与对测量人员素质相关性大，且两个观测点之间必须通视。而利用GPS进行大坝变形监测具有十分明显的优势，GPS监测方法精度高，实时性好，可全天候测量，自动化程度较高，测站之间也无需通视，能有效地克服传统监测方法的缺点【4】。2.GPS定位基本原理GPS系统由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分三个部分组成。利用GPS进行定位通常有两种方法，即伪距测量值定位和载波相位测量值定位，其中，载波相位测量值定位方法具有更高的精度，因此在进行大坝变形监测时，利用的是载波相位测量值进行定位。利用差分GPS可以有效地减小GPS测量误差，因此大坝变形监测使用的是载波相位测量值差分定位原理。2.1GPS载波相位定位原理载波信号在其传播途径上的不同位置，在同一时刻有不同的相位值。如图2-1所示，S点为卫星信号的零相位点，S以后的点相位都是落后于S的，由于相位具有周期性，A点和B点相位值都落后于S点180°。其中，A点与S点距离为0.5λ，相应地，周长也具有周期性，B点与S点距离为(N+0.5)λ，N为未知的整数。3图2-1载波相位和测距码码相位由上述分析可知，假设得到GPS接收机R点的载波相位，与S点相位进行比较，就能够得出卫星到接收机的距离，但是所得的距离中包含N个波长的模糊度。以上就是利用载波相位差进行距离测量的基本思想，主要参考了参考文献【5】。2.2差分GPS原理若在同一区域有若干台不同的GPS接收机，则这些接收机的测量值中所包含的卫星时钟误差、卫星星历误差、电离层误差与对流层误差将高度相关。通常将其中某几个接收机作为基准站，基准站处接收机位置是精确可知的，接收机从卫星信号中可以得到卫星的坐标，于是可以求出卫星到接收机之间的真实距离。距离的测量值与真实距离之差就是对该卫星测量时的测量误差。在同一时刻、同一区域的其他接收机对这一卫星的距离测量值和基准站接收机对该卫星的距离测量值具有相关性。如图2-2所示，如果基准站将其接收机的测量误差播送给流动站，那么流动站就可以利用基准站测量误差来校正流动站对同一卫星的距离测量值，从而提高流动站接收机的测量精度和定位精度。这就是差分GPS的基本工作原理,主要来源于参考文献【5】。图2-2差分GPS工作原理3.变形监测系统简介GPS变形监测系统是高精度GPS定位技术和通信技术结合而成的精密测量系统。系统布置的一般做法如下：在稳固且便于接收GPS信号的区域里建立起几个基准站，在被监测大坝上的合适位置建立多个GPS监测站，精确计算出监测站的坐标，就可以实现对大坝的变形监测。监测系统主要由三个部分组成：a.数据采集部分。主要包括基准站和监测站。基准站的选址关系到整个系统的测量精度和可靠性，一般选在大坝两岸坚固的岩石上且地质条件优良稳固且满足GPS观测条件的位置；监测站选在能反映出大坝形变且能良好接收GPS信号的位置。b.数据传输部分。数据从基准站到数据处理中心使用无线传输，从监测站传输到数据处4理部分使用光纤传输。c.数据处理、分析及管理部分。这一部分主要是对基准站、监测站传回的数据进行处理，得到大坝的形变量，并作出初步的判断以供相关部门进行参考。4.国内外研究现状4.1变形监测发展历程文献【6】指出，进入20世纪以来，美国、法国、意大利等多个国家均发生过大坝崩塌事件，给相关国家和地区带来了极大的财产损失和人员伤亡。因此，世界各国均十分重视大坝的变形监测，如文献【7】应用小波变换和粒子群优化支持向量机模型对三峡库区七年内的监测数据进行分析，分析得出了坝体变形的几个因素；文献【8】研究了滑坡变形特征和破坏模式。它们的研究结果对于防止滑坡有一定的参考意义。变形监测经历了几个发展阶段：最初是人工进行变形监测，如水平位移监测、垂直位移监测等等，这样的监测方法基本能够满足监测精度要求，但人工方式耗时长、工作强度大，且受自然环境影响较大，例如在雨雪天气等情况下工作人员就难以开展测量工作；后来出现了以传感器、激光技术和全站仪为代表的自动化监测系统；在GPS应用到变形监测领域之后，其精度高、自动化程度高、可全天候监测等诸多优点使其获得了迅猛发展。文献【9】指出，GPS技术是变形监测技术史上的重大进步，现在已经成为了变形监测中十分常用的重要手段。4.2研究现状我国大约在20世纪90年代开始研究GPS变形监测，其中比较成功的例子有1998年隔河岩大坝变形监测系统。如文献【10】所述，隔河岩大坝外观变形监测系统由数据采集、数据传输和数据处理分析三个部分组成。数据采集由GPS1~GPS7共七个GPS站完成，其中GPS1和GPS2是大坝两岸的基准点，GPS3~GPS7是位于隔河岩大坝上的监测点，其概略位置如图4-1所示。图4-1基准站和监测站分布示意图为了验证GPS测量精度，文献【10】首先进行了模拟实验。实验结果表明，GPS测量精度与实际形变相差在1mm以内，即GPS能探测出毫米级的形变量，因此能够用于大坝变形监测。51998年长江流域特大洪水期间，利用了GPS对隔河岩大坝进行变形监测，文献得出结论：采用性能好的接收机及好的数据处理算法，GPS能在数小时之内以足够的灵敏度测得毫米级的变形，能够适用于大坝变形监测。文献【11】主要对隔河岩大坝变形监测所采集数据进行了分析和建模，文献中建立了大坝形变的数学模型，采用回归分析法对采集数据进行了分析，文献结论表明，对大坝形变模拟模型的短期拟合效果较好。隔河岩大坝变形监测方法是常规的GPS监测方法，国内外还有许多利用此类方法进行大坝变形监测的例子。文献【12】是对福建一大坝的监测，指出了监测系统的安装对于大坝安全的重要作用。文献【13】中徕卡公司与南京水科院利用全站仪和GPS系统结合起来测量大坝形变。文献【14】介绍了GPS应用于尾矿坝变形监测，结果表明，利用GPS进行变形监测比其他方法更加高效，且具有更为低廉的成本。文献【15】介绍了应用GNSS系统监测一个位于意大利的土石坝，首先验证了GNSS监测精度的可靠性，与水准仪测量结果进行了比较，最后实现了对大坝变形的毫米级监测。由于常规GPS测量方法存在一定的局限性，如成本比较高，在基准站不稳固的情况下测量精度不高等，近年来，不断有学者提出新颖的利用GPS进行变形监测的方法。文献【16】【17】【18】是利用一机多天线技术进行大坝变形监测。常规的GPS测量方法每一个监测点有一个GPS接收天线，每一个天线连接一个GPS接收机；利用GPS一机多天线技术，一台接收机可以同时连接多台天线，极大的节省了系统成本。且从文献【16】【17】【18】测量结果表明，使用一机多天线技术并不会影响系统监测精度。文献【19】介绍了全球定位系统（GPS）与合成孔径雷达干涉测量（InSAR）相结合进行大坝变形监测的方法，测量方法覆盖范围大、方便迅速，且成本低，具有较高的空间分辨率。文献【20】【21】介绍了基于GPS测量机器人的自动大坝变形监测系统，解决了基站不稳定情况下的监测精度问题，使得监测程序有所简化，且监测系统的成本得以降低。文献【22】提出了利用GPS和伪卫星组合定位方法在大坝变形监测中的应用，伪卫星能有效增强GPS卫星定位效果，提高系统的可靠性。6这些改进改善方法在一些大坝监测实例中已经得到了应用，都是针对常规GPS测量方法缺点的改进，它们也是未来大坝变形监测的研究热点。5.结语大坝的安全关系到国家和地区的稳定繁荣，不容忽视。GPS定位技术具有定位精度高、定位迅速、实时性好、误差不随定位时间积累等优点,其精度能够满足大坝变形监测的标准，十分适合大坝安全监测。近年来，国内外专家、学者对大坝变形监测提出了一些新的方法，如一机多天线监测系统，与合成孔径雷达联合监测，伪卫星技术辅助监测，测量机器人技术等等。这些新方法的提出说明大坝变形监测具有十分强的可研究性。未来将提出更加完善、精度更高的监测方法，以确保大坝安全。参考文献【1】吴中如.高新测控技术在水利水电工程中的应用.水利水运学报[J].2001(1),13-21.【2】兰孝奇.GPS精密变形监测数据处理方法及其研究[D].南京:河海大学水利水电学院.2005.【3】王晓霞,王海龙.浅谈大坝安全检测[J].2013(7):87.【4】陶杰,罗小宝.GPS在变形监测中的技术及其相关应用[J].2015(5):145.【5】谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京:电子工业出版社,2009:72-73,90.【6】李红连,黄丁发.大坝变形监测的研究现状与发展趋势[J].中国农村水利水电，2006(2):89-90,93.【7】FuRen,XuelingWu,KaixiangZhang.Applicationofwaveletanalysisandaparticleswarm-optimizedsupportvectormachinetopredictthedisplacementoftheShupinglandslideintheThreeGorges,China[J].EnvironmentEarthScience,2014(19):4791-4804.【8】XinliHu,MingZhang,Miaojun7Sun.DeformationharacteristicsandfailuremodeoftheZhujiadianlandslideintheThreeGorgesReservoir,China[J