水库及水电站GPS大坝变形监测及数据处理方案研究
摘 要：通过大坝外观变形模拟和GPS监测试验验证了GPS大坝变形监测的实际能力，给出了可行的数据处理措施及注意的一些问题，最后指出只要选用良好的仪器设备并进行科学合理的观测和数据处理，GPS技术可用于大坝变形监测领域。
关键词：GPS 大坝变形监测 变形模拟 监测试验 数据处理方案
1 引言
水库或水电站的大坝在水负荷作用下会产生变形，当变形过大时，大坝将处于疲劳状态，严重时会有溃坝的危险，近年来随着西部大开发战略的逐步实施，我国大中型水利水电工程和高坝越来越多，大坝及库区滑坡的变形监测不仅关系到工程自身的安危，更关系到下游人民的生命、财产安全，进行大坝变形监测具有非常重要的意义。与经典变形监测技术相比，GPS变形监测技术不仅具有全天侯、高精度、高效益等众多优点，更有助于实现自动化监测，我国报道的清江隔河岩大坝的GPS自动化监测系统所监测的测点精度已达水平分量1.0 mm，垂直分量1.5mm(1～2h解), GPS一机多天线监测系统的先期试验也表明GPS大坝变形监测具有很好的应用前景,而GPS测高技术更在煤矿地表沉陷监测及边坡或滑坡变形监测中具有广阔的应用潜力。然而，GPS定位精度与基线边长、时段长度、仪器性能、多径干扰、卫星星历、电离层延迟、对流层延迟、天线相位中心变化、基线解算以及网平差等众多因素有关，GPS变形监测数据处理中不仅要提高其内符合精度，更要提高其外符合精度（外符合精度才是其真正的变形监测能力）。为了深入了解GPS在大坝和滑坡等变形监测中的应用潜力，切实掌握GPS变形监测和数据处理中必需采取的一些技术措施，特进行了本次GPS大坝变形监测模拟试验和数据处理方案研究。
2 试验目的
本次模拟试验主要研究以下问题：
1）大坝变形监测应用中，GPS基准点距GPS监测点有可能达几公里之遥，多长的观测时段才能保证几公里长的GPS基线能发现1～2mm的监测点的变形？
2）大坝多位于峡谷之中，在较高的卫星截止高度角下，应选择多长的观测时段？
3）大坝基准点与大坝监测点的水汽环境通会有较大差异（特别在泻洪时期），GPS基线解算过程中多长时间引入一个对流层湿延迟参数才较为合适？
4）GPS广播星历难以满足GPS精密形变监测的需要，使用IGR精密星历进行轨道外推或使用IGU精密星历时需注意哪些问题。
3 模拟试验网的构成及实施
图1 GPS模拟变形监测网及位移监测点的基座
基于上述目的，设计构建了由4个点构成的GPS模拟变形监测网，其中JC01、JC02、JC03为基准点，JC04为模拟位移监测点，所有点均为楼顶墩标，墩标顶部均安置强制对中盘（盘的四周用罗盘标定有东南西北方向），在模拟位移监测点上安装带有游标卡尺的特制基座，以使GPS天线可在此基座上平移（移动量读至0.02mm，精度可达0.1mm）。在第一时段将JC04安置于零刻读，在第二、三时段则模拟大坝变形，将其向正北方向分别移动2.0mm和5.0mm，对应编号分别为JC14和JC24。通过比较GPS监测的变形值与所移动的变形真值即可评定GPS变形监测的实际能力。该试验网的网图及基座见图1。
本试验网于2004年12月11日至13日进行了外业施测，观测仪器为4台Ashtech Z-X双频GPS接收机，天线类型为ASH701975.01，每天各观测一个时段（12月11日为1:00～13:00；12月12日为5:00～17:00；12月13日为1:00～13:00），各时段的采样间隔均为30s,卫星截止高度角均为10º，观测期间天气晴朗无风，观测环境优良。
4 GPS试验网的数据处理
4.1 基线解算软件及网平差软件
基线解算采用美国麻省理工学院和Scripps研究所共同开发的GAMIT（Ver10.02）、瑞士伯尔尼大学研制的Bernese（Ver 4.2）以及美国泰雷兹公司的Solution（Ver2.60）等软件按双差基线解模式进行。网平差采用武汉测绘科技大学的PowerAdj软件。
4.2 基准网点的平面坐标计算
首先将JC01与我国的IGS站：BJFS、KUNM和URUM进行了三天的联测，由IGS最终精密星历用Bernese软件解算出了JC01的精密地心坐标；然后用JC01的精密地心坐标由IGS最终精密星历用Bernese软件解算JC02和JC03的精密地心坐标的三天平均值。在与IGS站进行长基线联测时，采用的是消电离层影响的相位组合观测值（即），每两小时引入一个对流层湿延迟改正参数，双差模糊度解算措施采用QIF，截止高度角取10º；在小基准网的基线解算时采用的也是，但每四小时引入一个对流层湿延迟改正参数，双差模糊度解算改用SIGMA，截止高度角改取15º。最后将基准点的地心坐标高斯投影到地方坐标系即可得到基准网点的平面坐标（其平面坐标精度均优于0.2mm）。地方坐标系取中央子午线103º37´，投影面大地高取为4个点的GPS大地高的近似平均值（720m），参考椭球由WGS-84椭球膨胀得到（其扁率与WGS-84椭球相同，椭球面过测区平均高程面）。
4.3 GPS变形监测试验
4.3.1 GPS变形监测的能力及精度指标
利用基准网的精密地心坐标，用IGS最终精密星历和GAMIT软件按自动处理模式，分别解算了3个时段共9条变形监测基线，解算时采用消电离层影响的组合观测值按双差固定解进行，不估计对流层参数，只解算基线不进行定位定轨，截止高度角设为20º，解算后得到各时段的Q文件（其中nrms均小于0.3）。最后提取Q文件中的基线向量及其方差-协方差并输出成GeoNas软件所需要的solution.asc文件即可进行无约束平差和约束平差。用三个基准点对各时段进行约束平差后，得到的三天的变形监测点的坐标如下表1所示（PowerAdj的平差结果与此相同）。由表1可见，经过10个多小时的静态观测和数据处理，GPS变形监测值与位移真值的差异均小于mm，说明GPS确实具有监测1mm变形信息的能力。而根据《混凝土坝安全监测技术规范》之要求：即大坝坝顶水平位移的径向位移量中误差应2mm、切向位移量中误差应1mm，可知变形监测点的单次测量坐标中误差应为: 径向1.4mm、切向0.7mm。为了留有一定的精度富裕，本试验拟采用dx1.0mm，dy1.0mm作为GPS大坝变形监测的精度指标并进行施测方案的可行性研究（具体应用中可通过合理的基准网网形设计将切向误差控制在0.7mm之内）。
注：表中JC14和JC24的北向位移真值分别为2mm和5mm, 东西向位移真值均为0。
4.3.2 截止高度角的比较
分别选用15º，20º，25º截止高度角对各天的观测时段进行了计算，除截止高度角有所差异外，其它解算参数同4.3.1。算得的不同截止高度角下的监测结果如下表2。
由表2可见，随着高度角的增加，平面监测精度会有所提高，但考虑到截止高度角过高时观测数据会相应减少，因而在真正的大坝变形监测应用中，建议采用20º的截止高度角进行数据处理。
4.3.3 观测时段长度的比较
选择模拟网各时段的前2小时、前3小时和前6小时进行不同观测时段长度的对比计算（解算方案同4.3.1），算得的不同时段长度对监测结果如下表3。
由表3可见，监测精度会随时段长度增长而有所提高，但2小时的观测基本上没有太多精度富裕，3小时的静态双频GPS观测才有可能保证达到1.0mm的精度需求。
4.3.4 对流层延迟参数的估计问题
本次模拟试验网的GPS基线长均小于2km，在对2～3小时的GPS观测时段进行计算时发现：不进行对流层延迟参数估计所得到的平面监测精度要优于进行对流层延迟参数估计的结果（这与基线较短，观测期间基线两端的测站对流层环境无太大差异且存在较强的相关性有关）。但在实际工程应用中，特别是基线加长，基线两端的测站对流层环境差异较大时，建议应进行对流层延迟参数估计，具体水汽环境差异对大坝变形监测的影响究竟如何尚需另行试验测试。
4.3.5 精密星历的使用问题
目前，GPS卫星播发的广播星历的星历精度基本上在10m左右，由此星历误差引起的基线相对误差仍将高达1～2ppm，因而GPS大坝变形监测应用中不能使用此广播星历而必须使用精密星历。国际GNSS服务组织（即IGS）目前通过Internet发布有三种免费精密星历：即最终星历（IGF）、快速星历（IGR）和超快星历（IGU）。其中，最终星历的精度最高（优于5cm）,但其要在13天以后才能得到，因而其在实时大坝变形监测应用中难以使用；快速星历的精度虽然比最终星历有所降低（位置精度优于10cm），但其时延降为17h，对其进行轨道外推后所得到的外推轨道的精度基本上能控制在0.5m之内，完全可以满足大坝变形监测的需要；此外，超快星历的更新率更高，为6h,每天UTC时间的3:00,9:00,15:00和21:00各发布1次，超快星历文件中共包括48h的轨道信息，前24小时的轨道信息是利用IGS跟踪站的观测资料计算得到的真实轨道（精度在10cm之内），后24小时的轨道信息是外推预报的结果（其精度在20～50cm之间，与IGR外推轨道的精度基本相当），也能满足大坝变形监测的需要。但值得注意的是无论IGR轨道外推还是IGU中的外推轨道都是预报轨道，其与卫星的真实运行情况会有所差异，在具体应用中应特别注意及时对异常卫星和不健康卫星进行探测和处理（如剔除异常卫星或对不健康卫星进行降权处理等）。
5 结论与建议
（1）GPS大坝监测精度会随时段长度的增加而提高，使用精密星历和3小时的静态双频观测就能发现1.0mm的平面变形；
（2）当将截止高度角分别设为15º，20º和25º时，GPS平面监测精度会随截止高度角的增加有所提高，但考虑到低高度角时的多径干扰大，观测精度低，而高截止高度角又意味着观测数据的减少，因而在大坝变形监测数据处理中，建议采用20º的卫星截止高度角；
（3）基线较短且观测时段在2～3h时，如果基线两端的测站对流层环境差异不大，可以不估计对流层延迟改正参数；
（4）GPS实时大坝变形监测应用中不能使用广播星历而必须使用IGU或IGR外推星历，但在具体应用中应及时对异常卫星和不健康卫星进行探测和处理。
总之，只要选用良好的仪器设备和科学合理的观测处理方案，GPS静态定位技术应用于大坝变形监测是完全可行的。