GPS技術與數據處理在水利工程變形監測中的研究

董 雪 亮(山西省水利水電勘測設計研究院，太原 030024)

0 引 言

水利水電工程是國民經濟發展中的重要的基礎設施，隨著我國經濟的跨越式發展，以三峽工程為代表的我國水利水電建設項目取得了顯著的成就，大型水利水電項目投資大，周期長，社會效益十分顯著，確保水利水電工程的安全運營，不但是保障經濟建設平穩發展的重要舉措，也肩負著保證下游和兩岸人民生命、財產安全重要職責。對水利水電工程進行及時、有效的監測，為施工、設計、運營部門提供科學、可靠的變形監測數據是提高水利水電工程建設、運營、管理水平的重要手段。堤壩、邊坡是水利水電工程變形監測的重要內容，監測周期貫穿整個工程運營階段，監測精度一般要求毫米、亞毫米，選用合理、高效的監測手段可以極大地提高工作效率，提高監測精度。

變形監測的3大工作內容包括：①監測精度指標的確定；②監測手段的確定與實施；③監測數據的處理和安全狀況的分析、預警。其中的核心問題是監測數據真實值的獲取和監測體允許變形值的確定，監測精度指標一般取允許變形值的1/10～1/20[1]。

GPS技術作為現代測繪技術的代表，依靠作業方便、受限情況少、自動化程度高等特點，在工程變形監測中得到了廣泛的應用。水利水電工程以其監測周期長、精度要求高等特點，對GPS觀測數據的處理也提出了特殊的要求。

1 GPS觀測數據處理技術與分析現狀

GPS觀測獲取的數據受各種誤差的影響較為嚴重，在變形觀測中無論采用動態監測、連續監測還是定期監測，都必須依靠科學合理的數據處理方法從監測數據中獲取變形信息。在GPS數據處理中常用到的是載波相位差分技術，該技術的優點是利用差分技術削弱部分相關誤差的影響，但對于整周模糊度的求解、周跳的探測與剔除、減小殘余系統誤差仍然不是十分理想。

在靜態定位中，整周模糊度的求解依賴于衛星幾何圖形的合理度，故可以通過延長觀測時間的方法解決，但該方法需要較長的觀測時間，工作效率較低。經過國內外專家多年的研究，模糊度搜索法(LAMBDA)、周模糊度的在航求解(AROF或OTF)等方法在GPS精確定位中的到了廣泛的應用。

周跳是提高載波相位觀測定位精度的一個限制因素，也是其特有的問題，主要是受整周模糊度和接收機位置參數的影響。偽距與相位組合、高次差法、多項式擬合法等方法在現有的GPS數據處理軟件中都得到了大量的應用[2]。由于周跳發生的隨機性和偶然性，簡單的利用一種方法處理往往不能很好地解決問題，通過多種方法的綜合應用，才能較好地發現和處理周跳的影響。

2 GPS變形監測數據處理技術與分析現狀

變形監測數據中除了含有有用的重復觀測數據外，還含有大量的誤差信息，“去偽存真”是變形監測的重要工作。針對變形監測的特點，通常監測數據處理分為2部分，即變形監測控制網數據處理與變形監測數據序列處理。控制網數據處理重點在于監測網網型的優化設計、觀測數據平差計算以及變形分析；變形監測數據序列處理重點在于同一個監測點上的多期監測數據結合工程設計的要求對變形作出解釋與預報。

2.1 變形監測控制網的處理

變形監測的目的是通過分期重復觀測獲取觀測點的位移信息，分期觀測的方法通常采用靜態相對定位模型進行，獲取基線向量，解算觀測網的每期成果及精度指標，通過統計分析的方法確定點位變形量。由于觀測數據的獲取需要采用多期觀測的方法，所以各期觀測基準的一致性和穩定性十分重要。GPS監測網與常規檢測網一樣，通過選取與實際變形一致的基準和平差模型來完成檢測網的解算，國內外專家對GPS變形監測網的研究基本沒有給出統一的平差模型。

2.2 變形監測數據序列處理

變形監測數據序列處理通常用到的方法有統計分析法、確定函數法、時間序列分析、卡爾曼濾波、頻譜分析等方法，研究表明，單一的利用一個固定的模型處理數據序列，不能有效分離不利影響帶來的結果，根據影響的規律，建立相應的模型才能得到較好的分析結果。

3 GPS變形監測網優化設計

基準的設計與統一是控制網優化設計的首要任務，在控制網數據處理上，基準問題表現為建立合適的平差模型(基準方程)。利用相鄰兩組觀測數據在“相同的基準”下平差，2次平差結果的差即可作為變形分析的變形量，這里的“相同基準”通常情況下為“相似基準”。利用穩健估計方法，實現變形監測網的基準選擇，采用布沙爾七參數模型作為相互轉換模型，從而分析判斷基準的穩定性，是選擇統一基準的有效手段。

平均間隙法是監測網中基準點的選擇方法，當認為監測網中各點穩定程度相同的情況下，利用自由網平差的方法解算。由于監測網中各點的形變速率各不相同，根據經驗及設計信息，可以采用擬穩平差的方法計算。若2期數據基準點穩定，則認為基準點之間剔除系統誤差和粗差后僅有偶然誤差，兩者之間通過平移、旋轉、尺度3類因子，可以建立相互轉換關系，基于穩健坐標轉換的基準選擇方法就是在此基礎上提出的。首先對每次觀測的數據依據自由網平差的方法計算各期坐標值，然后對每2期數據利用帶穩健估計的七參數模型轉換，通過選權迭代確定穩定的基準點組。該方法可以歸結為坐標變換參數的最小二乘估計，但該方法是建立在觀測誤差均值為正態分布的基礎上，當觀測誤差不能正態分布時最小二乘法的最優性會受到嚴重的影響，而利用具有抗粗差能力的最小二乘穩健估計法能夠較好地克服這一缺陷。

4 利用小波變換探測GPS周跳

GPS測量容易受對流層、多路徑效應、電離層折射、鐘差等因素的影響，從而使觀測值含有各類誤差，嚴重影響基線解算的精度。通過平差過程中參數的合理調整以及差分處理，可以極大地消除系統誤差的影響；通過隨機模型的優化，可以消除和減弱偶然誤差的影響。GPS周跳是GPS觀測中主要的粗差來源，也是提高定位精度的一個限制因素，未被檢測到的周跳主要影響整周模糊度及接收機位置參數的改正數，因此周跳的探測是監測網解算的重要條件。

周跳的繼承性是周跳的主要特征之一。載波相位觀測值隨時間的變化，表現為一連續光滑的曲線，但由于周跳的影響，會破壞曲線的光滑度，從發生周跳開始，以后所有的觀測值多會表現出相同的周跳。衛星信號的暫時失鎖是GPS周跳產生的主要原因，大的周跳可以通過高次差等方法處理，但是小的周跳會被噪聲掩蓋，小波變化方法是一種高效的濾波和去噪方法，該方法可以有效地從觀測數據中分離和修復周跳數據。

由于偶然誤差和系統誤差的影響，利用小波變化技術直接處理GPS原始觀測數據往往效果不佳。通過實驗證明，在原始觀測序列中加入1γ、2γ、3γ(γ=0.1周)的周跳值時，利用原始序列無法達到周跳探測的目的。主要原因是收到電離層、對流層、鐘差、多路徑效應等誤差的影響。利用差分技術有效消除以上誤差后，再利用小波變換技術處理觀測序列，效果十分明顯。

5 結 語

在GPS變形監測中，受多種誤差的綜合影響，導致定位精度降低，分析和研究誤差的來源及影響規律是提高GPS變形監測網的重要手段和方法。要求2期數據必須有統一的基準是變形監測網與控制網數據解算上的鮮明特征，同時GPS周跳是影響觀測精度的重要因素。本文通過分析變形監測網的不同觀測元素及質量指標，得出了變形監測網平差的獨特模型，避免了系統誤差引入變形量中，提高了變形分析的可靠性；通過穩健估計法，實現了2期基準的統一，提高了不穩定點的發現效率；通過GPS周跳的探測和剔除，極大地提高了監測網的觀測精度。

□

[1] 岳東杰. 水利水電工程變形監測中GPS技術與數據處理研究[D]. 南京:河海大學,2006.

[2] 李淑慧,劉經南. 整周模糊度搜索方法的效率比較和分析[J]. 測繪通報, 2003,(10):1-3.