基于區(qū)域定位的變形監(jiān)測(cè)方法探討

翟 思 慧

(北京市西城外國語學(xué)校，北京 100037)

變形監(jiān)測(cè)就是利用測(cè)量方法與專用儀器設(shè)備對(duì)關(guān)注對(duì)象的變形狀況進(jìn)行監(jiān)視和觀測(cè)，其主要工作內(nèi)容就是對(duì)監(jiān)測(cè)體的形態(tài)、位移、傾斜、撓度、裂縫、振動(dòng)和相關(guān)影響因素進(jìn)行測(cè)量，并開展變形分析與變形預(yù)報(bào)。變形監(jiān)測(cè)在預(yù)防重大自然災(zāi)害、檢驗(yàn)工程施工質(zhì)量、驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)、評(píng)估大型建筑的使用壽命等方面有著重要的技術(shù)支撐作用，已經(jīng)成為重大工程、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域強(qiáng)制實(shí)施的一項(xiàng)工作[1]。本文在分析現(xiàn)有測(cè)量手段的基礎(chǔ)上，提出了建立基于區(qū)域定位系統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方法。

1 變形監(jiān)測(cè)技術(shù)需求

變形監(jiān)測(cè)的主要任務(wù)是周期性地對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，以求得其在觀測(cè)周期內(nèi)的變化量。變形監(jiān)測(cè)的工作實(shí)質(zhì)是測(cè)量在一定范圍內(nèi)被監(jiān)測(cè)體的相對(duì)位置變化，準(zhǔn)確掌握變形體的變形特征和變形過程，如果測(cè)量結(jié)果超出一定的限值，則可能發(fā)生重大事故，就需要提前采取補(bǔ)救或者預(yù)防措施，通常大型建筑工程和易發(fā)生自然災(zāi)害地形的變化量要求測(cè)量精度應(yīng)小于允許變形值的1/10～1/20，要達(dá)到毫米量級(jí)[2]，主要是研究不同部位相對(duì)位置變化，而對(duì)于絕對(duì)定位或者整體變化情況反而沒有過高要求。

由此可以知道，變形監(jiān)測(cè)核心工作是監(jiān)測(cè)部位的定位測(cè)量，由于關(guān)注的重點(diǎn)是相對(duì)位置變化，因此只需建立區(qū)域獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，沒必要聯(lián)測(cè)到大地測(cè)量坐標(biāo)基準(zhǔn)[1]。

2 現(xiàn)有手段的局限性

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段，經(jīng)過長期的技術(shù)探索和經(jīng)驗(yàn)積累，逐漸形成多層次、多視角、多手段、自動(dòng)化的立體監(jiān)測(cè)體系。

以經(jīng)緯儀、測(cè)距儀和水準(zhǔn)儀為代表的進(jìn)行三角測(cè)量、導(dǎo)線測(cè)量和水準(zhǔn)測(cè)量等傳統(tǒng)作業(yè)手段的測(cè)量方法，技術(shù)與理論成熟，測(cè)量數(shù)據(jù)可靠，觀測(cè)費(fèi)用相對(duì)較低，但是所需的觀測(cè)時(shí)間長、勞動(dòng)強(qiáng)度大、對(duì)作業(yè)人員要求高，觀測(cè)精度受儀器設(shè)備測(cè)量精度、具體作業(yè)方法、觀測(cè)網(wǎng)布設(shè)、天氣等條件影響較多，不能自動(dòng)化觀測(cè)，需事后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算，在快速、實(shí)時(shí)、高精度等要求場(chǎng)合受到一定限制。

以RTS(自動(dòng)全站儀、測(cè)量機(jī)器人)為代表的現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，逐步取代以經(jīng)緯儀、全站儀為代表的常規(guī)測(cè)量技術(shù)，成為較為流行的地面監(jiān)測(cè)技術(shù)手段。但只是相對(duì)常規(guī)傳統(tǒng)測(cè)量手段提高了觀測(cè)與數(shù)據(jù)記錄的自動(dòng)化程度，其他方面并沒有實(shí)質(zhì)性的變化。

以測(cè)斜儀、分層沉降儀、光纖傳感器等為代表的專門觀測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化，但是所需保障條件相對(duì)較多，單一手段還不能解決變形監(jiān)測(cè)問題，只是對(duì)其他手段的補(bǔ)充與完善。

以GPS(全球定位系統(tǒng))、差分干涉合成孔徑雷達(dá)(D-InSAR)技術(shù)、攝影測(cè)量技術(shù)和機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)為代表空間對(duì)地形觀測(cè)技術(shù)，已經(jīng)得到發(fā)展和應(yīng)用，已實(shí)現(xiàn)了高精度和一定程度上的自動(dòng)化，但測(cè)量精度受地形影響大，在山區(qū)和建筑物內(nèi)部使用還受到很大限制[3,4]。

綜合以上一些常用的測(cè)量手段，要么作業(yè)效率低，監(jiān)測(cè)周期長，要么人力投入大，施工作業(yè)復(fù)雜，要么受地形影響，達(dá)不到預(yù)期的精度指標(biāo)，這些因素使得變形監(jiān)測(cè)成為作業(yè)復(fù)雜的測(cè)量工種。

隨著北斗、GPS和GOLNASS為主體衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)不斷完善和推廣應(yīng)用，人們對(duì)無線電定位技術(shù)進(jìn)行了多方面的研究，為實(shí)現(xiàn)無線電測(cè)量高精度測(cè)量奠定了深厚基礎(chǔ)，為變形監(jiān)測(cè)新方法手段提供了技術(shù)可能。

3 建立區(qū)域定位系統(tǒng)用于變形監(jiān)測(cè)的可行性

3.1 基本原理

根據(jù)監(jiān)測(cè)體地形或空間情況，按一定幾何關(guān)系布設(shè)一定數(shù)量(至少四個(gè))的信號(hào)發(fā)送基站，在待測(cè)量部位設(shè)置相應(yīng)的信號(hào)接收裝置(簡稱接收機(jī))，相應(yīng)位置關(guān)系如圖1所示。

當(dāng)接收機(jī)同時(shí)接收四個(gè)以上基站發(fā)出的信息，根據(jù)信息由基站到接收機(jī)的傳輸時(shí)間，分別計(jì)算出接收機(jī)至基站的距離：

ρ=c·Δt。

其中，Δt為傳播時(shí)間；c為光速。

由于基站的位置坐標(biāo)是事先精確測(cè)定的，則可以由基站與接收機(jī)構(gòu)成方程：

ρi=c·Δti=[(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2]1/2+c·ΔT。

上述的方程中待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)x，y，z和接收機(jī)與基站時(shí)鐘之間的時(shí)差ΔT為四個(gè)未知數(shù)，其中ρi分別為基站1，2，3，4到接收機(jī)之間的距離；xi，yi，zi分別為各基站的坐標(biāo)。顯而易見，只要構(gòu)成四個(gè)方程,就可以得到接收機(jī)的三維位置x,y,z和接收機(jī)與基站之間的鐘差ΔT。

由于監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍相對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)而言要小得多，電波信號(hào)傳輸距離相對(duì)星地距離也縮短很多，各種電波傳播的干擾因素少，各基站至接收機(jī)的傳播條件一致性較好，如果解決了時(shí)間同步問題，則在上述方程中就減少了一個(gè)未知數(shù)ΔT，那么1臺(tái)接收機(jī)只要同時(shí)接收來自3個(gè)基站的信息即可獲得相應(yīng)精度的定位結(jié)果。

由此可知，如果在各監(jiān)測(cè)部位布設(shè)一定數(shù)量的接收機(jī)，保證每臺(tái)接收機(jī)能夠至少接收到來自3個(gè)基站的信息，就可以得到各個(gè)接收機(jī)的精確位置，通過一定時(shí)期內(nèi)持續(xù)測(cè)量，就可得到各監(jiān)測(cè)部位相對(duì)位置變化情況，依此完成相應(yīng)的監(jiān)測(cè)任務(wù)。

3.2 需重點(diǎn)解決的技術(shù)問題

1)時(shí)間同步。

時(shí)間同步是無線電定位需要解決的重點(diǎn)問題，隨著技術(shù)進(jìn)步，如今已有多種成熟技術(shù)可用，如采取光纜通信網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一授時(shí)的辦法，國內(nèi)已經(jīng)達(dá)到骨干網(wǎng)傳輸250 km，閉環(huán)運(yùn)行24小時(shí)秒信號(hào)同步不確定度已經(jīng)達(dá)到0.1 ns和0.002 8 ns的時(shí)間穩(wěn)定度[5]，如果距離近，精度還可能進(jìn)一步提高；采用雙向授時(shí)的方法，可使系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)間同步精度，達(dá)到5 ns以內(nèi)。如果地形條件允許，也可以采用區(qū)域內(nèi)設(shè)備接收同一顆導(dǎo)航衛(wèi)星(北斗、GPS和GOLNASS等)的時(shí)間信息，衛(wèi)星共視法，時(shí)間精度儀距法可以達(dá)到3 ns～5 ns，載波相位共視可達(dá)到亞納秒量級(jí)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)時(shí)間同步[6]。由于只關(guān)注觀測(cè)部位相對(duì)位置變化，因此只要滿足區(qū)域內(nèi)時(shí)間同步，可不依托國家時(shí)間系統(tǒng)，只需自主建立區(qū)域時(shí)間系統(tǒng)，因而就不需要在系統(tǒng)設(shè)備中使用高精度的昂貴時(shí)頻設(shè)備，采用以上三種方法，都可以達(dá)到理想的精度。

2)傳輸信號(hào)、發(fā)射功率與工作頻率設(shè)置。

基站發(fā)送的信號(hào)主要包含本基站標(biāo)識(shí)與坐標(biāo)信息、時(shí)間信息，如果將基站坐標(biāo)信息內(nèi)置于接收機(jī)，則基站發(fā)送的信息將會(huì)更加簡化。由于是小區(qū)域內(nèi)工作，基站的發(fā)射功率就可以降低至滿足需要的程度，在不影響區(qū)域內(nèi)其他用頻用戶工作的情況下，工作頻率的選取會(huì)更加寬泛，無線電定位精度與波長有直接關(guān)系，為獲得更高測(cè)量精度，可以選取盡量高的工作頻率。

3)基站布站規(guī)則。

主要是按照基站和接收機(jī)構(gòu)成空間幾何圖形的圖形強(qiáng)度來衡量，就是空間幾何圖形的“幾何分布均勻性”，行業(yè)上通常用“PDOP”表示，PDOP值越小，定位精度就越高。通過科學(xué)設(shè)計(jì)基站位置，使基站和監(jiān)測(cè)點(diǎn)在空間上的幾何分布盡量均勻，可以構(gòu)成最優(yōu)的幾何圖形結(jié)構(gòu)，以達(dá)到理想的定位解算精度。

4 建立區(qū)域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

1)地理環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。該方法根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象靈活布站，不依托衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，能很好地解決衛(wèi)星信號(hào)遮擋或者信號(hào)接收條件不好的地形影響。

2)簡單易行。該方法測(cè)量精度高，可以達(dá)到毫米量級(jí)，數(shù)據(jù)處理與衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)通用方法相近，無需重大技術(shù)攻關(guān)。

3)技術(shù)成熟。該方法所涉及的基站設(shè)備與接收機(jī)技術(shù)成熟，國內(nèi)同類產(chǎn)品較多，無技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，數(shù)據(jù)處理軟件與導(dǎo)航定位軟件相似，無技術(shù)門檻。

4)自動(dòng)化程度高。可以建成無人值守狀態(tài)，可進(jìn)行常年監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果信息可由某一基站，通過北斗信息或電信、有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至管理終端，實(shí)現(xiàn)不間斷監(jiān)測(cè)。

[1] 岳建平.變形監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2016：1-5.

[2] 邱冬煒.變形監(jiān)測(cè)技術(shù)與工程應(yīng)用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2016：5-7.

[3] 衛(wèi)建東.現(xiàn)代變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展與展望[J].測(cè)繪科學(xué)，2007(6)：10-13.

[4] 陳敦云.變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用技術(shù)[J].福建地質(zhì)，2006(4)：18-20.

[5] 陳發(fā)喜.光纖時(shí)間傳遞工程應(yīng)用研究[A].第八屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)[C].2017.

[6] 郭美軍.一種基于偽距輔助載波相位共視時(shí)間傳遞方法[A].第八屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)[C].2017.