徕卡GPS静态测量在小浪底变形监测中的应用

徕卡新技术应用专栏

徕卡GPS静态测量在小浪底变形监测中的应用

河南省测绘局󰀁贺󰀁奕

3.使用GPS技术代替常规测量的必要性与可行性全球定位系统GPS技术的迅猛发展,定位精度的不断提高,为我们利用GPS进行变形监测的方法提供了技术上的可能。经多方论证、咨询,GPS定位精度完全能满足小浪底大坝变形观测精度要求,因此我局于1997年引进了高精度的徕卡350型GPS接收机,随着测绘仪器的发展,又逐步引进了徕卡500型、1200型、1200双星双系统型GPS接收机。结合小浪底大坝施工情况,我们对GPS在小浪底大坝变形观测中替代常规方法进行了探讨,布设了GPS基准网,并与常规方法一起对大坝建成的上游坡条视准线进行同步观测,对比分析。󰀁󰀁一、小浪底水利枢纽工程大坝变形

观测设计方案

󰀁󰀁1.工程概况小浪底水利枢纽工程位于黄河干流最后一个峡谷出口,上游距三门峡水利枢纽130km,下游距郑州花园口128km,是惟一能在黄河下游取得较大库容的控制性工程。枢纽建成后,能有效地控制黄河泥沙,减少下游淤积,提高下游的防洪标准。小浪底水利枢纽大坝为壤土斜心墙堆石坝,最大坝高154m,坝顶长1667m,坝顶宽12m,最大底宽800m。2.主坝外部变形观测设计方案为了监测主坝的外部变形情况,在坝顶及上下游坝坡上共布设了15条视准线,工作基点24个(其中基岩标7个),表面位移标点145个,见图1。原设计方案中,工作基点的基准值是由三个倒垂装置(3#,15#,44#)配合外部变形观测控制网进行检测的,由于倒垂施工困难,投资过高,量程难以满足变形要求,经专家咨询讨论并经水规院批准取消了倒垂装置,改为常规测量与GPS技术相结合的方法定期检测工作基点的基准值,或者利用GPS技术直接测定全部表面标点的水平位移与垂直沉陷位移变化。主坝的垂直位移(沉陷)基准点埋设在坝下游11km处(大沟河),为洞室恒温双金属钢管标。在工作基点观测墩底座上均埋设有水准标志,并作为各条视准线位移标沉陷观测的高程基准点。水平位移及垂直位移观测方法及精度要求均按󰀁土石坝安全监测技术规范󰀁要求执行。󰀁󰀁二、小浪底GPS变形监测试验基准网

的选择与建立

󰀁󰀁为了检验GPS观测精度、可靠性,取得高精度的变形观测基准值,同时引入精确的WGS84地心坐标,减小由于基准点的坐标误差带来的尺度影响,布设了实验基准网。对于变形监测试验基准网的布设形式、观测方案等,我们参考了清江隔河岩GPS变形监测方案,并通过国际互联网查阅了美国SouthernCalifornia的一个大坝(PacoimaDam)的变形监测方法,并咨询了有关专家。最终布设了由三个点组成的变形监测试验基准网。变形监测试验基准网由三个强制对中装置的观测墩组成,为了便于观测、减少造埋等费用,选用了小浪底工程一等施工控制网中的三个点P101,P102,P105(见图2)。图1󰀁大坝视准线布置图

图2󰀁小浪底变形观测GPS基准网

2008年󰀁第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁测󰀁绘󰀁通󰀁报

1.外业观测(1)仪器与软件仪器采用徕卡GX1230型GPS接收机,处理软件采用徕卡与瑞士伯尔尼大学合作研发的LeicaGeoOfficeCombined(Bernese)后处理软件。(2)作业技术依据󰀁󰀂国家GPS测量规范󰀁(国家测绘局,1992);󰀁󰀂全球定位系统(GPS)测量规范󰀁(国家地震局,1996);󰀁󰀂静态与快速静态测量指南󰀁(徕卡公司,1994)。(3)观测计划首先根据小浪底地区的经纬度及大地高,编制卫星可见性预报表及卫星几何图形强度GDOP预报表(见图3),对作业时段的卫星状况进行预报,确定观测时段。根据预报结果,选取每天8:30~16:30的观测时间,并制定出观测计划表。根据现有三台套GPS接收机,成立三个观测小组,同时作业,每个点设站三次。每天同步观测8个小时。3.数据处理与分析(1)处理软件介绍73

本次观测数据的外业概算采用徕卡测量系统有限公司产品LeicaGeoOffice软件包,它不仅包含了以前SKI软件包功能,即卫星轨道数据采用外业采集的广播星历概算,在取得精密星历后,重新作了基线解算工作(采用的精密星历为瑞士伯尔尼大学天文研究所计算的星历);还包括以前伯尔尼软件包高精度GPS基线及轨道分析软件功能,主要用于高精度定位、固定跟踪站轨道分析及其他科学研究方面。软件包具有处理长基线整周未知数解算、大气参数模拟、多种接收机类型数据混合处理、GPS卫星轨道分析以及地球自转参数估计等功能。(2)数据处理数据处理先用LeicaGeoOffice软件检查处理了一下外业数据,确认数据观测记录正常,不存在严重的周跳和其他异常影响,获取一组基线的概略成果。然后在通过国际互联网得到精密星历和极移等数据后,利用LeicaGeoOffice软件作进一步的数据处理与分析,利用每天的观测弧段数据生成标准轨道,并采用QIF方法解算长边整周未知数、SIGMA方法解算短基线整周未知数,最终成果采用L3线性组合观测值进行求解。󰀁󰀁三、GPS作业同常规作业比较

GPS与常规方法比较,差值较小,均在精度要求󰀁图3󰀁小浪底基准网观测期间卫星几何图形强度

(GDOP)略图(4)观测要求天线定向指北󰀁5󰀁以内,基座气泡严格居中。精确量取天线高,在相隔120󰀁的三个方向上各量取一次,取均值记录在手簿上。开始观测、观测中及观测结束后各量取一次,最后采用平均值作为仪器高观测值。(5)具体作业参数卫星高度截止角为10󰀁;数据采样方式为压缩;数据采样间隔为15s;GDOP值󰀁静态。2.外业观测的实施外业作业从2007年6月11日开始,作业时间为每天8:30~16:30,作业严格按计划执行,观测数据每天传入办公室计算机中存储,为了长时间观测,作业采用大容量的汽车电瓶对仪器供电。作业中发现小浪底工区干扰较严重(主要干扰源为工区与洛阳通讯的微波站,一个电视插转台及工区的大功率对讲机等),L2失锁严重。徕卡派人员来工地查看及处理后改用AT504扼流圈天线,取得了较好的观测结果。各站作业时间为三天,各站󰀁󰀁8;作业模式为以内,GPS完全可以代替常规方法。常规观测方法需要小角法观测一组,需4~5人;水准观测需要4~5人,各需半天观测时间。GPS作业需要3人,观测半天时间,大大减少了人员配置及缩短了观测时间。从以上对比分析可以看出,使用徕卡350型GPS,采用20min的观测时段,能达到土石坝视准线及沉陷观测的要求,大大提高劳动效率,缩短观测时间,节省人力、物力。在对比中可以看出,由于小浪底工区的干扰较严重,20min的观测时间所得结果不太稳定,还需进一步试验,改进观测方法和数据处理方法。󰀁󰀁四、GPS技术用于大坝变形观测的

前景良好

在小浪底工程中使用GPS尤其具有重要意义,一方面能够快速准确地进行大坝监测,对于左岸山体的稳定性监测、进水口高边坡稳定性监测担负起重要作用;另一方面,在今后的水库诱发地震监测中,库区山体稳定性监测中一定能发挥重要作用,应用前景良好。(本专栏由徕卡测量系统与本刊编辑部共同主办)