1、GPS 在大地及工程变形观测中的应用GPS 在大地及工程变形观测中的应用邱 斌,朱建军,贺跃光(中南大学资源环境与建筑工程学院,湖南长沙 410083)摘 要:与传统的大地及工程变形监测方法相比,GPS 的应用在连续性、实时性和自动化程度等方面优势明显。分析了 GPS 在地球动力学及地震监测、滑坡监测、大坝的变形监测、陆地建筑物的变形和沉陷监测、海上建筑物的沉陷监测、资源开采区的地面沉降监测等领域的应用,提出了一机多天线 GPS 观测技术,GPS 在大地及工程变形监测中的应用前景将会更加广阔。关键词:GPS;变形监测;一机多天线技术Application of GPS in Crustal a
2、nd Engineering Deformation MonitoringQIU Bin, ZHU Jian-jun, HE Yue-guang(College ofResources,Environment and Civil Engineering ofCentral South University,Changsha410083,Hunan,China)Abstact: Compared with the method of crustal and engineering deformation monitoring,GPS possess outstanding advantages
3、incontinuity,real time and automation state. This paper analyzes the application of GPS in many fields,which including geody-matics and earthquake,landslides,deformation of dam,deformation and subsidence of buildingon the land and sea,ground sub-sidence of resource mining area, developing a single r
4、eceiver-multiantanna technologyforGPSmonitoring. GPShas awide out-look in crustal and engineering deformation monitoring.Key words: GPS; deformation monitoring; single receiver-multiantenna technoloy形变观测包括地球动力学地震观测和工程建筑物的变形观测。工程形变一般包括建(构)筑物的位移和人为原因造成的建(构)筑物或地壳的形变。传统的变形监测方法主要有两大类:一是常规的测量方法(大地测量方法与摄影测
5、量方法),二是物理学传感器方法。常规的大地测量方法具有测量精度高、资料可靠等优点,但又有观测工作量大、效率低,受气候的影响大,并要求监测点与基点通视等缺点,这些缺点对变形监测有非常不利的影响;物理传感器方法主要是指应力应变计、倾斜仪等方法,这些方法的优点是能获得观测对象内部的一些信息及高精度局部的相对变形信息,并且能实现长期连续的自动化观测,这些方法的缺点是只能观测有限的局部变形。近年来发展的 GPS 测量技术具有高精度的三维定位能力,为监测地壳形变及各种工程变形提供了极为有效的手段。1 GPS 在地球动力学及地震监测中的应用GPS 在地球动力学中的应用,主要是用来监测全球和区域板块的运动,监
6、测区域和局部地壳运动,从而进行地球成因及动力机制的研究。根据测定的板块运动的速度和方向及地壳运动变形量,分析地倾斜、地应变的积累,研究地下断层活动模式及应力变化,达到开展地震危险性估计及地震预报的目的。如利用云南滇西两期 GPS 监测资料,反演红河断裂带下断层活动模式,对 1996 年云南丽江地震作了较为准确的中期(13 a)预报,其位置误差为 27 km,震源深度误差为06 km,震级完全准确。揭示了 GPS 作中期地震预报的可能性。目前用 GPS 监测板块运动和地壳形变的精度,在水平速度上可达 2 mm/a,水平方向形变可达到 12 mm/a,垂直方向可达 24 mm/a,基线相对精度可达
7、 10-9。这一精度完全可用来监测板块运动和地壳运动。自 20 世纪 90 年代以来,世界各国纷纷用 GPS 布设地壳运动监测网。据报道,为预报地震日本已布设了由 1 000 多个 GPS 永久站组成的地壳形变监测网;意大利已布设了 GPS 地壳运动监测网;中欧 16 个国家将联合布设 GPS 监测网,以利合作研究大地测量与地球动力学;加拿大在其西部布设了 GPS 变形列阵;其第 22 卷第 2 期2002 年 6 月矿 冶 工 程MINING AND METALLURGICAL ENGINEERINGVol.222June 2002基金项目:教育部博士点基金资助项目(2000053315)收
8、稿日期:2002-01-08 第一作者 男 讲师 博士研究生他如埃及、澳大利亚等国也布设了 GPS 监测网。我国于 1994 年参加了“国际南极 GPS 会战”;并已建立了青藏高原地球动力学 GPS 监测网、首都圈 GPS 地表形变监测网、龙门山 GPS 地壳形变监测网等,并即将建立中国 GPS 地壳形变 GPS 监测网。2 GPS 在工程变形监测中的应用工程形变的种类很多,主要有滑坡、大坝的变形、陆地建筑物的变形和沉陷、海上建筑物的沉陷、资源开采区的地面沉降等等。工程变形监测是以毫米乃至亚毫米级精度为目的的工程测量工作,随 GPS 系统的不断完善,软件性能的不断改进,GPS 已可用于精密工程
9、变形监测1。目前,CPS 技术主要用于几个领域的变形观测。1) GPS 用于滑坡变形监测区域断裂运动是影响边坡变形、破坏的重要因素。文献2,3介绍了长江三峡库区九湾溪-新滩岩崩区GPS 监测网,如图 1 所示。该监测网由 4 个跨新滩南北两岸的测点和 2 个跨九湾溪断裂的测点组成,其最短边约 1 km,最长边 12 km。利用 GPS 这一先进的空间测量技术研究区域构造运动,解决了常规观测中需要多种方法观测的问题,观测结果能充分反应滑坡的全方位活动性,对监测滑坡变形、掌握滑坡发育的规律切实可行。图 1 九湾溪-新滩岩崩区 GPS 监测网铜川矿区川口滑坡位于铜川市南,王家河与漆河交会处西部,南北
10、长 800 m,东西宽 600 m,是在原黄土坡滑体上因自然和人为因素局部复活而产生的新滑坡,曾使地貌产生裂缝、建筑物变形、崩塌,造成居民伤亡重大事故4。图 2 中 J1,J2,J3 是监测网的基准点,设立在不动区的稳定地带。采用不动区设立的基准点监测滑动区的滑动点与抗滑点。Z1,Z2,Z3,Z44 点是设置在尚未治理地区的滑动点。K1,K2 点是设置在已经治理过的地区的抗滑监测点,在 K1 与 K2 点周围已埋设抗滑桩。Zi 与 Ki 之间点距约 100500 m。J1 与桃园三角点为已知点。图 2 川口滑坡 GPS 监测网示意对 7 个三角形,共 21 条边的观测结果,在 WGS-84 坐
11、标系内进行无约束三维平差,结果表明,X 矢量中误差为 24 mm;Y 矢量中误差为 45 mm;Z 矢量中误差为 45 mm,可满足滑坡监测要求。2) GPS 用于大型结构位移实时监测目前,监测结构位移的仪器主要有:经纬仪、位移传感器、加速度传感器和激光仪等,利用这些常规仪器监测结构位移存在诸多缺陷5,最主要的是各种传统方法都难以监测结构位移的实时变化。实时监测大桥的连续位移,评价其力学特性和在设计荷载作用下的工作性能,检验结构承载力十分必要。虎门大桥处于热带风暴多发区,为了监测到台风、地震、车载及温度变化对桥梁位移产生的影响,了解掌握大桥的安全特性,广东虎门大桥有限公司采用 GPS实时动态测
12、量技术,通过 7 台 GPS 接收机测量悬索桥关键点的三维位移。该技术具有受外界影响小、自动化程度高、速度快、精度较高等优点,可以全天候 24 h 测量到大桥各测点的三维位移变化情况,通过计算机处理、分析、积累有关数据,进一步找出大桥三维位移的特性规律,为大桥的安全营运、维修养护提供重要参数和指导作用。3) GPS 用于水库大坝外观变形监测水库或水电站的大坝由于水负荷的重压可能引起变形,需要对大坝的变形进行连续而精密的监测。GPS 精密定位技术与经典测量方法相比,不仅可以满17 第 2 期邱 斌等: GPS 在大地及工程变形观测中的应用足大坝变形监测工作的精度要求(1.00.1)10-6,而且
13、更有助于实现监测工作的自动化。清江隔河岩大坝外观变形 GPS 自动化监测系统测点水平分量和垂直分量的精度分别为 1.0,1.5 mm(1 2 h 解)6,7,它集 GPS 定位技术、数字通讯和计算机网络技术、自动控制技术、精密工程测量技术及现代数据处理技术等高新技术于一体,成功地将 GPS 定位技术用于大坝外部变形的长期连续实时监测,有着显著的社会效益和经济效益。4) GPS 用于地面沉陷的监测由地下煤炭、石油和天然气的开采,引起了许多矿区的地面沉降;由于过量地抽取地下水,也使许多城市的地面,产生了显著的沉陷。使用 GPS 测量技术对上述沉降现象进行监测是经济而有效的。GPS 测量不要求相互通
14、视,且速度快,作业灵活,显著地提高作业效率。监测地面的垂直位移,无需将 GPS 测量的大地高程进行系统的转换,不仅简化了计算工作,同时也保障了观测精度。5) GPS 用于海上勘探平台沉陷的监测在海上,由于石油和天然气的开采,可能引起海底地壳的沉降,从而引起勘探平台的下沉。根据北海油田的经验,典型的沉降速度每年可达 1015 cm。GPS测量技术由于其操作简单、快速,监测点之间不但不需通视,且距离一般也不受限制,所以它为海上勘探平台的监测工作,开辟了重要途径。利用 GPS 高精度相对定位法,对海上平台进行监测,应定期地重复观测。重复观测周期的长短,视相对定位的精度和平台可能的沉降量而定(例如每月
15、 1 次或每半年 1 次)。由于平台位移监测的精度要求很高,在实际工作中,需注意削弱多路径效应等项系统性误差的影响;在数据处理中,需设法(如采用轨道改进法)减弱卫星轨道误差的影响。6) GPS 用于高层建筑物监测高层建筑物动态特征的监测对其安全运营、维护及设计至关重要,尤其要实时或准实时监测高层建筑物受地震、台风等外界因素作用下的动态特征,如高层建筑物摆动的幅度(相对位移)和频率。传统的高层建筑物的变形监测方法(采用加速度传感器、全站仪和激光准直等)因受其能力所限,在连续性、实时性和自动化程度等方面已不能满足大型构筑物动态监测的要求。近年来,随着 GPS 硬件和软件技术的发展,特别是高采样频率
16、(如 10 Hz 甚至 20 Hz)GPS 接收机的出现,以及 GPS 数据处理方法的改进和完善等,为 GPS技术应用于实时或准实时监测高层建筑物的动态特征提供了可能。目前,GPS 定位技术在这一领域的应用研究已成为热点之一,文献8以高层建筑物动态特征的监测为例,设计了振动实验以模拟高层建筑物受地震和台风等外界因素作用下的动态特征,并采用动态GPS 技术对此进行监测。实验数据的谱分析结果表明,利用 GPS 观测数据可以精确地鉴别出高层建筑物的低频动态特征,并指出了随 GPS 接收机采样频率的提高,动态 GPS 技术可以监测高层建筑物更高频率的动态特征,最终建立具有 GPS 数据采集、数据传输、
17、数据处理与分析、预警等功能的高层建筑物动态变形自动化监测与预警系统。3 一机多天线 GPS 变形观测技术所谓一机多天线就是一个 GPS 接收机与多个简单的 GPS 天线连接,只用一个接收机处理各天线接收传送下来的 GPS 观测信号。这样大大降低了观测设备的费用,同时灾害发生时也不必担心昂贵的仪器设备损失。一机多天线的概念最早由 Rock Santerre and GerhardBeutler 于 1993 年提出,但 Rock Santerre and Gerhard Beu-tler 的想法是改进接收机的内部结构,相当于把 2 套接收机的部分设备安装在一个接收机内,目的是减弱有关的误差9。这
18、种一机多天线有 2 个缺点:是不能降低硬件设备的费用,是天线数量非常有限。Ding X L 于 1999 提出了另一种完全不同的一机多天线的思想并成功研制了一机多天线 GPS 变形监测系统10,即不改变目前已有的 GPS 接收机结构,而通过一个附加的 GPS 信号分时器来实现一机多天线。这一思想实现简单,在设计上,多天线阵列与接收机的连接使用一个时分单通连接开关即 GPS 多天线转换开关 GMS(GPSMulti-antenna Switch)能与任意多个 GPS天线相连,目前的版本已具有 15 个输入端和一个输出端,其逻辑结构如图 3 所示。对于 GPS 接收机,它本身并不支区分 GPS 信
19、号来自于哪一根天线。由于 GMS从一天线转换至下一天线再返回到该天线时,接收机记录数据表现为失锁,同时这种转换是瞬时完成的,当图 3 多天线 GPS 转换开关18 矿 冶 工 程第 22 卷监测区域不大时,重捕获的时间只需数秒,所以在两根天线之间转换时,应作一个采样历元的间隔停留,以便处理软件识别和区分来自不同天线的数据。实践表明,采用这种一机多天线 GPS 系统,不仅大大节省硬件设备费用的投入,而且能够有效地应用于局部变形观测之中11。4 结 语地球动力学、地震监测以及各种工程建筑物、大坝、高层建筑、人工及自然边坡等的安全对国家的经济建设、人们的生命财产等都有极为重要的影响,因此对这些对象的
20、安全监测(变形监测)一直是国际测绘界甚至整个工程界的重要研究领域。随着技术的发展,全球卫星定位技术(GPS)逐渐用于变形监测。GPS 用于变形监测具有精度高、不受气候条件及通视条件限制、高度自动化等优点,在上述各领域的应用表明,全球定位系统(GPS)在形变观测中的应用对弥补传统的变形监测方法的缺陷具有重要意义。随着一机多天线 GPS观测技术的发展,其应用前景将会更加广阔。参考文献1 徐绍铨,张华海,杨志强,等. GPS 测量原理及应用.武汉:武汉测绘科技大学出版社,1998,102 陆业海,吴定洪. GPS 空间测量新技术在岩崩滑坡中的应用.大坝观测与土工测试,1995,19(6):33363
21、 李劲峰. GPS 应用于监测岩崩滑坡.长江流域资源与环境,1996,5(3):2842884 雷方贵,张培宏,等. GPS 在矿区滑坡治理工程中的应用.矿山测量,1994(1):10125 徐 良,过静君,戴连君,等.基于 GPS(RTK 技术)的虎门大桥多实时监测数据分析.工程勘察,2001,29(1):47486 李征航,吴云孙,李振洪,等.隔河岩大坝外观变形数据的处理和分析.武汉测绘科技大学学报,2000,25(6):4824847 岳建平,华锡生. GPS 在大坝变形监测中的应用.大坝观测与土工测试,1996,20(3):26298 罗志才,陈永奇,刘焱雄. GPS 用于监测高层建筑
22、物动态特征的模拟研究.武汉测绘科技大学学报,2000,25(2):1001049 Santerre R, Beutler G. A proposed GPS method with multi-antenna andsingle receiver. Bulletin Geodesique, 1993,67(4):21022310 Ding X L, Chen Y Q, Huang D F,et al. Amulti-antenna GPS systemfor local area deformationmonitoring. International SympOn GPSApplica-ti
23、on to Earth Science and Interactive with other Space Geodetic Tech-niques, Tsukubar, Japan,1999(10):1822(alsoto be published in Jour-nal of Earth, Planet and Space.)11 Ding XL, Chen YQ, Huang D F,et al. MariaTsakiri andMike Stew-art, SlopeMonitoringUsing GPS-AMulti-antenna Approach. GPS World,2000,1
24、1(3):5255(上接第 15 页)式中 xi 为分层产量,万 t。运算结果如下:x=(20,75,34,22,10,27,14),灰分为 36.86%,发热量为 19.23 kJ/g。这意味着要达到平均硫分 1.1%,则含硫偏高的 11 号、12 号煤层采出比为 10/330=0.0303、27/330=0.0818,分别比其储量比低:4.89%-3.03%=1.86%,35.07%-8.18%=26.89%,即 11 号、12 号煤层分别有 1.86/4.89=38.04%,26.89/35.07=75.32%的储量要分采分运单独处理。4 结 语在目前煤炭行业不景气的情况下,既要合理利用资源,促进企业可持续发,又要以市场为导向使企业经济效益最佳。本文对开滦集团公司实际情况,动用线性规划建立数学模型,解决了这一问题,对同类矿井有很好指导意义。参考文献1 赵经彻.兖州矿区可持续发展的形势与对策.煤炭科学技术,1997,25(3)2 张士强.煤炭企业经济效益的模糊多层次综合评价.煤炭学报,1999,24(2)3 卫明师.煤矿企业经济效益综合评判方法及其应用.系统工程理论与实践,1993,(2)4 魏 同,潘惠正,王立杰,等.矿区可持续发展实施方案研究综合报告. 1999,319 第 2 期邱 斌等: GPS 在大地及工程变形观测中的应用
