GPS测量及基本方法

利用大地测量手段进行滑坡体监测,一直被广泛采用,并取得了许多成功经验,随着GPS技术的迅速发展,测绘手段发生了巨大变化。目前GPS技术被广泛应用于许多工程建设中,同时国内外专家学者研究表明:应用IGS精密星历和最新版本的GAM IT高精度GPS数据处理软件处理数据,中短边相对中误差优于1.4.10-7,长边相对中误差优于1.8.10-9,最弱点点位中误差水平分量优于2mm,可以满足测量控制及滑坡监测精度的要求,而高程监测可直接使用通过网平差获得地高精度的大地高差。另外通过大量实践证实,GPS内符合精度一般可达1～2ppm,采用适当的计算方法求得高程异常后,计算为我国所用的正常高与水准测量结果的不符值,平原地区在3～20mm,山区约为10～50mm。目前GPS水准可以满足四等水准测量的精度。测绘工程大队利用已购置GPS设备,对正继续进行监测的某滑坡进行了监测研究,取得了一些宝贵经验,为后续作业提供了依据。

一、GPS测量及基本方法

GPS是20世纪70年代早期在原导航系统基础上发展产生的一种应用范围很广的进行全方位实时导航、定位系统。GPS测量是通过接收系统跟踪GPS卫星连续不断传送到地球上的电磁波,从而获取接受机天线位置(经度、纬度、大地高及三维坐标)。为了获取较高的基线精度,通常采用载波相位测量。

GPS测量精度主要由设备和所用方法决定,此外与所用卫星数目及几何形态(DOP因子)、接受机质量及天线安装系统、电离层反射波、对流层反射波延迟、以及星历(描述卫星位置的轨道参数信息)、后处理软件等因素有关。GPS测量较传统测量方法主要优点为:

1.观测站之间无须通视,不要求控制网保障良好的几何结构,从而使点位选择灵活。

2.观测时间短。短基线(20km左右)快速定位,其观测时间仅需数分钟。

3.可全天候作业,定位精度高。许多资料表明,在短基线(基线小于20km)其相对定位精度可达1×10-6～2×10-6。

4.提供三维坐标。

5.操作简便,自动化程度高。它的唯一不足是目前接收机价格相对较高;接收机天线必须满足可视天空要求。

二、GPS测量技术的实施

(一)基准点(网)的选择和坐标测定

众所周知,变形分析是建立在多次重复测量的基础上,因此需要建立一个统一的基准,由于采用的基准不同,相应的变形位移量表示也不会相同。通常为了使问题简单化,选择固定基准。对于大型滑坡体监测为了建立一个统一的基准,布设一定数量的首级控制网――基准网,在传统的经典作业中,不但要保证点位相对稳定又要保持良好的通视条件,同时还要保障测量控制网有良好的几何结构,而使用GPS定位技术,使该项工作变得相对灵活,基准网(点)可以选择离滑坡较远且地质条件良好地域,并且网型也变得非常简单。另外,由于基准点(网)精度的高低,直接影响变形监测点基线解算精度,基线起算点对基线解算最大影响为:

式中:&为起算点对基线的最大影响;&为起算点坐标误差;D为基线长度(以km计)。

当D=1km时,若要0.1mm,则1.7m,因此,获取高精度的基准点坐标是非常必要的。利用目前我国已建立的GPS地面跟踪站的数据进行联合解算,可以获取较高精度的WGS-84坐标,进一步提高监测精度。

对于使用传统方法还继续观测的滑坡,可以利用原布设的基准网,以增强两种不同监测资料的可比性,同时对原基准网加以改造,弃之网中对可视天空不符合要求的部分点位。

(二)GPS测量技术进行高程系统的采用

GPS定位测量技术采用大地高程系统,它可以直接测定测定点在WGS-84中的大地高程,而大地高程系统是以椭球为基准面的高程系统,它随着椭球体的定位和定向的不同而不同,这一高程系统在工程上虽没有广泛应用,但结合高程异常资料,对确定点的正常高方面有着及其重要意义。在滑坡监测中,一般只需测出监测点的大地高的精确变化,就能计算出它的高程位移量,从而反映滑坡高程形变情况,因此只要保证GPS基线的高精度,就能进行GPS高程形变监测。

此外,对于还利用传统测量方法继续观测的滑坡,为了保证资料连续性,可以选择一定数据的高精度几何水准点,采用一定的拟合方法进行拟合测定高程异常,从而实现大地高程系统与我国常用的高程系统转化,目前研究和实测资料表明:一般情况下在保证基线质量的前提下,选择合适的约束点,经约束平差后获得的海拔高程精度可以满足三、四等水准测量的精度。

(三)GPS测量主要误差在滑坡监测中的对策

1.卫星星历误差。卫星星历误差是影响GPS精密相对定位的重要误差之一,在一个观测时段内它属于系统误差,实践表明:使用广播星历进行解算,也能保证1～2ppm相对定位精度,因此,在滑坡监测的短基线(小于5km)条件下,可用广播星历对基线进行解算。

2.对流层折射影响。尽管对流层折射影响亦是GPS定位的重要因素之一,但由于一般监测测区相对较小,可利用同步观测量求差,来减少该项误差的影响。

3.周跳修复。在载波相位测量中,周跳是否修复是决定高精度GPS基线解算是否成功的又一重要因素,为了达到修复周跳的目的,可以使用GAMIT软件,进行人为干预解算修复,实践证明该软件对周跳修复是很优秀的。

4.多路径误差。多路径效应是GPS测量中的又一重要误差源,它与卫星信号方向、反射系数等不定因素有关,暂无法建立改正模型,采用选择合适的站址,使用改进型天线削弱其影响。

三、用GPS测量技术的实践

滑坡位于左岸,随着电站运行,泄流雨雾的影响,该边坡可能产生整体失稳,危及电站安全运行。为了密切监视边坡动态,采用传统观测方法进行监测,但泄水时产生大量雨雾,常常困扰着现场作业。使用GPS和传统观测方法同时对其进行监测,GPS监测精度良好,效果令人满意,监测点平面精度在1.2～1.6mm之间,高程精度均在3.0mm以下,GPS成果与传统方法观测成果比较,坐标相差均小于3mm,高程相差5mm以下。