1、全球定位系統(tǒng)(GPS)在大壩變形監(jiān)測上的應(yīng)用摘要：全球定位系統(tǒng)（GPS）已被廣泛應(yīng)用于測量和導(dǎo)航領(lǐng)域。它在大壩精確實(shí)時(shí)觀測及其水電設(shè)施主要地形觀測上也已被證明是一種很有價(jià)值的工具。 關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng) GPS 大壩變形監(jiān)測 對水電設(shè)施的管理機(jī)構(gòu)和操作人員來說，監(jiān)測大壩變形和地面沉降是他們的主要任務(wù)。及時(shí)地發(fā)現(xiàn)大壩由于自然事故或大型建筑物引發(fā)的變形，就能夠挽救生命，減少經(jīng)濟(jì)損失，避免嚴(yán)重的環(huán)境破壞。但是如果大壩及其設(shè)施位于偏遠(yuǎn)的地方，監(jiān)測它們就比較困難。在偏遠(yuǎn)的、陡峭的或者有滑坡的地方普通的監(jiān)測設(shè)備很難布置和維護(hù)，而且大多數(shù)情況下它們也只能提供定期的信息。GPS技術(shù)和專業(yè)的連續(xù)方位數(shù)據(jù)處理軟件

2、結(jié)合起來后，比普通的監(jiān)測系統(tǒng)前進(jìn)了一大步。美國加利福尼亞州的Condor Earth Technologies公司開發(fā)的一種利用GPS監(jiān)測大壩變形、壓力管道及滑坡的系統(tǒng)正在許多水電工程設(shè)施上得到應(yīng)用。這個系統(tǒng)被稱為3D Tracker，它說明GPS技術(shù)經(jīng)過一系列設(shè)置和有效的運(yùn)用，能使我們得到精確的、連續(xù)的變形數(shù)據(jù)。1.GPS技術(shù)能夠提供給我們什么?全球定位系統(tǒng)已經(jīng)迅速地從深奧的軍事技術(shù)轉(zhuǎn)化為貼近我們每一個人生活的民用技術(shù)，如汽車上的導(dǎo)航工具。但是公眾還有一個誤區(qū)，認(rèn)為高精度的GPS只是僅僅提供給軍事領(lǐng)域。事實(shí)上，大部分精確的GPS系統(tǒng)已在非軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，這也包括長期觀測GPS系統(tǒng)。

3、這不僅是因?yàn)镚PS技術(shù)有高于厘米的精度，還因?yàn)榕c同類技術(shù)相比它能提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，因此在成本上具有一定的競爭力。這種裝置能夠很容易地被作為大壩或其它建筑物自身的一部分設(shè)備進(jìn)行安裝，見圖1。圖1 圖中標(biāo)示出大壩典型GPS設(shè)備的安裝與傳統(tǒng)的大壩安全變形觀測技術(shù)相比，如：鉛垂線，光學(xué)測量儀器和激光定線系統(tǒng)等，GPS設(shè)備有許多吸引人的優(yōu)點(diǎn)。 GPS只需固定在一個地方而不需要去讀數(shù)，GPS測量的數(shù)據(jù)是三維的，因此它能提供大壩在垂直方向和水平方向的變形信息。同樣重要的是GPS系統(tǒng)非常適合于自動觀測。由于大壩管理人員正致力于勞動力的精簡，因此自動裝置就顯得越來越重要。許多常規(guī)的監(jiān)測系統(tǒng)要求頻繁地讀數(shù)來提供精確

4、的數(shù)據(jù)，而且有些還要每年拆卸和花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。結(jié)果是關(guān)鍵的數(shù)據(jù)往往需要幾星期，幾個月甚至幾年才能得到評估和分析。而GPS自動監(jiān)測系統(tǒng)消除了這些問題，并且在許多情況下，還能作為大壩很好的補(bǔ)充設(shè)備。應(yīng)用GPS觀測大壩變形就得處理從固定在大壩上的GPS接收器實(shí)時(shí)發(fā)出的連續(xù)位置數(shù)據(jù)流，還得將一定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合使干擾進(jìn)一步降低。GPS解決誤差所顯示的分布與高斯分布配合的非常好，而且能隨著時(shí)間的推移顯著地降低。例如，3D Tracker系統(tǒng)的垂直精度在1mm2mm之間，這是24小時(shí)誤差解決方案的標(biāo)準(zhǔn)偏差。GPS系統(tǒng)能提供可靠的長期觀測，而且能和其它設(shè)備一起結(jié)合使用，如：傾斜感應(yīng)器和鉛垂

5、線。這樣可以提供其它系統(tǒng)不能提供的冗余測定成果。GPS基于全球座標(biāo)參照系統(tǒng)，所以它提供的數(shù)據(jù)是絕對精確的。GPS的這個特性非常實(shí)用，因?yàn)榇髩紊贤粶y點(diǎn)的兩個獨(dú)立的、不同的測量過程的結(jié)果肯定是相同的（在GPS允許誤差范圍內(nèi)）。實(shí)時(shí)GPS系統(tǒng)能通過因特網(wǎng)（Internet）、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)(Intranet)和局域網(wǎng)（LAN）向操作人員和個人終端提供信息。傳送實(shí)時(shí)GPS數(shù)據(jù)的一個好辦法是通過局域網(wǎng)上的網(wǎng)頁來實(shí)現(xiàn)。局域網(wǎng)網(wǎng)頁能夠提供友好的多用戶界面來訪問GPS數(shù)據(jù)，大部分電腦都裝有安全的格式和工具。GPS系統(tǒng)被程序控制，根據(jù)用戶自己定義的臨界值來發(fā)送可靠的臨界警報(bào)。近些年來GPS接收器價(jià)格大幅度降低，這

6、意味著和其它設(shè)備相比GPS監(jiān)測更加節(jié)省成本。 2.早期研究給我們以啟示在上世紀(jì)80年代末，當(dāng)人類完全掌握運(yùn)用GPS人造衛(wèi)星技術(shù)后，許多大壩的安全工程師開始逐漸重視GPS系統(tǒng)監(jiān)測大型建筑物的潛能。據(jù)有關(guān)報(bào)告，最早把這一系統(tǒng)應(yīng)用在變形觀測上的是瑞士的Naret大壩。這份研究報(bào)告指出，安裝在大壩將近5公里軸線上的固定永久GPS監(jiān)測儀器精度在水平距離上達(dá)到了毫米，垂直距離上的精度在1mm2mm之間。報(bào)告的作者也預(yù)言許多潛在的問題能夠在長期的運(yùn)用中得到解決。雖然作者短期的相關(guān)應(yīng)用分析不能揭示數(shù)據(jù)的長期分布，但仍然顯示了GPS獲取高精度的大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的價(jià)值。加利福尼亞南部的LosAngeles Count

7、ys Pacoima 大壩使用GPS監(jiān)測是在90年代中期。1929年建成的高達(dá)113m的Paconima 防洪大壩是當(dāng)時(shí)世界上最高的大壩。它已經(jīng)經(jīng)受住了1971年San Fernando和1994年Northridge地震的嚴(yán)重破壞。大壩上布置了兩個GPS測點(diǎn)。一個安裝在大壩左肩止推座上混凝土操作間的屋頂上；另一個安裝在了距拱壩中心約100m的地方。還有一個基準(zhǔn)點(diǎn)安裝在了距離大壩2.5km，高度高出大壩160m的山頂上。經(jīng)過處理三年來得到的數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)大壩拱頂每年都有一個沿上下游移動的周期變化規(guī)律，運(yùn)動幅度大約在15mm18mm之間。這組數(shù)據(jù)也使研究人員開始分析大壩年周期運(yùn)動與短期溫度變

8、化之間的關(guān)系。Pacoima 大壩的報(bào)告也強(qiáng)調(diào)了謹(jǐn)慎處理GPS數(shù)據(jù)的重要性。好的處理對于過濾錯誤數(shù)據(jù)降低測量誤差是很必要的。大地測量數(shù)據(jù)處理軟件中應(yīng)用典型數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)的各種方法中，取整能夠快速解算一個誤差為幾厘米的方案。但是，這個快速的有效的大地測量方法不適合處理長期觀測得到的數(shù)據(jù)。它會產(chǎn)生錯誤的方位波動，這會在大壩實(shí)時(shí)安全監(jiān)測軟件中激發(fā)一個極限警報(bào)。解決這個問題可以用非取整技術(shù)，比如三差量測技術(shù)，使用這種技術(shù)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)地比照之前連續(xù)的測量成果。三差量測技術(shù)與Kalman濾波技術(shù)結(jié)合起來就能夠提供一種很好的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，它幾乎消除了虛假方位波動的影響。3.建立可信賴的GPS監(jiān)測系統(tǒng)Condo

9、r和他的合作公司在3D Tracker系統(tǒng)中應(yīng)用了三差量測算法。他們將這一算法嵌入到3D Tracker軟件中，接收來自于位于大壩上或其他目標(biāo)建筑物上的GPS接收器發(fā)送回的原始數(shù)據(jù)。這一技術(shù)提供了毫米精度的實(shí)時(shí)大壩及其它建筑物的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。這種方法與典型的測量和導(dǎo)航應(yīng)用的GPS實(shí)時(shí)處理技術(shù)不同，它不是在GPS裝置內(nèi)部進(jìn)行，而是在一臺中心計(jì)算機(jī)上運(yùn)行程序。向一臺中心計(jì)算機(jī)上傳輸需要處理的GPS測量數(shù)據(jù)有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：1. 應(yīng)用個人計(jì)算機(jī)能很容易掌握復(fù)雜的算法，可向多個地址提供高精度的實(shí)時(shí)信息。2. 在GPS器材組件上的花費(fèi)可顯著降低，因?yàn)樵谝巴饪梢圆贾孟鄬Ρ阋说慕邮掌鳌?. 中心計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)

10、能很容易地發(fā)送給其它用戶，并且歸檔保存在安全的地址。4.在Libby大壩的監(jiān)測情況美國陸軍工程師協(xié)會和Condor公司于2002年2月在蒙大拿州西北的發(fā)電能力為525兆瓦的Libby水電站大壩上安裝了一套3D trackter實(shí)時(shí)GPS監(jiān)測系統(tǒng)。Libby大壩位于庫特奈河，壩體為混凝土重力壩，是美國陸軍工程師協(xié)會在哥倫比亞流域大壩管理網(wǎng)中的一部分。這個監(jiān)測系統(tǒng)包括布置在大壩壩頂?shù)幕炷翗渡系牧鶄€測點(diǎn)和兩個GPS基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成。一個GPS基準(zhǔn)點(diǎn)位于大壩左肩的山頂上，另一個位于大壩右肩上游與壩頂海拔基本相同的一塊隆起的巖石上。這樣操作人員能夠很容易地給大壩上的每個測點(diǎn)分別建立兩條獨(dú)立的基線，同時(shí)也能通

11、過解算兩基準(zhǔn)點(diǎn)間的基線完整地觀測基準(zhǔn)點(diǎn)。基線的長度從一百米到一公里不等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以在位于Libby大壩的儀器室直接處理，也可以通過局域網(wǎng)傳輸給西雅圖的美國陸軍工程師協(xié)會辦公室。在天空能見度比較高時(shí)，GPS實(shí)時(shí)觀測得到的數(shù)據(jù)水平觀測和垂直觀測的精度大約為2mm4mm，24小時(shí)時(shí)段觀測精度能達(dá)到1mm2mm，這都是容許的誤差范圍。工程師協(xié)會的工程師們將這些數(shù)據(jù)與通過其它技術(shù)（包括鉛垂線和裂縫計(jì)）觀測得到的數(shù)據(jù)相比較，第一年的觀測結(jié)果顯示GPS和鉛垂線數(shù)據(jù)吻合得都非常好。運(yùn)用這兩個GPS基準(zhǔn)點(diǎn)，能對大壩上的每個測點(diǎn)使用兩套獨(dú)立的方法計(jì)算。因?yàn)镚PS的精度是絕對的，所以這兩個獨(dú)立的測量結(jié)果能不斷地與

12、系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)精度比照，從而提供完整的觀測。長期觀測比照是由相關(guān)變形組成的。大壩上每個測點(diǎn)的兩個獨(dú)立過程之間的極小的誤差增強(qiáng)了人們對測點(diǎn)測量精度的信心。兩個獨(dú)立方案之間的差別能提醒操作人員注意，并找出有偏差方案的成因。在Libby大壩，兩個基準(zhǔn)點(diǎn)的計(jì)算成果在GPS允許的誤差范圍內(nèi)彼此吻合得非常好。為了確保長期觀測的精度，GPS監(jiān)測系統(tǒng)必須有穩(wěn)定參照標(biāo)石和為每個GPS基準(zhǔn)點(diǎn)觀測連續(xù)坐標(biāo)的方法。如果所觀測的建筑物有可能發(fā)生的位移，基準(zhǔn)點(diǎn)的精確測量結(jié)果必須能夠正確診斷其是否真正發(fā)生，消除它傳播錯誤信息的可能。對于GPS系統(tǒng)的表現(xiàn)可以從三個全面的指標(biāo)來評價(jià)，分別是：系統(tǒng)錯誤分析、重復(fù)數(shù)據(jù)分析和計(jì)算結(jié)果精度分

13、析。Libby大壩都已明確這三個指標(biāo)，這使陸軍工程師協(xié)會的操作人員監(jiān)測大壩位移的精度達(dá)到幾個毫米。5.GPS在其它方面的應(yīng)用Condor公司也已將Kalman濾波技術(shù)、三差量測技術(shù)和實(shí)時(shí)GPS系統(tǒng)應(yīng)用到了水電行業(yè)的其它領(lǐng)域。例如，Pacific供電供氣公司在加利福尼亞州北部的壓力管道上安裝了實(shí)時(shí)GPS監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測它的位移。加利福尼亞北方電力管理機(jī)構(gòu)應(yīng)用這一技術(shù)監(jiān)測一個大壩上游的滑坡。美國地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)用GPS監(jiān)測許多座火山，如在位于加利福尼亞西部中心的蒙馬湖的大峽谷火山口的就布置了GPS系統(tǒng)。還有像在臘包爾，巴布亞新幾內(nèi)亞及俄勒岡中部的三姐妹瀑布的應(yīng)用都已證明這一系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的可靠性和低成本性。它也被用來監(jiān)測油田的地面沉陷。例如，Long Beach，Calif市已經(jīng)布置了監(jiān)測由于石油生產(chǎn)和蒸汽注入而使Long Beach地區(qū)相當(dāng)大的區(qū)域產(chǎn)生的地面變形。這種技術(shù)是GPS設(shè)備與復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理算法以及通訊設(shè)施相結(jié)合而形成的，已經(jīng)被證明將其用于建筑物和主要地質(zhì)地貌監(jiān)測的可靠性。像任何一種儀器的使用一樣，GPS也有它的不