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基于CORS系统的GNSS测量技术在大坝位变形监测的应用研究

发表时间：2021/4/14 来源：《中国科技信息》2021年4月作者：何杰

[导读] 本文针对基于CORS系统的GNSS测量技术在大坝位变形监测的应用研究，采用实际案例结合理论实践的方法，先分析了GNSS测量技术的原理和优势，然后提出此项技术在大坝位移变形监测中的应用要点。分析结果表明，大坝位移变形监测是一项比较复杂的工作，但对大坝工程运行的安全性、稳定性、经济性有较大影响，采用基于CORS系统的GNSS测量技术，能够对大坝位移变形进行全天候、自动化监测，更好的保证施工质量，值得大

四川成都不动产登记中心（四川省地政地籍事务中心）何杰    610000

【摘要】本文针对基于CORS系统的GNSS测量技术在大坝位变形监测的应用研究，采用实际案例结合理论实践的方法，先分析了GNSS测量技术的原理和优势，然后提出此项技术在大坝位移变形监测中的应用要点。分析结果表明，大坝位移变形监测是一项比较复杂的工作，但对大坝工程运行的安全性、稳定性、经济性有较大影响，采用基于CORS系统的GNSS测量技术，能够对大坝位移变形进行全天候、自动化监测，更好的保证施工质量，值得大范围推广应用。
【关键词】CORS系统；GNSS测量技术；大坝工程；位移变形
        【引言】大坝工程是一项利国利民的基础工程，对区域社会经济持续发展有非常重要的意义，大坝位移变形监测是保证大坝建设质量的关键，我国于1988年在隔河岩大坝外部变形监测中首次采用了GNSS测量技术取得了良好效果，此后随着科学技术的不断发展，各项技术愈发先进，GNSS测量技术是一种利用卫星技术进行全方位测量的技术，能够提供准确的时间信息、空间信息等，是监测领域目前应用比较广泛的新技术。基于此，开展基于CORS系统的GNSS测量技术在大坝位变形监测的应用研究就显得尤为必要。
        1、工程概述
        某大坝工程，坝体总长度为1685.69m，坝体最高处达到23.5m，位于坝体东侧，西侧相对比较低，最低处为15.5m,为保证施工质量，在施工对坝体位移变形采用基于CORS系统的GNSS测量技术进行监测，选择6个比较重要的观测点，布置在坝体横断面，并设置了3个水平观测点，布置在坝体外部1.0m左右的位置。实现了全天候测量，定位速度非常快，而且自动化程度比较高，值得在类似工程中推广应用。
        2、GNSS测量技术的原理和优势
        GNSS测量技术和传统后方交会测量技术的原理比较相似，都是先将监测点布置在GNSS接收机上，在监测中同时对3个以上的GNSS卫星发出的信号进行接收，就能确定出GNSS卫星和测点之间的距离，然后再利用后方交会的原理，确定监测点的空间三维坐标、导航电文（包括卫星的具体位置）、GNSS卫星发射测距信号等。监测人员通过这些信息，就能全天候的确定GNSS卫星的空间坐标，最后再按照距离交会算法，就能测算出测试站点的具体位置。在具体测量中，如果能够保证GNSS信号持续发射，接收机就会不停的接收信号，就能对测点的位置进行实时动态监控。和传统测量技术相比，基于CORS系统的GNSS测量技术在大坝位移变形监测中具有的优势，主要体现在以下几个方面：
        第一，具有很高的自动化程度。就案例工程而言，水库中的水量处于时刻变化状态，对大坝坝体性能的要求比较高，对水库大坝进行实时监测，能够及时发现水库大坝变形异常，要求能够满足全天候监测需求。基于CORS系统的GNSS测量技术能够很好的满足这一要求，而且GNSS接收机测量还能实现自动化测量，减轻人为测量操作工作量。
        第二，测量精度非常高。和传统测量技术相比，在大坝位移变形监测中，对测量的精度要求非常高，采用基于CORS系统的GNSS测量技术正好能够满足这一要求【1】。
        第三，全天候实时动态监测。基于CORS系统的GNSS测量技术在大坝位移变形监测中，不会受到气温、天气、云层、周围环境等因素的影响，可实现连续性、全天候检测。
        3、基于CORS系统的GNSS测量技术在大坝位变形监测的应用要点
        3.1选择位移变形监测模式
        虽然基于CORS系统的GNSS测量技术和传统测量技术相比，具有自动化程度高、测量精度高、全天候实时监测等优势，但在大坝位移变形监测中，仍然需要结合大坝工程的特点，选择有针对性的监测模式，才能保证监测效果。在案例工程位移变形监测中，采用了如下监测模式取得了良好效果。
        第一种，周期性监测。如果大坝位移变形的速率比较慢，在一定的空间和时间上可认为处于稳定状态，此时就可以选择周期性监测。每个监测周期内的相对位置，至少要经过两个监测周期来确定位移和变形情况。每个监测周期需要按照大坝的特性以及位移变形造成损害程度合理确定。

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周期性监测模式，主要是通过边或者网的连接方式形成监测网，利用偏差计算法来得到每个监测点的三维坐标，按照坐标差值来合理确定每个监测点的变形量。
        第二种，固定连续性监测。主要是利用固定的检测仪器，对大坝位移和变形情况进行长时间监测，确定大坝位移变形数据，固定连续监测时间分辨率比较高。在关键位置布设永久性GNSS观测站，进行不间断观测和数据处理。就案例工程，工程量比较大，大坝位移变形速率比较慢，需要以某一段时间内的观测数据为一组，通过静态相对定位和动态相对定位的方式来获得监测数据【2】。
        第三种，实时动态监测。和其他两种监测模式相比，实时动态监测最显著的特点是采用密度比较高，每秒就采集一次，计算每个历元的位置。在数据处理中通常采取载波相位模糊解法，利用已知的整周模糊度来计算每个历元接收机的具体位置，从而确定出大坝位移变形的特性及引发位移变形的原因。在实时动态监测模式的重点在监测的实时性，为达到这一要求，需要建立起GNSS自动监测系统，实现全天候实时监测，从而更加准确的把控每个监测点的变化情况。
        3.2监测数据处理方法
        通过基于CORS系统的GNSS测量技术得到的数据还不能直接使用，需要通过基线解算以及平差计算之后，才能转化为可用的数据。数据处理时要先对测量到的原始数据进行处理，获得观测网的基线解，然后再对基线解进行整体平差处理，得到整体解。在案例工程数据处理中，主要是利用GPSADJ系列平差处理软件进行二维网的平差处理，利用TGPPS静态定位后的处理软件进行三维网的平差处理，数据处理效果显著。
        而对于那些B级GNSS监测网数据，在本工程监测中，主要采用GAMIT/GLBOK软件来解算平差，以UTRF2000为主要的参考框架，以IGS精密星历为主，选出10个IGS站观测数据和GNSS数据处理的资料，建立起LCHELP解算模式来获得准确的基线信息，再用GLOBK对网平差进行整体求解，就能获得每个基准点的三维空间坐标【3】。而C级监测网观测到的数据，经过系统转换就能得到RINEX数据文件，再用South GPS ProceseeorV4.0来完成数据处理，提出那些受到干扰的卫星数据，再用双差固定解进行计算，每个坐标取位精确到0.001m。而D级GNSS监测网数据可按照C级数据处理方法进行处理，每个坐标取位精度，也是精确到0.001m。
        3.3应用基于CORS系统的GNSS测量技术是主要问题和解决措施
        虽然在科学技术飞速发展的背景下，基于CORS系统的GNSS测量技术愈发先进，被广泛应用在大坝位移变形监测中，但如果遇到地形地貌特殊的高山或者峡谷，会干扰或者遮挡GNSS卫星信号，影响监测的精度和可靠性，如果情况严重，甚至存在无法有效监测的问题。大量实例和研究表明，基于CORS系统的GNSS测量技术在水平位移监测中具有较高的监测精度，但垂直位移监测精度比较低，难以准确定位水平位移和垂直位移【4】。而且在数据处理中，多采用整周模糊度动态解算法，监测精度为厘米级别，但大坝工程变形位移检测的精度更高，是目前应用基于CORS系统的GNSS测量技术时存在的主要问题。为解决这些问题，本工程在位移变形监测中，采取了如下解决措施。
        第一，采用基于CORS系统的GNSS测量技术联合近景摄影测量和特殊变形测量技术同时监测，弥补了GNSS测量技术在变形测量中存在的不足，大大提升了大坝位移变形测量的准确性和效率。
第二，建立“3S”实时在线分析系统，对大坝位移变形进行在线实时监测，并实现了数据的自动分析和处理，取得了良好效果。
        【结束语】
        综上所述，大坝位移变形监测是大坝施工建设及后期运行的的重中之重，应用基于CORS系统的GNSS测量技术，能够对大坝位移变形进行实时性、周期性监测，为调整施工方案，制定处理方案，提供了必要的数据支持和理论参考，保证了施工质量，值得在类似工程中大力推广应用。
【参考文献】
[1]吴皓,陈必焰.GNSS精密单点定位技术在大坝变形监测中的应用[J].有色金属文摘,2019,34(4):87-90.
[2]崔鹏飞.GNSS及测量机器人在水电站安全监测中的应用[J].能源科技,2020,116(2):69-73.
[3]葛山运.基于GPS/BDS的大坝安全监测试验与分析[J].中国农村水利水电,2020,447(1):169-173.
[4]王广兴,李玮,张绍成,等.测量学课程中"GNSS技术与应用"的教学研究与实践[J].测绘通报,2019,503(2):153-155+169.