临淮岗洪水控制工程监测网数据质量分析.doc

论文发表 全球定位系统(Global Positioning System,GPS)具有速度快、精度高、自动化程度高 、经费省以及不受通视条件限制等优点,已经在测绘工程中得到广泛应用,在大中型水利工程变形监测中发挥着及其重要的作用。水利工程变形监测的精度要求很高,在建立GPS变形监测网、GPS观测以及观测数据处理分析等各方面必须采取适宜的方法和措施,才能满足水利工程变形监测的要求。 淮河中游临淮岗洪水控制工程为大型水利工程,主要由主坝、北副坝、南副坝、船闸、十二孔深孔闸、四十九孔浅孔闸、姜唐湖进洪闸、穿坝建筑物及引河闸等工程组成。GPS变形监测网主要沿主坝、副坝及各大闸体进行均匀布设,网内共布设了五个平面监测控制点(均为已安装强制对中装置的土层天线墩)和七个水准监测控制点。GPS变形监测网内平均边长4 215 m,最短边长1 199 m,最长边长9 126 m。GPS变形监测网的建立主要为临淮岗洪水控制工程的变形观测提供平面及高程基准,由于在GPS定位中测定的是点的大地标高,而需要的却是正常标高或正标高,目前尚难以获得足够精 确的高程异常值或大地水准面差距。根据要求,平面监测网选用全球定位系统GPS的C级网进行布测,高程监测网进行一等水准观测,目前该GPS变形监测网已观测了三期。 1 监测网的建立 由于GPS变形监测网要求GPS基线向量达到毫米级的精度,比常规的GPS控制网要求的精度还要高1个数量级,因此,在建立GPS变形监测网时,除要求GPS观测满足不遮挡卫星信号、远离电磁波干扰源等一般要求外,还必须采取以下措施进一步提高GPS观测精度: (1) 采用已安装强制对中装置的土层天线墩 若将GPS天线安置在三脚架上进行观测,对 中误差一般为(13 mm),且当GPS观测时间较长时,脚架受风力、日照、地面震动等因素的影响在观测过程中可能会发生变形,因此,建立GPS变形监测网时各观测点都应布设在距离水利工程位置适当、地质条件稳定的地方,且采用已安装强制对中装置的土层天线墩。此外,天线墩作为重要的测量标志需妥善保护,防止受到破坏。 (2) 选择恰当的观测窗口和足够的观测时间 卫星的几何分布强度和可接收信号的卫星数 决定了GPS的观测精度。使用GPS进行变形监测必须有足够的观测时间,以减弱其他随机误差的影响,提高观测精度,此次变形监测网的观测时间均多于3 h。 (3) 选取合适起算点 在对GPS变形监测网进行施测时,起算点的选取非常重要,与已有W GS-84坐标系的点进行联测,一般应与IGS核心站观测资料进行联测计算,得到准确的起算数据,以消除起算点误差对基线解的影响。由于此次GPS变形监测网不具备与IGS核心站观测资料进行联测计算的条件,采用的起算点是变形监测网附近已联测的GPS点。 (4) 制定合理的观测方案 在制定观测方案时,应保证有足够的多余观测,以利于粗差的 剔除,防止误差累积。在实际外业观测过程中,使用三台台Leica 530型GPS接收机和四台NGS9600型GPS接收机联合在二个已知GPS控制点及五个监测基点上进行观测, 观测严格按照C级静态GPS测量方式进行。 (5) 剔除粗差和差信号时段 在使用随机的GPS静态后处理软件对数据进行后处理时,应 注意剔除含有粗差的观测值及观测时间很短或不足的基线时段。 临淮岗洪水控制工程变形监测网(见图1),位于监测网两侧的HWGPS02、BFBGPS02是已进行联测的GPS起算点,中部的LH06是校测点,C001、C004、C005、C006、C009为此次布设的土层天线墩,构成大地多边形。图1 临淮岗洪水控制工程变形监测网布设图 2 监测网基线解算与平差处理 2.1 监测网的基准设计 为比较GPS变形监测网的各期观测结果,需要有统一的基准。GPS变形监测网的基准有三个位置、三个方位和一个尺度基准。通常,以固定的基准点作为GPS监测网的起算点,在基准设计时,应当选择三个以上稳定的基准点。临淮岗洪水控制工程的变形监测采用的是定期复测模式,速度基准可不做考虑;另单独建立了高程变形监测网,位置基准也只需考虑平面的二个参数。 2.2 监测网基线解算 为提高基线解算精度,在仪器的标称精度范围内,一般应采取卫星姿态较好的时段作为观测时段,剔除较差的卫星、设置合适的卫星截止高度角、选择合理的观测值类型等。GPS接收机的记录数据由基线解算软件转换成国际通用标准格式数据,统一解算,并进行外业数据检查。自动处理基线向量的结果(见表1表2):方差比3,中误差40 mm,参与解算的向量均符合要求,解算成功有39条基线。按C级控制网精度要求,取a 10 mm,b510-6,D=4.22 km代入 =a2+(bD)2=23.4 mm 式中: a为接收机固定误差, mm; b为比例误差; D为平均基线边长,km。 表1 基线中误差 最大中误差/mm限差/mm基线长/km12.823.44.3 表2 重复基线闭合差 最大闭合差/mm限差/mm环长/km9.966.09.1252.3 监测网平差处理方法 GPS变形监测网经同步环闭合差、重复基线边以及异步环闭合差检核合格后,进行下一步的数据处理,即GPS网平差。GPS网平差分为固定一个已知点的无约束平差和固定多个已知点的 约束平差。对于GPS变形监测网来说,固定多个已知点的约束平差会将已知点的误差引入GPS变形监测网点。除非已知点的精度很高,并且经检测其误差对GPS变形监测网点可以忽略不计。 对于GPS变形监测网,各期基线解算有了统一的位置基准后,每一期分别进行固定一个已知点的无约束平差的成果,更有实际价值。这样已知起算点之间的位移,或第一期对起算点的观测误差就不会影响平差结果。 各期观测的结果进行无约束平差后,虽然统一了位置基准,但仍然存在着方位基准和尺度基准的影响。为了利用各期的平差成果进行变形分析,各期无约束平差成果还必须统一方位基准和尺度基准,统一各期基准的方法可以利用网中的全部起算点与GPS变形监测网点 各期观测结果对第一期进行坐标转换。大地坐标的三维转换可以按七参数布尔莎转换模型进行转换,也可以将大地纬度、经度或高斯平面直角坐标按二维转换模型进行转换。 3 数据质量分析 临淮岗洪水控制工程GPS变形监测网布设完毕后,对GPS变形监测网进行了三期的变形监测。应用基线解算以及网平差处理方法,对这三期观测数据进行处理,并对所得数据结果进行质量分析。 对每一期观测数据进行以下几种平差处理: 固定一个已知点的无约束平差;固定二个已知点的约束平差; 固定多个已知点(以第一期观测平差坐标为基准)的约束平差; 用多项式拟合法进行坐标转换(见表3)。 表3 无约束平差各期之间的坐标差mm 点号2期1期xy3期1期xy3期2期xyC00123.6-6.614.7-5.9-8.90.7C004-5.72.6C00514.8-9.715.6-C00629.5-7.526.8-4.8-2.72.7C00920.7-5.820.4-4.7-0.31.1 C004号点在首次观测后,由于施工原因遭到破坏,随后在能保持网形坚强,地质条件稳定,便于观测的位置重筑了C004号点,其2期与3期数据有可比性。从表3可知,2期和3期的数据分别与1期数据相差较大,而2期与3期之间的数据相差较小,这是因为首次观测是在天线墩筑好之后不久进行的,天线墩的自身的沉降造成2期和3期的数据分别与1期数据相差较大。除此之外,2期与3期之间个别数据相差较大,说明各点位之差存在方位与尺度基准的影响,特别是C001、C004两个点的点位之差较大,是因为选择的固定已知点是距这两点较远的BFBGPS02,方位与尺度基准对这两点的影响较大。利用BFBGPS02、HWGPS02两点作为已知点进行 约束平差(见表4)。 表4 约束平差各期之间的坐标差mm 点号2期1期xy3期1期xy3期2期xyC0015.6--0.7-0.1C004-2.50C0051.9-8.67.5-C00619.4-7.320.5-7.31.10C00916.4-5.417.9-6.11.5-0.7 表4中两期之间坐标差显然比表1小,特别是C001、C004两个点的点位之差大大减小,说明各期都使用了BFBGPS02、HWGPS02两点作为已知点进行约束平差,统一了方位与尺度基准。但从数值及符号规律来看,仍然存在一定的偏差,说明两起算点之间观测误差影响了各个点位。为此,进行第三种方法的平差计算,即固定多个已知点(以第一期观测平差坐标为基准)的约束平差计算(见表5)。 表5 固定多个已知点的约束平差mm 点号2期1期xy3期1期xy3期2期xyC0010.8-6.6-0.9-7.7-1.7-1.1C0040.8-0.8C005-1.9-6.62.7-6.74.6-0.1C006000000C0099.8-1.610.8-1.71.0-0.1 表5中数据说明采用多个已知点对GPS变形监测网进行约束平差计算,在一定程度上克服了方位与尺度偏差的影响,但在建立变形监测网时不可能联测到多个高精度的GPS已知点,从表5中可得此次约束平差计算调用了表3的C006平差后的坐标进行的。用多项式拟合法对各期无约束平差数据进行拟合处理,得到各期之间的坐标差(见表6)。 表6 多项式拟合法进行坐标转换mm 点号2期1期xy3期1期xy3期2期xy C001-1.13.6-0.2C0040.8-0.8C005-1.72.3-1.82.7-0.10.4C006-6.8-4.3-7.4-4.6-0.50.3C0099.6-1.610.1-1.5-0.4-0.1 从表6中可以看出,所有差值正、负值之总和为零,这是全部点位参加拟合计算的结果。使用变形监测网中4个点作为固定已知点参加拟合计算,在其观测精度很高的情况下,拟合的结果能够反映出变形监测网点的变化,为变形监测网数据质量分析提供可靠依据。说明用多项式拟合法能达到GPS变形监测网各期数据处理的一致效果。 4 结论 (1) 设计初期,充分考虑到监测网周边的控制情况,选定了3个布设合理稳定的起算点,经联合检测其点位稳定可靠。但由于起算点为传统埋石点,在观测过程中将GPS天线安置在三脚架上进行观测,对中误差不可避免。 (2) 在外业观测过程中,为保证监测精度,采取了一系列观测措施。而在首期观测中由于临淮岗洪水控制工程主坝的堤顶道路正在施工,使得观测方案实施的不够理想,从数据质量分析中可以看出其给观测精度带来的影响。 (3) GPS数据处理软件转换成国际通用标准RINEX格式数据,然后由数据处理软件统一解算,进行外业数据的检查。 (4) 各期观测数据在基线解算的基础上,先进行固定一个基准点的无约束平差,然后再应用多项式拟合法进行坐标转换,统一各期的位置、方位和尺度基准后,便可以比较各期之间的点位移动并提供可靠的数据质量分析。 参考文献: 1 王军,