gps在工程测量中的应用

11第14章 GPS在工程测量中的应用一、概述GPS是一种全天候、高精度的连续定位系统，并且具有速度快、费用低、方法灵活多样和操作简便等优良特性而被广泛应用于控制测量、工程测量和变形监测中。这一高新技术出现以来，其应用广泛、普及之快是前所未有的。时至今日，GPS定位技术不但取代了利用常规测角、测距手段来建立大地控制网，而且也取代了常规的工程测量和变形监测等。二、 GPS在精密工程测量中的作用精密工程测量是以毫米级乃至亚毫米级精度为目标的测量工作。随着GPS系统的不断完善，软件性能的不断改进，目前GPS已广泛的应用于精密工程测量，如桥梁工程、隧道与管道工程、海峡贯通与连接工程、精密设备安装工程等。 目前我国精密工程控制网，一般都用ME5000测距仪和T3精密光学经纬仪来施测。为研究用GPS来建立精密工程控制网的可行性，武汉大学测绘学院在某山区水利工程布设了如下图所示的精密工程控制网图1 某水利工程点位示意图该网由5个点组成每点都建立水泥墩。设有强制对中装置。试验网的最长边为 1313.5m 最短边长为 359.5m，平均为701.3m。试验时先用ME5000测边，用T3测角，然后用GPS施测。接收机采用TurboRogue84坐标通过与武汉大学测绘学院跟踪站联测求出。经过平差计算，求出全网各边的长及点位坐标，结果见表1和表2。 表1 GPS网与边角网边长比较表由表1可看出，GPS测出的边长与ME5000测出的同一条边长较差中误差为士0.34mm,其较差S有正有负，无系统性差异。从表2可看出，GPS测出20点位坐标与用ME5000和T3求出的点位坐标较差中误差为士0.29mm，其较差S有正、有负，也无系统性差异。结论：完全可用GPS来建立精密工程控制网。表2 GPS网与边角点位坐标比较表二、在直线加速器控制测量中的应用1984年8月，Geo/ Hydro公司曾用 Macrometre V-1000型GPS接收机，在美国斯坦福直线加速器（stanford linear collider, SLC)工程中，承担了精密控制测量工作，该控制网的布设如图2所示。 直线加速器安置在直线部分，粒子要在直径约为1km的环形通道上相撞。为了在环形通道内安装上千块磁铁，必须布设一个高精度的控制网，其点位误差要求不大于12mm。由于该网布设范围仅约4km，图2 GPS测量在斯坦福加速器控制工程中的应用在GPS相对定位中，卫星轨道误差的影响不大，电离层和对流层的影响也基本可以消除，定位的精度将主要受相位观测误差、天线相位中心偏差和多路径效应的影响。该公司用所述GPS接收机，在9个测站上（直线部分四个站，其余位于环形部分）进行了精密的GPS测量，观测数据经综合处理后得出，控制点的水平位置精度约为1-2mm，高程的精度约为23mm，基本上满足了上述加速器设备安装的要求。三、在隧道贯通控制测量中的应用隧道的贯通测量，是铁路、公路隧道和海底隧道工程，以及城市地铁等地下工程的重要任务。隧道贯通测量的基本要求：在隧道两端的开挖面处（有时还有中间开挖面），通过联测建立起始的基准方向，以控制隧道开挖的方向，保证隧道的准确贯通。经典的测量方法，由于要求控制点之间必须通视，致使测量工作变得甚为复杂。在此，GPS测量的特点具有特别重要的意义。目前，在各种隧道工程控制测量中，GPS精密定位技术的应用已甚为广泛，并且充分地显示了这一高新技术的高精度与高效益。欧洲海底隧道工程中，GPS定位技术的应用情况简介：图3 欧洲隧道位置为了适应社会政治、经济和文化交流与发展的需要，在英法海峡建造一条海底隧道（图3)，以便把英法两国联结起来，几个世纪以来，这一直是欧洲人梦寐以求的事情。这项工程于1987年动工，历时约五年，终于1991年贯通，并于1994年5月开始运营。英法隧道，也叫欧洲隧道，位于英国的多佛尔以西，法国的加来西南，全长约50kmo隧道的最深处位于海底以下约40m。整个隧道工程划分为四个施工段，每个施工段要开挖三条管道。在如此浩大的海底隧道工程中，要保证各施工段开挖的管道均能准确的贯通，这对隧道工程的控制测量，提出了严格的要求。为此，在隧道的初步设计阶段，曾用经典方法在两岸各布设了一个平面测量控制网，经平差后，其相对误差达4x10-6，也就是说，对约50km长的隧道，其横向与纵向中误差可达约20cm.为了改善隧道控制测量的精度，在1987年，在两岸使用了T14100GPS接收机，同时观测了3个控制点（图4)，并将观测结果与经典网进行了联合平差，结果使控制网的相对精度提高到 1x10-6。隧道的纵向与横向中误差降为5cm，显著地改善了控制网的精度，从而保障了隧道的准确贯通。图4 “欧洲隧道”平面控制网四、 GPS在工程变形监测中的应用 工程变形包括建筑物的位移和由于人为因素而造成的建筑物或地壳的形变。工程变形主要类型包括：1） 大坝的变形2） 陆地建筑物的变形和沉陷3） 海上建筑物的沉陷4） 资源开采区的地面沉降等。工程变形监测通常要达到毫米级或亚毫米级的精度，而监测的边长一般为300-1000m。在这样短的边长上，GPS能否达到上述精度呢？武汉大学测绘学院做了模拟试验：测试工作在武汉大学测绘学院的 GPS卫星跟踪站与四号楼间进行。试验过程中 GPS跟踪站上的接收机天线始终保持固定不动。四号楼楼顶的 GPS接收机天线安置在一个活动的仪器平台上，平台可以在两个相互垂直（东西和南北方向）的导轨上移动。移动量通过平台上的测微器精确测定（读至0.Olmm，其精度可保证优于0.1mm)，因而天线的位移值可视为已知值。然后通过与 GPS定位结果进行比较来检核精度，评定利用 GPS定位技术进行变形观测的能力。试验时每隔 5小时左右移动一次平台。数据处理采用改进后的GAMIT软件和精密星历进行，并分别计算了5小时解，2小时解和1小时解。5小时、2小时、1小时解的测试分别进行了10组，其结果列于表3. 表3 边长监测结果结论：1个基准点进行观测，5小时观测值平面位移分量中误差为正负0.4mm,2小时观测值平面位移分量中误差为正负0.6mm，1小时观测值平面位移分量中误差为正负1.0mm,若用两个基准点，其监测精度可进一步提高。结果表明，只要采用一定措施，利用GPS技术进行各种工程变形监测室可行的。五、GPS在工程变形监测中应用示例 1、大坝变形监测大坝变形监测的原因：大坝变形监测水库或水电站的大坝，由于水负荷的重压，可能引起水坝的变形。因此，为了安全方面的原因，应对大坝的变形进行连续而精密地监测。GPS精密定位技术与经典测量方法相比，不仅可以满足大坝变形监测工作的精度要求（0.199m-1.099m)，而且便于实现监测工作的自动化。一般情况下，大坝外观变形监测GPS自动化系统包括数据采集、数据传输、数据处理三大部分。下面以隔河岩水库大坝监测为例介绍（隔河岩水库位于湖北省长阳县境内，是清江中游的一个水利水电工程，坝长653m，坝高151m), 1)数据采集 GPS数据采集分基准点和监测点两部分，由7台Ashtech-12GPS接收机组成。为提高大坝监测的精度和可靠性，大坝监测基准点宜选2个，并分别位于大坝两岸。对监测点位的要求：监测点应能反映大坝形变，并能满足 GPS观测条件。根据以上原则，隔河岩大坝外观变形 GPS监测系统基准点为 2个（GPS1和 GPS2）、监测点为 5个（GPS3一GPS7）。 2)数据传输 根据现场条件，GPS数据传输采用有线（坝面监测点和观测数据）和无线（基准点观测数据）相结合的方法，网络结构如图5所示。 3) GPS数据处理、分析和管理 整个系统7台GPS接收机，在一年365天中，需连续观测，并实时将观测资料传输至控制中心，进行处理、分析、储存。系统反应时间小于10分钟（即从每台GPS接收机传输数据开始，到处理、分析、变形显示为止，所需总的时间小于10分钟）。 本系统的硬件环境及配置如图6。整个系统全自动，应用广播星历 1-2小时GPS观测资料解算的监测点位水平精度优于1.5mm（相对于基准点，以下同），垂直精度优于1.5mm。目前在水库或水电站的大坝监测中，整个系统构成可采用图7所示的数据采集、传输、处理、分析和管理结构。图5 GPS自动监测系统网络结构图6 硬件环境及配置 图7 监测系统2、地面沉降的监测 随着地下资源的不断开采，地面沉降现象不断发生，这将直接影响人民生命财产的安全。诸如，由于地下煤炭、石油和天然气的开采，引起了许多矿区的地面沉降；在城市，由于过量抽取地下水资源，或由于局部区域施工面大量降低地下水位，也将使城市地面产生了显著的沉降现象。 地下资源开发区地面的沉降现象，与工业生产、经济建设以及人们的生活密切相关。因此，对上述沉降现象进行监测，以提供有关地面沉降的数据，掌握其变化规律和制定相应的防治措施，是矿区建设和城市建设的一项重要任务。在这一应用领域，采用 GPS测量技术是十分经济有效的。由于 GPS测量无需相互通视，且速度快，作业灵活，它与传统沉降监测方法相比，野外作业强度小，作业效率高。 由于在地面垂直位移监测时，我们最关心的是相对沉降量，因此，可以直接利用大地高程系统，而无需将 GPS测得的大地高程进行系统转换。这样不但简化了计算工作，而且可以保障观测结果的精度不受损失，也是具有一定的意义。例如，上海市的地面沉降监测就是采取了这一方法，并取得了很好的效果。 3、海上勘探平台沉降监测 由于海上石油及天然气的开采，也可引起海底地壳的沉降，从而造成勘探平台的沉降。根据北海油田的监测资料，这种沉降速率每年可达 10-15cm。因此，及时监测海上勘探平台的水平和垂直位移情况，对于确保安全生产是极其重要的。随着我国海上资源的不断勘探和开采，此项工程也显得十分的重要。 利用经典大地测量方法监测海上平台的位