1、安徽建筑大學畢 業(yè) 設 計 (論 文)專 業(yè) 測繪工程 班 級 2班 學生姓名 翟凱 學 號 課 題 基于GPS大壩變形監(jiān)測 指導教師 施貴剛 2015年 月 日摘要大壩安全監(jiān)測，著重于變形監(jiān)測，是保證大壩運營安全，防止大壩災難性事故發(fā)生的重要手段。本文基于GPS測量的基本原理，通過大壩變形監(jiān)測網的布設，處理采集到的前后兩期觀測數據，通過比較監(jiān)測點分別在WGS84坐標系和1954北京坐標系下的坐標差值，得出的結果符合大壩變形的精度要求，從而得出某大壩尚未發(fā)生明顯變形這一結論。不足之處在于標志點在WGS84坐標系中向1954北京坐標系的投影過程中產生了誤差，使得控制點的兩期坐標不等。由此可知，各

2、坐標之間轉換的時候，投影誤差不可以忽略，精度分析的時候，為減小誤差，最好統(tǒng)一在WGS84坐標系下進行解算、分析。關鍵詞；GPS ；變形監(jiān)測；精度ABSTRACTThe dam safety monitoring, focuses on the deformation monitoring, it is to ensure the safety of dam operation, prevent the catastrophic accidents. In this paper, based on the basic principle of GPS measurement, through t

3、he dam deformation monitoring network layout, processing, both before and after the period of observation data collected by comparing the monitoring points in the WGS - 84 coordinate system and 1954 Beijing coordinates the coordinates of the difference, the results conform to the requirements of the

4、 precision of the dam deformation, thus a dam has not yet occurred obvious deformation of the conclusion. Shortcoming in the landmark in the WGS - 84 coordinate system to the 1954 Beijing coordinate system produced in the process of projection error, making the control points of the two coordinates.

5、 Therefore, the coordinate transformation between, projection error can not be ignored,Precision analysis, to reduce the error, it is better to unify the WGS - 84 coordinates calculating and analysis.Key words； GPS，deformation monitoring，precision目錄摘要IAbstractII插圖或附表清單V注釋說明清單VI第一章 緒論 4 1.1 大壩變形監(jiān)測的意義

6、5 1.2 GPS用于變形監(jiān)測的現(xiàn)狀5 1.3研究內容6目錄為正文部分信息概要，與摘要一起單獨編號。不用此信息時，刪除此框。第二章 基于GPS技術大壩變形監(jiān)測的方法7 2.1 控制網布設7 2.2監(jiān)測點布設8 2.3大壩變形監(jiān)測方案9 2.3.1測側區(qū)勘察9 2.3.2資料收集9 2.3.3確定布網方案9 2.3.4GPS測量方法10 2.3.5編寫技術設計說明10 2.3.6造標埋石10 2.3.7投影帶選取11 2.3.8測量規(guī)范11第三章 大壩變形監(jiān)測數據處理113.1 數據處理的方法113.2 數據分析143.3 預測與預報17 第四章 結論與展望17 4 .1 結論17 4.2展望1

7、8 參考文獻18附錄19謝辭20ContentsAbstract IIntroduction 1Chapter 1 2conclusion 7reference 11postscript or compliment 13resume of tutor 11一緒論由于大型建筑物（如大壩）在國民經濟建設中的重要性，其安全問題受到普遍關注。一旦因為某種原因引起工程災害，其后果將不堪設想。因此，準確地掌握各類工程建筑物的變形狀態(tài)，實現(xiàn)預測和防治工程災害的目的，顯得十分必要。本文通過對某大壩實施變形監(jiān)測，主要的目的在于：1分析和評價大壩的安全狀態(tài)，2驗證設計原理，反饋施工質量，3研究變形規(guī)律，對大壩變形

8、合理預報。鑒于當前的GPS測量精度已經達到毫米級，利用GPS進行水平位移觀測可獲得小于2mm精度的位移矢量，高程的測量誤差也能獲得不大于10mm的精度。因此，本文在詳細總結了GPS技術應用于變形監(jiān)測方案設計的基礎上,對某大壩建立變形監(jiān)測網，根據監(jiān)測網的數據處理方法以及變形分析的方法，比較監(jiān)測點在前后兩期的坐標差值，對輸出成果進行分析和預測，從而得出大壩的變形現(xiàn)狀。通過GPS技術在某大壩變形監(jiān)測的應用實例,充分說明了GPS定位技術是一種應用前景廣闊的變形監(jiān)測方法。1.1大壩變形監(jiān)測的意義由于混凝土壩建成蓄水后，在水壓力、泥沙壓力、浪壓力、揚壓力及溫度變化等因素作用下，往往會產生變形，影響大壩的正

9、常使用，嚴重時會危及大壩的安全，引起坍塌，滑坡，沉陷，傾斜，裂縫等災難性的后果，給社會和人民的生活帶來巨大的損失。如法國67m高的馬爾巴塞拱壩1959年垮壩，美國93m高的提唐土壩1976年潰決，財產經濟損失嚴重。而我國隔河巖大壩外觀變形GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)在1998年長江抗洪錯峰中發(fā)揮了巨大作用，確保了安全防汛，避免了荊江大堤潰塌。因此，對大壩進行安全評估的變形監(jiān)測工作顯得尤為重要，1.2 GPS應用于變形監(jiān)測現(xiàn)狀經過近十年的迅速發(fā)展,GPS觀測邊長相對精度已經能夠達到10-9m,比傳統(tǒng)大地測量精度提高了3個量級。所以，GPS技術在變形監(jiān)測方面有著廣泛的運用。首先,利用GPS技術解決了常規(guī)觀

10、測中需要多種觀測的問題,觀測結果能充分反映滑坡的全方位活動性,是監(jiān)測滑坡變形、掌握滑坡發(fā)育規(guī)律的切實可行的技術;其次,該技術可對大型建筑物位移實時監(jiān)測,具有受外界影響小、自動化程度高、速度快、精度較高等優(yōu)點,可以全天候測量被測物體各測點的三維位移變化情況,找出被測物體三維位移的特性規(guī)律,為大型建筑物的安全、養(yǎng)護維修提供重要的參數和指導;第三,GPS精密定位技術不僅可以滿足水庫大壩外觀變形監(jiān)測工作的精度要求,而且有助于實現(xiàn)監(jiān)測工作的自動化。另外,GPS技術還應用于地面、海上勘探平臺及高層建筑物等的沉陷觀測中。1.3 研究內容本文基于GPS測量工作原理，通過建立GPS測量控制網，對某大壩實施變形監(jiān)

11、測，通過得到的數據成果，對大壩變形情況進行評估和預測。本文依據GPS測量技術設計，采用GPS連續(xù)性靜態(tài)相對定位，依照GPS網的精度標準與分類，采用邊點混合連接式，通過前期對測區(qū)踏勘與地形圖的資料收集（交通狀況、水系分布情況、控制點分布情況等）。對外業(yè)觀測計劃進行擬定；（GPS網的規(guī)模大小、點位精度要求 、GPS衛(wèi)星星座幾何圖形強度、參加作業(yè)的接收機數量 、交通，通信等的后勤保障）。布網方案，GPS網點的圖形及基本連接方法，GPS網結構特征的測算，點位布設圖的繪制等。編寫技術設計說明書，選點與埋標（GPS點位的基本要求、點位標志的選用及埋設方法、點位的編號等）。投影帶的選取，經過外業(yè)觀測（編制G

12、PS衛(wèi)星的可見性預報圖、選擇衛(wèi)星的幾何圖形強度、選擇最佳的觀察時段、觀察區(qū)域的設計與劃分、編制作業(yè)調度表等）。得到相關的數據后，利用計算機進行數據處理。通過對成果數據的分析，了解大壩變形的情況。最后對本文所采用的方法進行總結，對未來GPS技術發(fā)展的趨勢進行展望。二基于GPS技術大壩變形監(jiān)測的方法2.1控制網布設GPS網的精度設計主要取決于網的用途，其精度標準一般用GPS邊長的固定誤差a和比例誤差b表示。由于GPS同步觀測不要求點間通視，故GPS網形設計具有較大的靈活性。GPS網的基準包括位置基準，方位基準和尺度基準。GPS網的網形布設通常有點連式，邊連式，邊點混合連接式。GPS觀測中，3臺或3

13、臺以上接收機同步觀測獲得的基線向量構成同步環(huán)。故所謂點連接、邊連接等方式都是指同步環(huán)之間的連接。本文用3臺接收機進行觀測的網形設計如圖a所示將三角點（A、B、C、D）作為基準點與變形監(jiān)測點一同進行GPS網的網形設計。對于3臺接收機組成的監(jiān)測網，基準網點4個，需觀測3個時段。基準點與變形監(jiān)測點連成16個三角形，觀測16個時段。該網形的多余觀測比較多，屬于可靠性較強、精度較高的網形。對于設計出的GPS網形，要依據接收機的觀測精度和網形結構，進行精度預計，同時給出該網的可靠性指標，求出最弱點點位中誤差?？紤]到觀測時段數，最后優(yōu)化出精度能滿足要求、工作量最省的方案。2.2 監(jiān)測點布設本次將變形監(jiān)測點埋

14、在大壩上，由于GPS測量不一定要求測站間相互通視，且網的圖形結構較靈活，因此點位目標要顯著，視場周圍15度以上不應有障礙物，以減小GPS信號被遮擋或被障礙物吸收。本次為了避免磁場對GPS信號的干擾，選取的點位遠離大功率無線電發(fā)射源不小于200m處，遠離高壓輸電線，其距離不小于50m。確定了控制點的位置以后，即著手進行造標埋石工作，最為重要的是標志點的選取必須非常堅固，從而有效反應大壩的變形情況，另選取了大壩外的基準點，作為對大壩上標志點的對照。此大壩共有5個標志點GC06、OP05、OP04、OP03、GC11，其中GC06、GC11兩個基準點位于壩體之外，可認為是固定的，在沒有較大的運動情況

15、下，基本上可視為是壩體運動的參考點。OP05、OP04、OP03位于壩體上的特征點，通過監(jiān)測這三個點的運動，可分析壩體的大致運動趨勢。2.3 大壩變形監(jiān)測方案2.3.1測區(qū)勘察主要是了解測區(qū)的地理位置、形狀大小，今后發(fā)展遠景，測量成果使用的精度要求，完成任務的期限以及生產上對控制點的位置、密度的要求等?？刂泣c的分布情況；三角點、水準點、GPS點、多普勒點、導線點的等級、坐標、高程系統(tǒng)、點位的數量及分布，點位標志的保存狀況等。2.3.2資料收集（1）如設計時需用的地形圖(比例尺為11000150000)，各類圖件；大地水準面起伏圖，交通圖等。（2）測區(qū)已有各類控制點的成果；三角點、水準點、GPS

16、點、導線點及各控制點坐標系統(tǒng)、技術總結等相關資料。（3）測區(qū)有關的地質、氣象、交通、通信等方面的資料。（4）城市及鄉(xiāng)村行政區(qū)劃表等。2.3.3確定布網方案由于僅僅是對大壩所在區(qū)域相對于大壩外控制點的變形，因此布設成圖1獨立網（其中，GC06、GC11為已知點）。2.3.4 GPS測量方法本次測量方法是GPS相對定位測量，是采用三度帶投影的全面布設。圖上設計時是在1:25000的地形圖上進行的，具體過程是：首先展繪已知點、網；按照已定的布網方案從圖上判斷點與點之間是否彼此通視，由各點組成的圖形能否滿足規(guī)范所規(guī)定的精度和其他要求，監(jiān)測點所在位置也應能滿足使用要求。圖上選點后，須到實地確定，是否切實

17、可行，為了保證控制網精度和避免返工，還應該對控制網中推算元素的精度進行估算。每個觀測時刻的觀測衛(wèi)星大于4顆，儀器采樣間隔統(tǒng)一設置為10妙，天線采用腳架安置在點位垂線方向上，對中誤差小于3mm，基座均整平，居中。接收機采集數據后轉換為國際標準rinex格式，運行ashtechsolutions后處理軟件，建立新項目，定義坐標系統(tǒng)，輸入中央子午線137，比例因子是1，橢球是1984北京坐標系，導入renix格式數據，點擊計算機鍵盤F5鍵，軟件默認處理所以基線，共有10條基線，處理后的基線標準差值均小于限差，然后進行最小約束平差，平差后的基線向量的徑向殘差均小于限差，Networkrel.Accur

18、acy顯示通過，處理結果均小于限差。2.3.5編寫技術設計說明書編寫技術設計的目的在于擬定大壩監(jiān)測控制測量的實施計劃，從整體規(guī)劃上、技術上、組織上作出說明。2.3.6造標埋石確定了控制點的位置以后，須著手進行造標埋石工作，埋設的標石作為點的標志，建造的覘標作為觀測時照準的目標，一切觀測成果和點的坐標都歸算到標石中心上。因此，標志點的選取一定要堅固，保證能有效地反應大壩的變形情況。2.3.7投影帶的選取此次控制網點均分布在101104之間，靠近101，選取3帶作為投影帶。為了避免投影誤差，還可在WGS84坐標系下進行測量、計算、比較和評定。2.3.8測量規(guī)范一般傳統(tǒng)的監(jiān)測網中需要分別設置平面控制

19、網和高程控制網，有時按照測圖網的精度和密度要求，需要同時獲取標志點的三維坐標，所以觀測時要滿足國家的規(guī)范要求。一般情況下，距離丈量相對誤差不超過1/10000，測角誤差不超過10分。為了保證整個建筑場地各部分高程的統(tǒng)一和精度要求以及高程測設的便利，采用GPS實施監(jiān)測。3 大壩變形監(jiān)測數據處理3.1 數據處理方法處理數據的思路：總共有兩期對大壩的監(jiān)測數據，在大壩整體位移不大、主要研究大壩控制網內標志點變化的情況下，可將壩體外的兩個點視為基準點，對整個網進行整體基線解算和網平差，輸出各個點的坐標及精度評定結果；然后以第一期觀測的基準點GC06、GC11為固定點，利用第二期數據進基線解算和網平差，并

20、對各個點的精度進行檢核是否在控制的范圍內，如果超出限差，需要對數據進行進一步的處理，然后同比第一期處理的OP05、OP04、OP03點的坐標進行對比，比較兩期觀測中，大壩總體的結構位移，從而對其穩(wěn)定性進行分析。安裝ashtechsolutions后處理軟件包，雙擊圖標打開軟件，首先建立一個工程，顯示出如下界面導入數據，數據分布如圖2，進行基線解算和平差處理，結果為（圖3）圖2 第一期數據分布圖圖3.第一期數據整體平差圖解算完畢，從網精度圖上分析基線的精度，對精度較差的基線進行處理。以基線OP05GC06為例，查看OP05GC06基線的載波相位雙差殘差（carrierphasedoubledif

21、ferencedresiduals），從中找出誤差較大的時間段，進行有效的篩除，從而進一步提高GPS監(jiān)測數據的高精度。其他殘差圖曲線基本平滑連續(xù)而且數值比較小，說明觀測數據質量比較好，符合高精度滑坡變形監(jiān)測的要求。對第二期數據進行相同的方式進行處理：將第一期觀測的兩基準點作為第二期觀測的控制點，1954坐標系中平差結果如下（圖4）：圖4.第二期數據處理點的結果3.2 數據分析經過ashtechsolutions軟件處理，可得兩期觀測的平差網點圖和分別在WGS84坐標系和1954北京坐標系下的包含基線向量、各點坐標及精度的報告，將兩組數據用1954北京坐標系下的坐標表格對比：（注：差值是第一期與

22、第二期之差） 表1 北京坐標系 坐標標志點East（m） North（m） Elves（m）GC06第一期478465.3212967440.5341236.082第二期478465.3212967440.5341236.082差值0.000.000.00GC11第一期478832.8902967870.3831233.725第二期478832.8902967870.3831233.725差值0.000.000.00OP03第一期478345.3212968025.3591231.698第二期478345.3222968025.3611231.697差值-0.001-0.0020.01OP04

23、第一期478209.3142967889.2691231.693第二期478209.3172967889.2701231.695差值-0.003-0.001-0.002OP05第一期478169.3432967663.7741231.684第二期478169.3452967663.7751231.687差值-0.002-0.001-0.003將兩組數據在WGS84坐標系下進行比較：（注：其差值是第一期和第二期之差）表2 WGS-84坐標系坐標標志點Lat Lon Elves（m）GC06第一期264901.78542”101 47 00.20334”1201.067第二期264901.7905

24、8”101 47 00.14788”1201.506差值-0.005160.005560.439GC11第一期264915.77142”101 47 13.48728”1198.724第二期264915.77662”101 47 13.43182”1199.161差值-0.005200.05546-0.437OP03第一期264920.77974”101 46 55.82173”1196.694第二期264920.78496”101 46 55.76623”1197.133差值0.005220.05550-0.039OP04第一期264916.35054”101 46 50.90506”119

25、6.687第二期264916.35573”101 46 50.84959”1197.128差值-0.005190.00547-0.441OP05第一期264909.02198”101 46 49.47170”1196.673第二期264909.02714”101 46 49.41628”1197.114差值-0.005160.05542-0.431通過上述兩個圖可分析得：兩期觀測中，第一期為自由控制網，第二期是第一期在北京1954坐標系中網平差結果的基礎上以GC06、GC11為基準點進行約束控制網平差，可得兩次觀測中最大點的坐標差值不大于3mm，3mm是在對大壩進行采取一定救護措施的限差之內。

26、說明兩次觀測中，大壩標志點沒有發(fā)生明顯的變化，之所以在WGS84坐標系中GC06、GC11兩點的兩期觀測差值不為0，是因為標志點在WGS84坐標系中向北京1954坐標系的投影過程中產生了誤差，使得差值出現(xiàn)了不同程度的大小，此例也說明，在各坐標之間轉換的時候，投影誤差不可以忽略，由此而知，精度分析的時候，為減小誤差，最好統(tǒng)一在WGS84坐標系下進行解算、分析。3.3 預測與預報通過以上的測量結果與數據分析，該大壩未發(fā)生明顯變化。但大壩發(fā)生變形是客觀存在的，因此應該提高監(jiān)測人員的專業(yè)性素質。不能忽略工程質量各個環(huán)節(jié)的把握力度與關注度，否則會造成難以彌補，無法預期的后果。4 結論與展望4.1總結GP

27、S技術以其全天候、高精度、高速度、實時三維定位、誤差不隨定位時間而積累、高動化等特點優(yōu)于傳統(tǒng)的測量技術,對于變形監(jiān)測是一種非常有效的方法。特別是在大型工程中應用一機多天線監(jiān)測系統(tǒng),不但能大幅度降低成本,而且其精度不會降低,既提高了工作效率,又節(jié)省了大量的人力和物力。水電站大壩安全責任重于泰山。通過對以往事故的回顧和分析，說明在大壩設計、施工和運行過程中，任何失誤和疏忽都將影響到大壩的風險度，都有可能鑄成大禍，造成巨大損失，必須加強大壩設計、施工、運行全過程的安全管理。本文重點針對運行中大壩的安全問題，運用GPS技術進行變形監(jiān)測，使其作為確保大壩安全行之有效的重要措施，必須要堅定不移地繼續(xù)貫徹下去。4.2展望在本文研究基礎上，還有很多需要研究的問題：（1）對于使用GPS技術動態(tài)性監(jiān)測的大壩，還需要更更多的監(jiān)測內容，考慮的因素還要包括：水流、季節(jié)變化、重荷情況下的位移變化。（2）必要時候，GPS技術中還需要進行實時觀測，建立實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過對標志點的多次監(jiān)測，來預測大壩的位移趨勢，更加準確的預測。通過廣大運行管理和科技人員的不懈努力，來解決目前GPS技術監(jiān)測大壩變形的過程中出現(xiàn)的各種關鍵性難題，逐步完善，逐步提升總體的發(fā)展水平，在未來我相信我國必將迅速成為壩工建設和運行管