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。它在大壩精確實時觀測及其水電設(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)濟損失，避免嚴重的環(huán)境破壞。但是如果大壩及其設(shè)施位于偏遠的地方，監(jiān)測它們就比較困難。在偏遠的、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，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)處理軟件結(jié)合起來后，比普通的監(jiān)測系統(tǒng)前進了一大步。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)，認為高精度的GPS只是僅僅提供給軍事領(lǐng)域。事實上，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)。這不僅是因為GPS技術(shù)有高于厘米的精度，還因為與同類技術(shù)相比它能提供實時的數(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)備進行安裝。

　　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。 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)來提供精確的數(shù)據(jù)，而且有些還要每年拆卸和花費大量時間進行數(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接收器實時發(fā)出的連續(xù)位置數(shù)據(jù)流，還得將一定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進行整合使干擾進一步降低。GPS解決誤差所顯示的分布與高斯分布配合的非常好，而且能隨著時間的推移顯著地降低。例如，3D Tracker系統(tǒng)的垂直精度在1mm～2mm之間，這是24小時誤差解決方案的標準偏差。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的這個特性非常實用，因為大壩上同一測點的兩個獨立的、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)）。

　　實時GPS系統(tǒng)能通過因特網(wǎng)（Internet）、防洪大壩是當時世界上最高的大壩。它已經(jīng)經(jīng)受住了1971年San Fernando和1994年Northridge地震的嚴重破壞。大壩上布置了兩個GPS測點。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。還有一個基準點安裝在了距離大壩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，運動幅度大約在15mm～18mm之間。這組數(shù)據(jù)也使研究人員開始分析大壩年周期運動與短期溫度變化之間的關(guān)系。

　　Pacoima 大壩的報告也強調(diào)了謹慎處理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，這會在大壩實時安全監(jiān)測軟件中激發(fā)一個極限警報。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。

　　2.建立可信賴的GPS監(jiān)測系統(tǒng)

　　Condor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時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實時處理技術(shù)不同，它不是在GPS裝置內(nèi)部進行，而是在一臺中心計算機上運行程序。向一臺中心計算機上傳輸需要處理的GPS測量數(shù)據(jù)有以下幾個優(yōu)點：1. 應(yīng)用個人計算機能很容易掌握復(fù)雜的算法，可向多個地址提供高精度的實時信息。2. 在GPS器材組件上的花費可顯著降低，因為在野外可以布置相對便宜的接收器。3. 中心計算機上的數(shù)據(jù)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。

　　3.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實時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�土樁上的六個測點和兩個GPS基準點構(gòu)成。一個GPS基準點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分別建立兩條獨立的基線，同時也能通過解算兩基準點間的基線完整地觀測基準點�；�線的長度從一百米到一公里不等。實時數(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，GPS實時觀測得到的數(shù)據(jù)水平觀測和垂直觀測的精度大約為2mm～4mm，24小時時段觀測精度能達到1mm～2mm，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）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。

　　運用這兩個GPS基準點，能對大壩上的每個測點使用兩套獨立的方法計算。因為GPS的精度是絕對的，所以這兩個獨立的測量結(jié)果能不斷地與系統(tǒng)標準精度比照，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。大壩上每個測點的兩個獨立過程之間的極小的誤差增強了人們對測點測量精度的信心。兩個獨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，兩個基準點的計算成果在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)定參照標石和為每個GPS基準點觀測連續(xù)坐標的方法。如果所觀測的建筑物有可能發(fā)生的位移，基準點的精確測量結(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來評價，分別是：系統(tǒng)錯誤分析、重復(fù)數(shù)據(jù)分析和計算結(jié)果精度分析。Libby大壩都已明確這三個指標，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到幾個毫米。

　　4.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)和實時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時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也有它的不足之處。最大的不足就是天線對能見度的要求。由于GPS系統(tǒng)不間斷地運行產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，所以操作人員必須有出色的數(shù)據(jù)管理技術(shù)，對計算機和網(wǎng)絡(luò)連接的熟悉也非常必要。因此如果天空能見度好，操作人員管理數(shù)據(jù)技術(shù)熟練，用GPS監(jiān)測變形是一個非常有吸引力的選擇。實時GPS系統(tǒng)與其它的監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，如傾斜感應(yīng)器、傾斜儀、全站儀及鉛垂線等，可以提供重復(fù)測定。由于北美基礎(chǔ)設(shè)施對實時方位數(shù)據(jù)要求的增長，GPS在這些設(shè)施的監(jiān)測中將很快地被采用。