摘要：全球定位系統（GPS）已被廣泛應用于測量和導航領(lǐng)域。它在大壩精確實(shí)時(shí)觀(guān)測及其水電設施主要地形觀(guān)測上也已被證明是一種很有價(jià)值的工具。

　　關(guān)鍵詞：全球定位系統 GPS 大壩變形監測

　　對水電設施的管理機構和操作人員來(lái)說(shuō)，監測大壩變形和地面沉降是他們的主要任務(wù)。及時(shí)地發(fā)現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施位于偏遠的地方，監測它們就比較困難。在偏遠的、陡峭的或者有滑坡的地方普通的監測設備很難布置和維護，而且大多數情況下它們也只能提供定期的信息。

　　GPS技術(shù)和專(zhuān)業(yè)的連續方位數據處理軟件結合起來(lái)后，比普通的監測系統前進(jìn)了一大步。美國加利福尼亞州的Condor Earth Technologies公司開(kāi)發(fā)的一種利用GPS監測大壩變形、壓力管道及滑坡的系統正在許多水電工程設施上得到應用。這個(gè)系統被稱(chēng)為3D Tracker，它說(shuō)明GPS技術(shù)經(jīng)過(guò)一系列設置和有效的運用，能使我們得到精確的、連續的變形數據。

　　1.GPS技術(shù)能夠提供給我們什么？

　　全球定位系統已經(jīng)迅速地從深奧的軍事技術(shù)轉化為貼近我們每一個(gè)人生活的民用技術(shù)，如汽車(chē)上的導航工具。但是公眾還有一個(gè)誤區，認為高精度的GPS只是僅僅提供給軍事領(lǐng)域。事實(shí)上，大部分精確的GPS系統已在非軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應用，這也包括長(cháng)期觀(guān)測GPS系統。這不僅是因為GPS技術(shù)有高于厘米的精度，還因為與同類(lèi)技術(shù)相比它能提供實(shí)時(shí)的數據，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備進(jìn)行安裝。

　　與傳統的大壩安全變形觀(guān)測技術(shù)相比，如：鉛垂線(xiàn)，光學(xué)測量?jì)x器和激光定線(xiàn)系統等，GPS設備有許多吸引人的優(yōu)點(diǎn)。 GPS只需固定在一個(gè)地方而不需要去讀數，GPS測量的數據是三維的，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系統非常適合于自動(dòng)觀(guān)測。由于大壩管理人員正致力于勞動(dòng)力的精簡(jiǎn)，因此自動(dòng)裝置就顯得越來(lái)越重要。許多常規的監測系統要求頻繁地讀數來(lái)提供精確的數據，而且有些還要每年拆卸和花費大量時(shí)間進(jìn)行數據后處理。結果是關(guān)鍵的數據往往需要幾星期，幾個(gè)月甚至幾年才能得到評估和分析。而GPS自動(dòng)監測系統消除了這些問(wèn)題，并且在許多情況下，還能作為大壩很好的補充設備。

　　應用GPS觀(guān)測大壩變形就得處理從固定在大壩上的GPS接收器實(shí)時(shí)發(fā)出的連續位置數據流，還得將一定時(shí)間段內的數據進(jìn)行整合使干擾進(jìn)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(zhù)時(shí)間的推移顯著(zhù)地降低。例如，3D Tracker系統的垂直精度在1mm～2mm之間，這是24小時(shí)誤差解決方案的標準偏差。GPS系統能提供可靠的長(cháng)期觀(guān)測，而且能和其它設備一起結合使用，如：傾斜感應器和鉛垂線(xiàn)。這樣可以提供其它系統不能提供的冗余測定成果。GPS基于全球座標參照系統，所以它提供的數據是絕對精確的。GPS的這個(gè)特性非常實(shí)用，因為大壩上同一測點(diǎn)的兩個(gè)獨立的、不同的測量過(guò)程的結果肯定是相同的（在GPS允許誤差范圍內）。

　　實(shí)時(shí)GPS系統能通過(guò)因特網(wǎng)（Internet）、防洪大壩是當時(shí)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(gè)GPS測點(diǎn)。一個(gè)安裝在大壩左肩止推座上混凝土操作間的屋頂上；另一個(gè)安裝在了距拱壩中心約100m的地方。還有一個(gè)基準點(diǎn)安裝在了距離大壩2.5km，高度高出大壩160m的山頂上。

　　經(jīng)過(guò)處理三年來(lái)得到的數據，研究人員發(fā)現大壩拱頂每年都有一個(gè)沿上下游移動(dòng)的周期變化規律，運動(dòng)幅度大約在15mm～18mm之間。這組數據也使研究人員開(kāi)始分析大壩年周期運動(dòng)與短期溫度變化之間的關(guān)系。

　　Pacoima 大壩的報告也強調了謹慎處理GPS數據的重要性。好的處理對于過(guò)濾錯誤數據降低測量誤差是很必要的。大地測量數據處理軟件中應用典型數據處理數據的各種方法中，取整能夠快速解算一個(gè)誤差為幾厘米的方案。但是，這個(gè)快速的有效的大地測量方法不適合處理長(cháng)期觀(guān)測得到的數據。它會(huì )產(chǎn)生錯誤的方位波動(dòng)，這會(huì )在大壩實(shí)時(shí)安全監測軟件中激發(fā)一個(gè)極限警報。解決這個(gè)問(wèn)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)數據能夠實(shí)時(shí)地比照之前連續的測量成果。三差量測技術(shù)與Kalman濾波技術(shù)結合起來(lái)就能夠提供一種很好的數據處理技術(shù)，它幾乎消除了虛假方位波動(dòng)的影響。

　　2.建立可信賴(lài)的GPS監測系統

　　Condor和他的合作公司在3D Tracker系統中應用了三差量測算法。他們將這一算法嵌入到3D Tracker軟件中，接收來(lái)自于位于大壩上或其他目標建筑物上的GPS接收器發(fā)送回的原始數據。這一技術(shù)提供了毫米精度的實(shí)時(shí)大壩及其它建筑物的變形監測數據。

　　這種方法與典型的測量和導航應用的GPS實(shí)時(shí)處理技術(shù)不同，它不是在GPS裝置內部進(jìn)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測量數據有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1. 應用個(gè)人計算機能很容易掌握復雜的算法，可向多個(gè)地址提供高精度的實(shí)時(shí)信息。2. 在GPS器材組件上的花費可顯著(zhù)降低，因為在野外可以布置相對便宜的接收器。3. 中心計算機上的數據能很容易地發(fā)送給其它用戶(hù)，并且歸檔保存在安全的地址。

　　3.在Libby大壩的監測情況

　　美國陸軍工程師協(xié)會(huì )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(shí)時(shí)GPS監測系統。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(huì )在哥倫比亞流域大壩管理網(wǎng)中的一部分。

　　這個(gè)監測系統包括布置在大壩壩頂的混凝土樁上的六個(gè)測點(diǎn)和兩個(gè)GPS基準點(diǎn)構成。一個(gè)GPS基準點(diǎn)位于大壩左肩的山頂上，另一個(gè)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(gè)測點(diǎn)分別建立兩條獨立的基線(xiàn)，同時(shí)也能通過(guò)解算兩基準點(diǎn)間的基線(xiàn)完整地觀(guān)測基準點(diǎn)�；�線(xiàn)的長(cháng)度從一百米到一公里不等。實(shí)時(shí)數據可以在位于Libby大壩的儀器室直接處理，也可以通過(guò)局域網(wǎng)傳輸給西雅圖的美國陸軍工程師協(xié)會(huì )辦公室。在天空能見(jiàn)度比較高時(shí)，GPS實(shí)時(shí)觀(guān)測得到的數據水平觀(guān)測和垂直觀(guān)測的精度大約為2mm～4mm，24小時(shí)時(shí)段觀(guān)測精度能達到1mm～2mm，這都是容許的誤差范圍。工程師協(xié)會(huì )的工程師們將這些數據與通過(guò)其它技術(shù)（包括鉛垂線(xiàn)和裂縫計）觀(guān)測得到的數據相比較，第一年的觀(guān)測結果顯示GPS和鉛垂線(xiàn)數據吻合得都非常好。

　　運用這兩個(gè)GPS基準點(diǎn)，能對大壩上的每個(gè)測點(diǎn)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(gè)獨立的測量結果能不斷地與系統標準精度比照，從而提供完整的觀(guān)測。長(cháng)期觀(guān)測比照是由相關(guān)變形組成的。大壩上每個(gè)測點(diǎn)的兩個(gè)獨立過(guò)程之間的極小的誤差增強了人們對測點(diǎn)測量精度的信心。兩個(gè)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(gè)基準點(diǎn)的計算成果在GPS允許的誤差范圍內彼此吻合得非常好。

　　為了確保長(cháng)期觀(guān)測的精度，GPS監測系統必須有穩定參照標石和為每個(gè)GPS基準點(diǎn)觀(guān)測連續坐標的方法。如果所觀(guān)測的建筑物有可能發(fā)生的位移，基準點(diǎn)的精確測量結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系統的表現可以從三個(gè)全面的指標來(lái)評價(jià)，分別是：系統錯誤分析、重復數據分析和計算結果精度分析。Libby大壩都已明確這三個(gè)指標，這使陸軍工程師協(xié)會(huì )的操作人員監測大壩位移的精度達到幾個(gè)毫米。

　　4.GPS在其它方面的應用

　　Condor公司也已將Kalman濾波技術(shù)、三差量測技術(shù)和實(shí)時(shí)GPS系統應用到了水電行業(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(shí)時(shí)GPS監測系統來(lái)監測它的位移。加利福尼亞北方電力管理機構應用這一技術(shù)監測一個(gè)大壩上游的滑坡。

　　美國地質(zhì)調查局應用GPS監測許多座火山，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。還有像在臘包爾，巴布亞新幾內亞及俄勒岡中部的三姐妹瀑布的應用都已證明這一系統在惡劣環(huán)境下的可靠性和低成本性。它也被用來(lái)監測油田的地面沉陷。例如，Long Beach，Calif市已經(jīng)布置了監測由于石油生產(chǎn)和蒸汽注入而使Long Beach地區相當大的區域產(chǎn)生的地面變形。

　　這種技術(shù)是GPS設備與復雜的數據處理算法以及通訊設施相結合而形成的，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(xiàn)對能見(jiàn)度的要求。由于GPS系統不間斷地運行產(chǎn)生大量的數據，所以操作人員必須有出色的數據管理技術(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(jiàn)度好，操作人員管理數據技術(shù)熟練，用GPS監測變形是一個(gè)非常有吸引力的選擇。實(shí)時(shí)GPS系統與其它的監測技術(shù)相結合，如傾斜感應器、傾斜儀、全站儀及鉛垂線(xiàn)等，可以提供重復測定。由于北美基礎設施對實(shí)時(shí)方位數據要求的增長(cháng)，GPS在這些設施的監測中將很快地被采用。