靜態(tài)GPS在長江堤防監(jiān)測分析中的應(yīng)用

徐 紅， 鄧彬彬， 徐奕正， 丁 陽

(張家港市長江防洪工程管理處， 江蘇 蘇州 215625)

每年6、7月份長江中下游地區(qū)都會(huì)出現(xiàn)持續(xù)天陰有雨的現(xiàn)象(梅雨季節(jié))，導(dǎo)致降水量激增，進(jìn)而對(duì)長江堤防的安全運(yùn)營帶來極大的隱患，故而需要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行形變分析。

以往只能采用沿堤防人工巡視的方式，難以發(fā)現(xiàn)其中細(xì)微的形變變化，仍然存在一定的安全隱患[1-2]。GPS靜態(tài)測量是利用測量型GPS接收機(jī)進(jìn)行定位測量，短距離(15 km以內(nèi))的定位精度可以達(dá)到毫米級(jí)，而且還有無需通視、全天候、效率高等優(yōu)勢(shì)，能夠在雨季結(jié)束后及時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)長江堤防的快速診斷,故而提出一種基于靜態(tài)GPS測量技術(shù)的堤防微觀監(jiān)測方法。經(jīng)在張家港市境內(nèi)42.33 km的長江堤防上的應(yīng)用表明，能夠有效地輔助管理與決策，保障安全運(yùn)營。

1 靜態(tài)GPS測量

1.1 選點(diǎn)

選取堤防監(jiān)測斷面中堤頂、堤角各1點(diǎn)，共82點(diǎn)進(jìn)行一級(jí)GPS觀測。編號(hào)采用堤防監(jiān)測斷面中的編號(hào)，如“WJD1-1”等。堤防監(jiān)測斷面點(diǎn)位布置示意圖如圖1所示。

圖1 堤防監(jiān)測斷面點(diǎn)位布置

1.2 布網(wǎng)

一級(jí)GPS網(wǎng)采用同步圖形擴(kuò)展式布網(wǎng)[3-4]原則，優(yōu)先連測短基線，以點(diǎn)連式和邊連式的混連式為主。全網(wǎng)共98點(diǎn)(其中16個(gè)已知點(diǎn)、82個(gè)未知點(diǎn))，構(gòu)成有99個(gè)同步環(huán)、 64個(gè)獨(dú)立閉合環(huán)，同步環(huán)、獨(dú)立環(huán)的閉合差均小于限差，獨(dú)立環(huán)3邊環(huán)46個(gè)，4邊環(huán)18個(gè)。

1.3 觀測

采用4臺(tái)GPS接收機(jī)按一級(jí)GPS網(wǎng)的要求進(jìn)行同步觀測[5-7]。觀測時(shí)，一級(jí)GPS網(wǎng)中的點(diǎn)號(hào)按其點(diǎn)名(號(hào))進(jìn)行編號(hào)。

采用快速靜態(tài)作業(yè)模式進(jìn)行觀測，外業(yè)觀測時(shí)，儀器主要參數(shù)設(shè)置如下。

(1)最小衛(wèi)星截止高度角為15°；

(2)數(shù)據(jù)采集間隔為5″；

(3)最短有效觀測時(shí)間為20 min；

(4)最大PDOP值為3.0；

(5)最少有效觀測衛(wèi)星數(shù)為6顆；

(6)平均重復(fù)設(shè)站數(shù)為2.2個(gè)。

外業(yè)觀測過程中嚴(yán)格按GPS操作手冊(cè)要求作業(yè)，對(duì)接收機(jī)天線高用隨機(jī)備有的直角桿設(shè)備觀測前和觀測后各量取1次并取中數(shù)使用，其最大互差為1 mm，限差為3 m。

1.4 平差計(jì)算

采用專業(yè)軟件算出所有獨(dú)立基線和同步基線，檢驗(yàn)合格后計(jì)算重復(fù)基線差值、同步環(huán)閉合差、獨(dú)立環(huán)閉合差，進(jìn)而完成三維網(wǎng)無約束平差和二維網(wǎng)約束平差，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)基線向量質(zhì)量和符合精度情況的檢驗(yàn)。

1.5 精度統(tǒng)計(jì)

精度指標(biāo)[5]包括：同步環(huán)、獨(dú)立環(huán)坐標(biāo)分量閉合差、最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差、最弱邊相對(duì)中誤差、基線向量改正數(shù)絕對(duì)值等。

同步環(huán)閉合差精度統(tǒng)計(jì)見表1，獨(dú)立環(huán)閉合差檢核精度統(tǒng)計(jì)見表2，其他精度指標(biāo)見表3。

表1 同步環(huán)閉合差精度統(tǒng)計(jì)

表2 獨(dú)立環(huán)閉合差檢核精度統(tǒng)計(jì)

表3 其他精度指標(biāo)

1.6 監(jiān)測分析

由表1、表2、表3中統(tǒng)計(jì)值可知，無約束平差結(jié)果表明全網(wǎng)中沒有殘余的粗差基線向量，其內(nèi)符合精度優(yōu)良。二維約束平差結(jié)果表明網(wǎng)型結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，精度優(yōu)良，其他各項(xiàng)指標(biāo)符合一等GPS測量規(guī)[6-7]的要求。因此，汛期前獲得的GPS觀測網(wǎng)(即是固定斷面監(jiān)測點(diǎn)的高精度的平面坐標(biāo))可以作為汛期后判斷長江堤防是否發(fā)生微小形變以及判斷是否可能影響安全運(yùn)營的基礎(chǔ)依據(jù)。

2 汛后監(jiān)測

汛后再次采用靜態(tài)GPS測量技術(shù)進(jìn)行觀測，在觀測、平差計(jì)算、精度統(tǒng)計(jì)后判斷測量成果的可靠性。各項(xiàng)精度指標(biāo)如表4、表5、表6所示。

表4 同步環(huán)閉合差精度

表5 獨(dú)立環(huán)閉合差檢核精度

表6 其他精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

由表4、表5、表6中統(tǒng)計(jì)值可知，汛期后(第二次)靜態(tài)GPS測量結(jié)果(各項(xiàng)精度指標(biāo))同樣符合一等GPS測量規(guī)范，因此能夠真實(shí)體現(xiàn)出汛期后長江堤防上固定斷面的實(shí)際情況，即可作為對(duì)比分析堤防是否出現(xiàn)微小形變以及判斷是否可能影響安全運(yùn)行的證據(jù)源。

3 分析與結(jié)論

定義首次觀測的每條堤防斷面兩監(jiān)測點(diǎn)連線為標(biāo)準(zhǔn)基線，第二次及之后測量的監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)沿基線方向的變化量為水平位移量，迎水面為“下”，背水面為“上”。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，水平位移量大于20 mm的共計(jì)有3個(gè)點(diǎn)位，經(jīng)過現(xiàn)場核實(shí)，是由于現(xiàn)場施工點(diǎn)位發(fā)生位移；其他迎水面變化量最大值為15 mm，迎水面位移量最小值為0 mm；背水面變化量最大值為13 mm，背水面位移量最小值為1 mm。結(jié)果表明，長江(張家港段)堤防的水平位移值較小，整體上沒有異常水平位移，狀態(tài)基本穩(wěn)定。

應(yīng)用該技術(shù)的同時(shí)，采用傳統(tǒng)的人工巡視方式進(jìn)行驗(yàn)證，現(xiàn)場反饋的結(jié)果與靜態(tài)GPS測量的結(jié)論一致，長江(張家港段)堤防可保持安全運(yùn)行。因此，靜態(tài)GPS測量技術(shù)可以作為堤防安全運(yùn)行監(jiān)測的有效手段，其測量成果結(jié)論可以作為管理堤防、判斷決策的依據(jù)。另外，隨著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累和豐富，以時(shí)間為橫軸，實(shí)現(xiàn)對(duì)各監(jiān)測位移量的預(yù)測分析，進(jìn)而提前預(yù)警，發(fā)揮其在堤防監(jiān)測分析中的最大化效果。