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正文內(nèi)容

建筑工程論文-現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展與展望(編輯修改稿)

2025-02-14 15:43 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 S變形監(jiān)測模式GPS用于變形監(jiān)測的作業(yè)方式可分為周期性和連續(xù)性兩種模式[1][6]。當變形體的變形速率相當緩慢,在局部時間域和空間域內(nèi)可以認為穩(wěn)定不動時,可利用GPS進行周期性變形監(jiān)測,監(jiān)測頻率視具體情況可為數(shù)月、一年或甚至更長時間。連續(xù)性變形監(jiān)測指的是采用固定監(jiān)測儀器進行長時間的數(shù)據(jù)采集,獲得變形數(shù)據(jù)系列,此時監(jiān)測數(shù)據(jù)是連續(xù)的,具有較高的時間分辨率。周期性模式采用GPS靜態(tài)相對定位的測量方法。該測量模式成本低,一般監(jiān)測采用該模式。比如目前三峽庫區(qū)滑坡[2]、李家峽水電站滑坡[3],龍羊峽水庫近岸滑坡[4]等監(jiān)測工程中均采用該模式。連續(xù)性監(jiān)測模式,對自動化要求高,數(shù)據(jù)采集周期短的監(jiān)測項目采用。對于衛(wèi)星觀測條件好的監(jiān)測工程,比如橋梁、高層建筑物等的動態(tài)監(jiān)測中,GPS正逐漸取代加速度計、激光干涉儀等動態(tài)監(jiān)測設(shè)備。在香港青馬大橋、虎門大橋[5]、深圳帝王大廈、隔河巖大壩[6]外觀變形監(jiān)測均采用該模式。該模式可實現(xiàn)24小時的連續(xù)觀測,使監(jiān)測工作實現(xiàn)完全自動化,使監(jiān)測、監(jiān)控、決策實現(xiàn)遠距離控制,建立無人值守的監(jiān)測系統(tǒng)。由于該模式要求GPS接受設(shè)備必須永久固定在變形點成本較高。另外,根據(jù)變形體的不同特征,GPS連續(xù)性監(jiān)測可采用靜態(tài)相對定位和動態(tài)相對定位兩種數(shù)據(jù)處理方法進行觀測,一般要求變形響應(yīng)的實時性。為解決限制連續(xù)性監(jiān)測模式應(yīng)用的高成本,香港理工大學(xué)、河海大學(xué)的專家開始提出和研究基于一機多天線的自動化監(jiān)測技術(shù)[7]。利用若干GPS天線和具有若干通道的微波開關(guān),相應(yīng)的微波開關(guān)控制電路及1臺GPS接收機組成一機多天線系統(tǒng)。最新系統(tǒng)將控制電路板、GPS接收機(OEM)板集成在工業(yè)控制計算機中。目前,一機多天線已應(yīng)用在東江大壩監(jiān)測、小灣電站邊坡監(jiān)測[8]等工程中。 GPS在變形監(jiān)測中的測量方法根據(jù)監(jiān)測對象及要求不同,GPS在變形監(jiān)測中可采用的測量方法分為靜態(tài)測量法、快速靜態(tài)測量法和動態(tài)測量法三種。靜態(tài)測量法是把多于3臺GPS接收機同時安置在各觀測點上同步觀測一定時段,一般為1小時~2小時不等,構(gòu)網(wǎng)用后處理軟件解算基線,平差計算求觀測點的三維坐標。靜態(tài)測量法精度高,一般水平精度優(yōu)于3mm,垂直精度優(yōu)于5mm。比如,隔河巖大壩應(yīng)用廣播星歷1~,;6小時資料解算水平精度優(yōu)于1mm,垂直精度優(yōu)于1mm[6]。GPS基準網(wǎng),一般應(yīng)采用靜態(tài)測量方法,當基準網(wǎng)的邊長超過10km,要考慮基準網(wǎng)的起算點與國際IGS站聯(lián)測,基線向量解算時采用精密星歷,以提高基線解算的精度。快速靜態(tài)測量法,適用于對監(jiān)測點的觀測。方法是把兩臺GPS接收機安置在基準點上固定不動連續(xù)觀測,另1臺以上GPS接收機在監(jiān)測點上移動,每次觀測5~10分鐘(采樣間隔為2秒),經(jīng)事后處理,解算出各監(jiān)測點的三維坐標。若基準點至監(jiān)測點的距離在3公里范圍之內(nèi),監(jiān)測精度為水平位移177。3mm~177。5mm,垂直位移177。5mm~177。8mm。若距離大于3公里,水平精度為5mm+1ppmD,垂直精度為8mm+1ppmD。由于快速靜態(tài)測量法測量時間短,選擇最佳觀測時間段對保證觀測精度至關(guān)重要。動態(tài)測量法又分準動態(tài)測量法和實時動態(tài)測量方法。準動態(tài)測量法,把一臺GPS接收機安置在一個基準點上,另一臺GPS接收機先在另一基準點上觀測5分鐘(采樣間隔為1秒),在保持對所測衛(wèi)星連續(xù)跟蹤而不失鎖的情況下,在各監(jiān)測點上停留2~10秒鐘。經(jīng)事后處理,精度可達1~2cm。實時動態(tài)測量方法又叫RTK方法,是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分GPS測量技術(shù)。其原理是在基準站上安置一臺GPS接收機,對所有可見GPS衛(wèi)星進行連續(xù)觀測,并將觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備,實時的發(fā)送給在各監(jiān)測點上移動觀測(1~3秒鐘)的GPS接收機,移動GPS接收機在接收GPS信號同時,通過無線電接收設(shè)備接收基準站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù),再根據(jù)差分定位原理,實時計算出監(jiān)測點三維坐標及精度,精度可達2~5cm。如果距離近,基準點與監(jiān)測點有5顆以上共視GPS衛(wèi)星,精度可達1~2cm。GPS RTK最快可達1~10Hz速率輸出定位結(jié)果;虎門大橋在惡劣氣候條件下,如大風(fēng)大雨大霧等進行測量,測量精度可達1厘米這是常規(guī)手段無法獲得的。測量結(jié)果輸出頻率1-10Hz,實時動態(tài)三維坐標,和振動頻率。靜態(tài)和動態(tài)各有優(yōu)缺點,根據(jù)實際需要選擇。 GPS監(jiān)測技術(shù)的不足GPS在高山峽谷、地下、建筑物密集地區(qū)和密林深處,由于衛(wèi)星信號被遮擋及多路徑效應(yīng)的影響,其監(jiān)測精度和可靠性不高或無法進行監(jiān)測[1]。比如,在滑坡體的變形監(jiān)測中,監(jiān)測點的位置通常是由地質(zhì)人員根據(jù)滑坡、斷層的地質(zhì)構(gòu)造和受力情況而定,測量人員的選擇余地不大,變形監(jiān)測點的觀測條件欠佳,視場狹窄,大量衛(wèi)星被山坡遮擋,多路徑誤差較為嚴重。GPS用于動態(tài)變形監(jiān)測時,由于GPS動態(tài)測量的精度只能達到厘米級,而監(jiān)測點在很短時間內(nèi)的變形是微小的,表現(xiàn)為一種弱信號,GPS測量誤差成為強噪聲,如何從受強噪聲干擾的序列觀測數(shù)據(jù)中提取微弱的特征信息,是GPS動態(tài)監(jiān)測應(yīng)解決的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。GPS與一般全站儀、測斜儀等監(jiān)測設(shè)備相比,設(shè)備成本較高,一般要3臺以上GPS接收機。GPS誤差源多,與傳統(tǒng)大地測量手段相比,GPS定位結(jié)果和觀測值之間的函數(shù)關(guān)系要復(fù)雜得多,誤差源也要多得多。在GPS定位中基準站與變形監(jiān)測點之間的坐標差是依據(jù)兩站的載波相位觀測值和衛(wèi)星星歷經(jīng)過復(fù)雜的計算后求得的,定位結(jié)果受衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差、對流層延遲、電離層延遲、多路徑誤差、接收機的測量噪聲以及數(shù)據(jù)處理軟件本身的質(zhì)量等多種因素的影響。在數(shù)據(jù)處理過程中還將涉及周跳的探測及修復(fù)、整周模糊度的確定等一系列問題。其中任一環(huán)節(jié)處理不好都將影響最終的監(jiān)測精度。此外接收機天線相位中心的不夠穩(wěn)定也是影響監(jiān)測精度的一個重要原因。 DInSAR監(jiān)測技術(shù) DInSAR在形變監(jiān)測研究的進展合成孔徑雷達以無線電波為媒介的主動微波遙感工具。通過合成孔徑雷達,探測目標物的后向散射系數(shù)特征,通過雙天線系統(tǒng)或重復(fù)軌道法可以由相位和振幅觀測值實現(xiàn)干涉雷達測量。DINSAR利用同一地區(qū)的兩幅干涉圖像,其中一幅是通過形變事件前的兩幅SAR獲取的干涉圖像,另一幅是通過形變事件前后兩幅SAR圖像獲取的干涉圖像,然后通過兩幅干涉圖差分處理(除去地球曲面、地形起伏影響)來獲取地表微量形變的測量技術(shù),因此,DINSAR可以用來研究地表面水平和垂直位移、大型工程的形變等。合成孔徑雷達可以裝在衛(wèi)星上或飛機實現(xiàn)對地的遙感測量。早期的InSAR系統(tǒng)主要是機載系統(tǒng),由于機載系統(tǒng)的不穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)獲取能力的局限性,一定程度上限制了InSAR技術(shù)的成長,1978年世界上第一顆合成孔徑雷達衛(wèi)星(美國Seasat衛(wèi)星)發(fā)射成功,進入90年代后,俄羅斯的ALMAZ1(1991)、歐洲空間局ERS1(1991)、日本JERS1(1992)、美國SIRC(1992)、加拿大RADARSAT1(1995)、歐洲空間局ERS2(1995)、歐洲空間局ENVISAT1(2002)、日本ALOS(2006)先后成功發(fā)射。一系列的航天飛機成像雷達(SIR
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