毕业设计GPS在山体变形监测中的应用.docx
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毕业设计GPS在山体变形监测中的应用
GPS在山体变形监测中的应用
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系部:
201年月
摘要
变形在一定范围内被认为是允许的,但如果变形超过允许值,则可能引发灾害。
因此,科学、准确、及时地分析和预报自然物及工程建筑物的变形状况,具有十分重要的意义。
本文详细探讨了变形监测网中山体检测的应用,研究了GPS周期性重复监测网数据处理的一般模型,重点研究GPS基线向量网中粗差处理的理论和方法。
关键词:
平差基准,三维无约束平差,秩亏自由网平差
第1章概述
1.1测区概述
***水利职业技术学院***山系人造假山,主要由下房土、建筑垃圾及其他废弃物组成,山高约20米,占地8000余㎡。
后经改造成为集学生实习、参观、校园景观于一体的水利枢纽模型山。
该山南临光明湖、湖水波光荡漾;北临百亩梨园,清香宜人;西临水利、土木实训馆,仿真教学栩栩有生;该山所处环境虽然优美,但地形、地物复杂,给测量工作带来一定难度。
该山自建成以来,由于遭雨水侵蚀、水库蓄水和自重等因素影响,部分山体出现滑坡、沉降、裂缝和倾斜现象。
严重影响了山体的安全,为把握***山的变形规律,加固除险、科学决策,特此进行该项目的变形监测。
1.2任务
(1)本次检测目标及任务:
在雨季来临之前,完成项目的三次检测任务。
(2)项目任务:
1.现场勘查、方案设计;2布设变形监测控制网;3造点埋石;4数据采集、数据处理;5山体变形数据分析;6撰写报告
1.3主要技术指标和成果规格
平面控制测量采用E级GPS静态定位测量进行。
E级GPS定位测量的精度要求见表1-1和1-2。
表1-1GPS网定位测量精度
级别
相邻点基线分量中误差
相邻点间平均距离/km
水平分量/mm
垂直分量/mm
B
5
10
50
C
10
20
20
D
20
40
5
E
20
40
3
表1-2各级GPS测量基本技术要求规定
项目级别
AA
A
B
C
D
E
卫星截止高度角(º)
10
10
15
15
15
15
同时观测有效卫星总数
≥4
≥4
≥4
≥4
≥4
≥4
有效观测卫星总数
≥20
≥20
≥9
≥6
≥4
≥4
观测时段数
≥10
≥6
≥4
≥2
≥1.6
≥1.6
时段长度min
静态
≥720
≥540
≥240
≥60
≥45
≥40
快速静态
双频+P(Y)
—
—
—
≥10
≥5
≥2
双频全波
—
—
—
≥15
≥10
≥10
单频或双频半波
—
—
—
≥30
≥20
≥15
采样间隔s
静态
30
30
30
10~30
10~30
10~30
快速静态
—
—
—
5~15
5~15
5~15
时段中任意卫星有效观测时间min
静态
≥15
≥15
≥15
≥15
≥15
≥15
快速静态
双频+P(Y)
—
—
—
≥1
≥1
≥1
双频全波
—
—
—
≥3
≥3
≥3
单频或双频半波
—
—
—
≥5
≥5
≥5
注
1在时段中观测时间符合表7中第七项规定的卫星,为有效观测卫星。
2计算有效观测卫星总数时,应将个时段的有效观测卫星数扣除其间的重复卫星数。
3观测时段长度,应为开始记录数据到结束纪录的时间段。
观测时段数≥1.6,指每站观测一时段,至少60%测站再观测一时段
第2章准备工作
2.1现场探查
所谓变形监测,就是利用测量仪器与专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视观测的工作。
其任务是确定各种荷载和外力作用下,变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。
根据变形体的范围,可将变形监测对象划分为3类:
全球性变形研究、区域性变化研究和工程和局部性变形研究2)GPS在变形监测中的应用GPS作为一种全新的现代空间定位技术,以其高精度、高效率、高度自动化、全天候作业、操作简单方便等诸多优点在各领域发挥了重要作用,例如,在航空中,GPS技术用于获取信息采样点的位置坐标、飞行时准确的导航定位等;在气象学研究中,利用地面GPS来探测大气,进行天气预报。
与常规测量方法相比,GPS技术不仅可以满足变形监测工作的精度要求,而且有助于监测工作的自动化与实时化
我们首先要做的工作是了解测区的自然地理情况。
我和我们班的十来个同学一块来到***山进行实地勘察。
我们要了解的是***山上的建筑物的情况,了解他们的位置,和相应控制点的位置,确定布网方案。
2.2方案设计
平面控制测量采用E级GPS静态定位测量进行。
用***山脚下的校园控制点为参考依据作为控制点。
在***山上选择重要的特征点作为变形观测点,比如重力坝的坝轴线上选择两个变形监测点,土石坝的坝轴线上选择两个变形监测点,交通桥上选择两个变形监测点,在和***山下的校园控制点进行联测,组成边点
混连式的同步变形监测网如图2-1
其中点H041/H019/H048为校园控制点。
Hoo1/H002为交通桥的变形监测点,H003/H004为土石坝变形监测点,H005/H006为堆石面板土石坝.H007/H008为重力坝坝轴线变形监测点。
2.3造点埋石
在确定了***山变形监测的控制点及其变形监测点之后就是造点埋石。
我和我们同学一块去五金店买了钢钉。
然后带着这些钢钉和锤子一块到山上去做变形监测点。
第一次由于买的钉子质量不是很好。
在往山上定的时候总是定不进去,然后我们放弃了,说是用水笔在地上画,但一见不一致说是在地上画的容易被风化,不容易保存,然后我们就又去了五金店,买了更好的钉子去做变形监测点,就这样在两天的努力之下变形监测点弄好了。
GPS标志的埋设:
GPS点一般应埋设在具有中心标志的标石,以精确标志点位置,点的标石和标志必须稳定坚固以利于长久的保存和使用,每个点位的标石埋设完成后,应填写点之记记录表并提交以下资料:
1点之记。
2gps网图
2.4仪器的选用
当上面的准备工作做好了之后,就开始考虑变形监测的仪器设备了,我们的实习老师叫我们去实验室借华测GPS4台,用来进行***山变形监测静态观测。
2.5研究目的和意义
研究目的和意义我国20世纪70年代河南板桥、石漫滩两座水库溃坝,给社会和人民带来极大灾难;20世纪90年代青海沟后水库溃坝,再次造成巨大损失。
这3座水库溃坝事件,留下了让人们永远难忘的深刻教训。
多年来,我国大、中型水电站大坝虽未发生溃坝失事,但重大工程事故却多次出现,个别装机容量较小的大坝,也曾溃决失事。
现将1961至1998年之间,水电站大坝发生的21起事故。
前事不忘,后事之师,认真分析这些事故的原因,从中吸取深刻教训,无疑是非常必要的。
大多数事故与设计阶段的失误、施工过程遗留下的隐患、运行管理中的差错等因素有关。
应强化设计、施工、运行全过程的风险意识和安全管理。
对运行中的大坝要坚持实施定期检查,及时维修加固和改造,认真进行安全注册,严密制定汛期和低水位时的防范措施,加大科研力度和开展险情预计,以防止重大事故的突然发生。
GPS技术在变形监测方面主要应用于以下领域:
首先,利用GPS技术解决了常规观测中需要多种观测的问题,观测结果能充分反映滑坡的全方位活动性,是监测滑坡变形、掌握滑坡发育规律的切实可行的技术;其次,该技术可对大型建筑物位移实时监测,具有受外界影响小、自动化程度高、速度快、精度较高等优点,可以全天候测量被测物体各测点的三维位移变化情况,找出被测物体三维位移的特性规律,为大型建筑物的安全营运、维修养护提供重要的参数和指导;第三,GPS精密定位技术不仅可以满足水库大坝外观变形监测工作的精度要求,而且有助于实现监测工作的自动化。
另外,GPS技术还应用于地面、海上勘探平台及高层建筑物等的沉陷观测中。
并实现在这些领域的中的实时监测,及时预报。
第3章数据观测
3.1变形监测的特点
全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem,GNSS)是一种空间无线电定位系统,包括一个或多个卫星星座,为支持预定的活动视需要而加以扩大,可为地球表面、近地表和地球外空任意地点用户提供24h三维位置、速率和时间信息。
卫星导航系统有两个核心组成部分:
全球定位系统(GPS,由美国运行掌管)和全球轨道导航卫星系统也即轨道导航系统(GLONASS,由俄罗斯联邦运行掌管)。
全球卫星定位系统GPS(globalpositioningsystem)是由美国继阿波罗登月计划和航天飞机之后的第三大空间工程。
从GPS的提出到1993年建成,经历了20年。
实践证明,GPS对人类活动影响极大,应用价值极高,所以得到美国政府的军队的高度重视,不惜投资300亿美元来建设这一工程。
它从根本上解决了人类在地球上的导航的定位问题,可以满足各种不同用户的需要。
由于GPS具有实时提供三维坐标的能力,因此在民用、商业、科学研究上也得到了广泛应用。
它不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力,而且具有良好的抗干扰性和保密性。
从静态定位到快速定位、动态定位,GPS技术已广泛应用于测绘工作中。
对于我们所熟知GPS,可以说它是测量史上的一次变革,它为我们提供了全天候、高精度、高效率的测量方法。
变形监测与常规的测量工作相比较,它们既有相同点,又有各自不同的特点和要求。
具体来说,变形监测具有:
周期性重复观测:
变形观测的主要任务是周期性地对观测点进行重复观测,以求得其在观测周期内的变化量。
为了最大限度地测量出建筑物的变形特征数据,减小测量仪器、外界条件等引起的系统性误差影响,每次观测时,测量的人员、仪器、作业条件等都应相对固定。
精度要求高:
在通常情况下,为了准确地了解变形体的变形特征和变形过程,需要精确地测量变形体特征点的空间位置,因此,变形监测的精度要求一般比常规工程测量的精度要求高。
例如,在大坝变形监测中,坝体的水平位移监测精度一般要求达到±lmm的精度,对于坝基等特殊部位的监测精度甚至更高。
因此,高精度的测量要求对测量的仪器和作业方法提出了更高的要求。
多种观测技术的综合应用:
随着科学技术的发展和进步,变形监测技术也在不断丰富和提高。
相对而言,变形监测的技术和方法较常规大地测量的技术方法更为丰富。
监测网着重于研究点位的变化:
变形监测工作主要关心的是测点的点位变化情况,而对测点的绝对位置并不过分关注,因此,在变形监测中,常采用独立的坐标系统。
虽然坐标系统可以根据工程需要灵活建立,但坐标系统一经建立一般不允许更改,否则,监测资料的正确性和完整性就得不到保证。
3.2水平位移监测
1.大地测量法
大地测量方法是水平位移监测的传统方法,主要包括:
交会法、三角网测量法、精密导线测量法等。
大地测量法的基本原理是利用三角测量、交会等方法多次测量变形监测点的平面坐标,再将坐标与起始值相比较,从而得到水平位移量。
该方法通常需人工观测,劳动强度高,速度慢;特别是交会法受图形强度、观测条件等影响明显,精度较低。
(1)交会法
主要包括测角交会、测边交会和后方交会三种方法。
它是利用2个或3个已知坐标的工作基点,测定位移标点的坐标变化,从而确定其变形情况的一种测量方法。
在进行交会法观测时,首先应设置工作基点。
工作基点应尽量选在地质条件良好的基岩上,并尽可能离开承压区,且不受人为的碰撞或震动。
工作基点应定期与基准点联测,校核其是否发生变动。
工作基点上应设强制对中装置,以减小仪器对中误差的影响。
工作基点到位移监测点的边长不能相差太大,应大致相等,且与监测点大致同高,以免视线倾角过大,影响测量的精度。
为减小大气折光的影响,交会边的视线应离地面或障碍物在1.2m以上,并应尽量避免视线贴近水面。
在利用边长交会法时,还应避免周围强磁场的干扰影响。
该方法具有观测方便、测量费用低、不需要特殊仪器等优点,特别适用于人难以到达的变形体的监测工作,如:
滑坡体、悬崖、坝坡、塔顶、烟囱等。
该方法的主要缺点是测量的精度和可靠性较低,高精度的变形监测一般不采用此方法。
1)前方交会法
在变形点上不便于架设仪器时,多采用前方交会法,如右图所示,A,B点为平面基准点,P点位变形点,由于点A,B的左边为已知,在观测了水平角α,β后,即可求算P点的坐标。
对于不同的周期,点P纵横坐标变化量就是点P的水平位移。
点坐标可按下式计算:
点P位中误差的估算公式为:
式中mβ为测角中误差,ρ′′=206265,D为A、B间距离。
对该式的进一步分析表明:
当γ=90°时,点位中误差不随α,β的变化而变化;当γ>90°时,对称交会时的点位中误差最小,精度最高;当γ<90°时,对称交会时点位中误差最大,对精度不利。
2)测边交会法
如右图所示,仪器架设在A,B点上,通过测定位于变形区影响范围之外两个固定已知目标,即测站P到两个已知点A,B之间的夹角和距离值a,b,即可计算测站坐标,进而推出个监测点的坐标。
A,B之间的距离和方位角可由坐标反算算出,其计算公式如下:
3)后方交会法
如果变形点上可以假设仪器,且与3个平面基准点通视,可采用后方交会法。
如右图所示,A,B,C为基准点,P为变形监测点,当观测水平角α,β后,计算点P的坐标:
后方交会法
(2)精密导线测量法:
在混凝土拱坝廊道内布置折线形导线,以导线端点的倒垂线作基准,用以测量坝内导线点的水平位移只适用于大型混凝土厚拱坝或曲线形重力坝。
如重力拱坝、曲线型桥梁以及一些高层建筑物的位移观测就不如导线测量法、前方交会法以及地面摄影(见第十四章)等方法有利;这些方法可以同时测定建筑物上某观测点在两个方向的位移(即在水平面内的位移)。
与一般测量工作相比,由于变形观测是通过重复观测,由不同周期观测成果的比较中确定观测点的位移;因此这种导线在布设、观测以及计算诸方面都具有其自身的特点,网中各点观测方向较少,除节点外只有两个方向,因而受通视要求的限制较小,易于选点和降低觇标的高度,甚至不需要造标;图形灵活,选点的时候可根据具体情况随时变化,网中边长可以直接测定,因此边长精度较均匀。
但导线网中的多余观测数较少,有时不易直接发现观测值中的粗差,因此可靠性不高。
2.基准线法
基准线法是变形监测的常用方法,该方法特别适用于直线型建筑物的水平位移监测(如直线形大坝等),其类型主要包括:
视准线法、引张线法、激光准直法和垂线法等。
(1)视准线法:
原理:
如图所示:
图为视准线法
点A、B是视准线的两个基准点(端点),d1、d2、d3为水平位移监测点。
观测时将经纬仪置于A点,将仪器照准B点,将水平制动装置制动。
竖直方向转动经纬仪望远镜,分别转至d1、d2、d3三个点附近,用小钢尺等工具分别量取水平位移监测点d1、d2、d3至A—B这条视准线的距离。
根据前后两次量取的距离,得出这段时间内水平位移量。
(2)引张线法:
利用张紧在两工作基点之间的不锈钢丝作为基准线,测量沿线测点和钢丝之间的相对位移,以确定该点的水平位移。
设引张线第i个监测点的首次的读数为L0,本次观测的读数为L,若不考虑端点的位移,则观测点的位移值为:
引张线测量系统的误差主要包括观测误差和外界条件的影响两个方面。
观测误差与所用的观测仪器、作业方法、观测人员的熟练程度等因素有关。
除测点观测误差外,还取决于它的复位误差。
在引张线观测时,由于风的作用,可能会使测线产生明显的偏离,从而产生明显的观测误差。
因此,在观测时,应关闭廊道及通风口门,观测点保护箱应盖严。
适用于大型直线形混凝土的廊道内测点的水平位移观测。
主要用于测定混凝土建筑物垂直于轴线方向的(顺水流方向)水平位移。
(3)激光准直法:
利用激光束代替视线进行照准的准直方法,使用的仪器有激光准直仪,波带板激光准直系统和真空管道激光准直系统等。
适用于大型直线形混凝土坝观测。
对于布设在直线型的土石坝或混凝土坝顶上观测点的水平位移,主要是采用视准线法和激光准直方法观测。
因为它们速度快,精度较高,计算工作也较简单。
当采用这一方法时,主要的是要求它们的端点稳定,所以必须要作适当的布置,采用适当的方法来检核这一要求是否满足。
采用波带板激光准直法观测水平位移,是将激光器和接收靶分别安置在两端固定工作基点上,波带板安置在位移标点上,并要求点光源、波带板中心和接收靶中心三点基本上同在一高度上,这在埋设工作基点和位移标点时应考虑满足此条件。
当激光器发出的激光束照准波带板后,在接收靶上形成一个亮点或“+”字亮线,按照三点准直法,在接收靶上测定亮点或十字亮线的中心位置,即可决定位移标点的位置,从而求出其偏离值。
(4)垂线法:
以坝体或坝基的铅垂线作为基准线,采用坐标仪测定沿线点位和铅垂线之间的相对水平位移。
这种方法适用于各种形式的混凝土坝。
垂线由不锈钢丝制成,钢丝下部吊重锤,悬挂点在上部的称为正垂线;锚固点在基岩深处,依靠顶部浮筒的浮力将钢丝张紧的称为倒垂线。
前者可测相对于悬挂点的相对水平位移,后者可测相对于锚固点的绝对水平位移。
3.专用测量法
即采用专门的仪器和方法测量两点之间的水平位移,如多点位移计、光钎等。
4.GPS测量法
利用GPS自动化、全天候观测的特点,在工程的外部布设监测点,可实现高精度、全自动的水平位移监测,该技术已经在我国的部分水利工程中得到应用。
GPS进行变形监测有以下特点:
测站间无需通视、
可同时提供测点三维位移信息
可以全天候监测
操作简便
3.3高程位移监测
沉降变形监测是采用重复精密水准测量的方法进行的,为此应建立高度的水准测量控制网。
其具体办法是:
在建筑物的外围布设成一条闭合水准环形路线,再由水准环中的固定基准点测定各监测点的高程,这样每隔一定的周期进行一次精密水准测量,将测量的外业成果用严密平差方法,求出各水准点和沉降监测点的高程的最或然值。
其包括:
精密水准测量、三角高程测量、液体静力水准测量。
(一)精密水准测量
精密水准测量精度高,方法简便,是垂直位移监测最常用的方法。
垂直位移监测的测量点分为水准基点、工作基点和监测点三种。
1.
地面岩石标
水准基点
水准基点是垂直位移监测的基准点,一般3~4个点构成一组,形成近似正三角形或正方形,为保证其坚固与稳定,应选埋在变形区以外的岩石上或深埋于原状土上,也可以选埋在稳固的建构筑物上。
其包括:
普通混凝土标、地面岩石标、浅埋钢管标、井式混凝土标、深埋钢管标、深埋双金属标。
2.工作基点
工作基点是用于直接测定监测点的起点或终点。
工作基点应布置在变形区附近相对稳定的地方,其高程尽可能接近监测点的高程。
工作基点一般采用地表岩石标,当建筑物附近的覆盖层较深时,可采用浅埋标志,当新建建筑物附近有基础稳定的建筑物时,也可设置在该建筑物上。
因工作基点位于测区附近,应经常与水准基点进行联测,通过联测结果判断其稳定状况,保证监测成果的正确可靠。
3.监测点
监测点是垂直位移监测点的简称,布设在被监测建(构)筑物上。
布设时,要使其位于建(构)筑物的特征点上,能充分反映建(构)筑物的沉降变形情况,点位应当避开障碍物,便于观测和长期保护,标志应稳固,不影响建构筑物的美观和使用,还要考虑建筑物基础地质、建筑结构、应力分布等,对重要和薄弱部位应该适当增加监测点的数目。
4.监测仪器
不同类型的建筑物,其垂直位移监测的精度要求不尽相同。
同一种建筑物在不同的施工阶段,如公路基础和路面施工阶段,其垂直位移监测的精度要求也不相同;针对具体的监测工程,应当使用满足精度要求的水准仪,采用正确的测量方法;对特级、一级垂直位移监测,应使用DSZ05或DS05型水准仪配和因瓦合金标尺;对二级垂直位移监测,应使用DS1或DS05型水准仪和因瓦合金标尺;对三级垂直位移监测,应使用DS3水准仪和区格式木质标尺或DS1型水准仪和因瓦合金标尺。
仪器的检验:
无论使用何种仪器,开始工作前,应该按照测量规范要求对仪器进行检验;
水准仪的i角误差是最重要的检验项目。
精密水准测量前,还应按规范要求对水准标尺进行检验,其中标尺的每米真长偏差是最重要的检验项目,一般送专门的检定部门进行检验。
5.监测方法与技术要求
采用精密水准测量方法进行垂直位移监测时,从工作基点开始经过若干监测点,形成一个或多个闭合或附合路线,其中以闭合路线为佳,特别困难的监测点可以采用支水准路线往返测量。
标尺零点差的影响
整个监测期间,最好能固定监测仪器和监测人员,固定监测路线和测站,固定监测周期和相应时段。
为了减少i角误差的影响,水准测量规范对前后视距差和前后视距累积差都有明确的规定,测量中应遵照执行。
严格控制前后视距差和前后视距累积差,也可有效地减弱磁场和大气垂直折光的影响。
水准测量规范对观测程序有明确的要求,往测时,奇数站的观测顺序为“后前前后”;偶数站的观测顺序为“前后后前”。
返测时,奇、偶数站的观测顺序与往测偶、奇数站相同。
标尺的每米真长偏差应在测前进行检验,当超过一定误差时应进行相应改正。
6.监测点的精度要求(mm)
注:
n为测段的测站数
(二)精密三角高程测量
精密水准测量因受观测环境影响小,观测精度高,仍然是沉降监测的主要方法;如果水准路线线况差,水准测量实施将很困难。
高精度全站仪的发展,使得电磁波测距三角高程测量在工程测量中的应用更加广泛;电磁波测距三角高程测量代替水准测量进行沉降监测,将极大地降低劳动强度,提高工作效率。
1.各方法及其精度
1)单向观测及其精度
2)
中间法及其精度
3)对向观测及其精度
2.提高三角高程测量精度的措施:
1)缩短视线。
当视线长1000米时,折光角通常只是2″或3″。
在这样的距离上进行对向三角高程测量,其精度同普通水准测量相当;
2)对向观测垂直角;
3)选择有利的观测时间。
一般情况下,中午前后观测垂直角最有利;
4)提高视线高度。
(三)液体静力水准测量
液体静力水准测量也称为连通管测量,是利用相互连通的且静力平衡时的液面进行高程传递的测量方法。
1.基本原理
在两个完全相同的连通容器中充满液体,当液体完全静止后,两个连通管容器内的液面位于同一大地水准面上。
由于制造的容器不完全一致,探测液面高度的零点位置(起始读数位置)不可能完全相同,为求出两容器的零位差,可将两容器互换位置,求得A、B两点的新的高差h为:
2.仪器结构
液体静力水准仪种类较多,但总体上由三部分组成,即液体容器及其外壳、液面高度量测设备和沟通容器的连通管。
根据不同的仪器及其结构,液面高度测定方法有目视法、接触法、传感器测量法和光电机械法等,前两种方法精度较低,后两种方法精度较高且利于自动化测量。
3.液面高度测定方法
1)目视接触法
也可利用转动的测微圆环带动水中的触针上下运动,根据光学折射原理,在观测窗口可以观测到触针尖端的实像和虚像,当两像尖端接触时,在测微圆环上可读出触针接触水面时的高度。
2)电子传感器法
通过电子(电感式、光电式或电容式)传感器不仅可以提高静力水准的读数精度,而且可实现测量的自动化。
4.误差分析
1)连通管中液体不能残存气泡,否则测量结果将有粗差
2)如几何水准测量一样,液体静力水准仪也存在零点差,交换两台液体静力水准仪的位置可以消
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