葛洲坝集团试验检测有限公司湖北宜昌443002
摘要：水利水电工程是我国重要的基础建设之一，加强水利水电工程建设，能够使其在灌溉、防洪、发电等方面发挥重要作用。其中勘察测量工作是水利水电工程中重要的一环，只有测量出准确数据，才能够使工程建设顺利开展。而测绘工作的精准度，会对工程后续作业质量产生严重影响，因此必须加强测量工作的准确度，尽可能降低测量值与实际值的误差，从而确保工程设计水平和工程施工质量。随着科学技术的不断发展，GPS技术的出现为水利水电工程测量工作提供了极大便利，并且弥补了传统测量技术的不足。
关键词：GPS技术；数据处理；水利水电；变形监测；应用
1GPS观测数据处理技术与分析现状
GPS观测获取的数据受各种误差的影响较为严重，在变形观测中无论采用动态监测、连续监测还是定期监测，都必须依靠科学合理的数据处理方法从监测数据中获取变形信息。在GPS数据处理中常用到的是载波相位差分技术，该技术的优点是利用差分技术削弱部分相关误差的影响，但对于整周模糊度的求解、周跳的探测与剔除、减小残余系统误差仍然不是十分理想。在静态定位中，整周模糊度的求解依赖于卫星几何图形的合理度，故可以通过延长观测时间的方法解决，但该方法需要较长的观测时间，工作效率较低。经过国内外专家多年的研究，模糊度搜索法（LAMBDA）、周模糊度的在航求解（AROF或OFF）等方法在GPS精确定位中的到了广泛的应用。周跳是提高载波相位观测定位精度的一个限制因素，也是其特有的问题，主要是受整周模糊度和接收机位置参数的影响。伪距与相位组合、高次差法、多项式拟合法等方法在现有的GPS数据处理软件中都得到了大量的应用。由于周跳发生的随机性和偶然性，简单的利用一种方法处理往往不能很好地解决问题，通过多种方法的综合应用，才能较好地发现和处理周跳的影响。
2GPS变形监测数据处理技术与分析现状
变形监测数据中除了含有有用的重复观测数据外，还含有大量的误差信息，“去伪存真”是变形监测的重要工作。针对变形监测的特点，通常监测数据处理分为２部分，即变形监测控制网数据处理与变形监测数据序列处理。控制网数据处理重点在于监测网网型的优化设计、观测数据平差计算以及变形分析；变形监测数据序列处理重点在于同一个监测点上的多期监测数据结合工程设计的要求对变形作出解释与预报。
2.1变形监测控制网的处理
变形监测的目的是通过分期重复观测获取观测点的位移信息，分期观测的方法通常采用静态相对定位模型进行，获取基线向量，解算观测网的每期成果及精度指标，通过统计分析的方法确定点位变形量。由于观测数据的获取需要采用多期观测的方法，所以各期观测基准的一致性和稳定性十分重要。GPS监测网与常规检测网一样，通过选取与实际变形一致的基准和平差模型来完成检测网的解算，国内外专家对GPS变形监测网的研究基本没有给出统一的平差模型。
2.2变形监测数据序列处理
变形监测数据序列处理通常用到的方法有统计分析法、确定函数法、时间序列分析、卡尔曼滤波、频谱分析等方法，研究表明，单一的利用一个固定的模型处理数据序列，不能有效分离不利影响带来的结果，根据影响的规律，建立相应的模型才能得到较好的分析结果。
3GPS变形监测网优化设计
GPS变形监测的主要手段是按照一定周期对监测网进行观测，从而获取变形量。由于GPS变形监测的这一特点，决定了变形监测网在网形设计、观测数据处理等方面与常规测量控制网有一定的差别，同时由于变形监测网观测指标不同，导致质量指标也有相应的变化。除了传统GPS控制网要求的精度、可靠性、费用指标外，灵敏度是GPS变形控制网需要满足的特殊标准之一。通过2期观测的监测网数据比较，通过基准变化，可以得到公共点在同一基准下的变形量及协因数矩阵。在控制网中，基线数量与网形连接是决定协因数矩阵的主要因素，因此GPS网的网形设计主要指网形的连接设计。基准的设计与统一是控制网优化设计的首要任务，在控制网数据处理上，基准问题表现为建立合适的平差模型（基准方程）。利用相邻两组观测数据在“相同的基准”下平差，2次平差结果的差即可作为变形分析的变形量，这里的“相同基准”通常情况下为“相似基准”。利用稳健估计方法，实现变形监测网的基准选择，采用布沙尔七参数模型作为相互转换模型，从而分析判断基准的稳定性，是选择统一基准的有效手段。平均间隙法是监测网中基准点的选择方法，当认为监测网中各点稳定程度相同的情况下，利用自由网平差的方法解算。由于监测网中各点的形变速率各不相同，根据经验及设计信息，可以采用拟稳平差的方法计算。若2期数据基准点稳定，则认为基准点之间剔除系统误差和粗差后仅有偶然误差，两者之间通过平移、旋转、尺度３类因子，可以建立相互转换关系，基于稳健坐标转换的基准选择方法就是在此基础上提出的。首先对每次观测的数据依据自由网平差的方法计算各期坐标值，然后对每2期数据利用带稳健估计的七参数模型转换，通过选权迭代确定稳定的基准点组。该方法可以归结为坐标变换参数的最小二乘估计，但该方法是建立在观测误差均值为正态分布的基础上，当观测误差不能正态分布时最小二乘法的最优性会受到严重的影响，而利用具有抗粗差能力的最小二乘稳健估计法能够较好地克服这一缺陷。
4GPS技术和数据处理在水利水电工程变形监测中的具体应用
在水利水电工程竣工后或施工过程中，可能会出现沉降、滑移以及变形等现象，因此需对造成这些现象的原因进行研究分析，并进行实时测量，当发现地基、堤坝等部位出现缺陷、裂缝等现象时，则应及时予以解决
GPS技术是当下解决这些问题的主要手段，在变形部位选择测定点，并进行定位机安装，同时在大坝周围相应部位选择若干基准点，并进行定位机安装，从而可使数据处理中心从测定点获取实时信号，通过计算后可得出有效的数据。在进行水下地形观测时，可将GPS接收器放置于两个选定好的测点，在信号获取后传送回数据处理中心，经过计算可得出水下水流速度、深度等有效参数，从而绘制出准确度较高的水下地形图。
5利用小波变换探测GPS周跳
GPS测量容易受对流层、多路径效应、电离层折射、钟差等因素的影响，从而使观测值含有各类误差，严重影响基线解算的精度。通过平差过程中参数的合理调整以及差分处理，可以极大地消除系统误差的影响；通过随机模型的优化，可以消除和减弱偶然误差的影响。GPS周跳是GPS观测中主要的粗差来源，也是提高定位精度的一个限制因素，未被检测到的周跳主要影响整周模糊度及接收机位置参数的改正数，因此周跳的探测是监测网解算的重要条件。周跳的继承性是周跳的主要特征之一。载波相位观测值随时间的变化，表现为一连续光滑的曲线，但由于周跳的影响，会破坏曲线的光滑度，从发生周跳开始，以后所有的观测值多会表现出相同的周跳。卫星信号的暂时失锁是GPS周跳产生的主要原因，大的周跳可以通过高次差等方法处理，但是小的周跳会被噪声掩盖，小波变化方法是一种高效的滤波和去噪方法，该方法可以有效地从观测数据中分离和修复周跳数据。由于偶然误差和系统误差的影响，利用小波变化技术直接处理GPS原始观测数据往往效果不佳。通过实验证明，在原始观测序列中加入1γ、2γ、3γ（γ＝0.1周）的周跳值时，利用原始序列无法达到周跳探测的目的。主要原因是收到电离层、对流层、钟差、多路径效应等误差的影响。利用差分技术有效消除以上误差后，再利用小波变换技术处理观测序列，效果十分明显。
6结论
总而言之，水利水电工程是我国基础建设中的重要组成部分，其对社会发展以及经济发展均起到至关重要的作用。而GPS技术与数据处理在水利水电工程变形监测作业中日渐发挥其重要作用，因此相关部门应加强GPS技术与数据处理的研究与应用，从而不断提升我国水利水电工程变形监测的技术水平和效率。
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