地质灾害高精度GPS监测关键技术研究

摘要

我国是世界上地质灾害最为严重的国家之一,持续开展对滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降和地裂缝等地质灾害的高精度监测,了解和掌握不同地质现象和地质灾害的变形规律和特征,从而实现对地质灾害的评价、预测和预警是一项必要而且迫切的科学任务。
　　目前,GPS定位技术已在地质灾害监测领域得到了广泛应用,但在如何实现高精度快速定位方面仍然存在着许多尚未完全解决的关键技术问题,如特殊环境条件下GPS观测误差的消除与改正,GPS原始观测数据质量的检验与判断,不同灾害监测需求下精度指标的确定,高精度GPS数据处理方案的确定,GPS精密单点定位技术的精度和可用性,GPS动态定位技术的适用性,以及GPS实时变形监测系统构建与实现等。
　　针对上述问题,本文结合若干地质灾害监测项目的实施,针对如何实现GPS高精度和快速定位所面临的理论和关键技术方法展开了深入的研究和探讨,获得了一些具有创新性并有益于指导实际应用的重要成果。
　　本文开展的研究工作和取得的主要研究成果如下:
　　1、针对影响高精度GPS定位的误差问题,重点探讨了卫星星历和对流层延迟误差对高精度GPS监测结果的影响规律,提出了在基线较长或站间高差过大时宜采用精密星历和对流层延迟改正模型进行高精度GPS基线向量解算的处理措施。
　　2、针对高精度GPS监测中如何判断测站观测环境和接收机质量的问题,提出了一种利用1MP与2MP之差?值的时间序列对GPS接收机性能进行检验的新方法,可以快速检验并判断GPS接收机的测量性能状态。
　　3、探讨了GPS精密单点定位(PPP)技术在地面沉降等大范围、缓变型地质灾害监测的适用性问题,通过对某地区大范围地面沉降监测数据的处理和分析,发现PPP技术监测结果的内符合精度可以达到5mm以内,外符合精度可以达到20mm左右,表明静态PPP技术在采取精细误差修正模型对影响定位的误差进行改正等技术措施后,完全可用于cm级精度的大范围地质灾害的变形监测。
　　4、为了提高静态PPP技术的收敛速度、定位精度和可靠性,提出了基于基准站改正信息和历元差分的无模糊度PPP定位新算法,该算法可大大缩短PPP的收敛时间,能够在较大范围内快速、独立获取各个监测点上的形变信息,且精度和可靠性均有保证。
　　5、为了降低GPS精密单点定位的硬件成本,研究了利用单频GPS接收机进行高精度定位的关键技术,提出了一种基于GPS原始观测值的单频PPP算法。该算法通过增加电离层延迟先验信息、空间和时间约束的虚拟观测方程,将电离层延迟当作未知参数与其它定位参数一并进行估计来高效修正电离层延迟误差。计算结果表明:该算法的收敛速度和稳定性较传统方法有所改善,其静态单频单天PPP解的精度可达2-3cm、模拟动态单频单天PPP解的精度可达2-3dm,完全可用于cm或dm级精度的大范围地质灾害的变形监测。
　　6、通过对滑坡监测精度、复测周期及速度之间关系的分析,探讨了三种GPS快速定位技术在滑坡灾害动态变形监测中的精度、适用范围和限制条件等关键问题,实例和计算结果表明,RTK技术、GPS单历元定位技术和实时PPP技术均可用于中速(4级)以上滑坡的实时动态变形监测。
　　7、基于本文研究的若干地质灾害高精度GPS监测关键技术和方法,提出对甑子岩危岩体采用GPS静态和动态定位技术相结合的监测技术路线,并成功构建了甑子岩危岩体GPS实时动态监测系统。该系统能够实现对危岩体变形情况的全天候、自动化和三维动态监测,进而实现对灾害体变形状况的及时准确预警,监测结果的平面精度在5mm左右,高程精度约为10mm。

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第一章 绪论

1.1 论文选题背景

1.2 地质灾害GPS监测研究现状及分析

1.3 课题来源

1.4 本文的研究内容及结构安排

第二章 GPS高精度定位的数学模型

2.1 GPS定位观测量的函数模型

2.2 GPS定位观测量的随机模型

2.3 GPS观测量线性组合及观测方程

2.4 GPS高精度定位的误差来源及其处理措施

2.5 本章小结

第三章 基于GPS静态相对定位技术的地质灾害高精度监测

3.1 高精度GPS静态相对定位技术的特点

3.2 高精度GPS监测网的坐标系统与参考基准

3.3 地质灾害高精度GPS监测网的精度指标

3.4 高精度GPS监测网观测时段数和观测时间的确定

3.5 广播星历和精密星历对高精度GPS监测结果的影响分析

3.6 对流层模型对高精度GPS监测精度的影响分析

3.7 高精度GPS观测数据预处理

3.8 高精度GPS观测数据处理

3.9 某研究区域2007-2009年地面沉降GPS监测成果

第四章 基于GPS精密单点定位技术的地面沉降高精度监测

4.1 GPS精密单点定位技术研究现状

4.2 GPS精密单点定位的观测模型

4.3 三种GPS精密单点定位观测模型的对比分析

4.4 GPS精密单点定位技术在地面沉降灾害监测中的应用

4.5 基于基准站改正信息和历元差分的GPS精密单点定位技术研究及其在地面沉降监测中的可行性探讨

4.6 一种基于原始观测值的单频精密单点定位算法

4.7 本章小结

第五章 基于GPS快速定位技术的滑坡灾害动态高精度监测

5.1 滑坡监测的精度

5.2 GPS快速定位技术的特点

5.3 GPS RTK技术用于滑坡动态实时变形监测的试验及结果分析

5.4 GPS单历元定位技术用于滑坡变形监测的试验结果及分析

5.5 GPS实时精密单点定位技术用于滑坡动态变形监测试验结果与分析

5.6 本章小结

第六章 甑子岩危岩体GPS实时变形监测系统的构建与实现

6.1 研究背景

6.2 甑子岩危岩体GPS高精度监测技术路线

6.3 甑子岩危岩体GPS高精度监测技术方案

6.4 甑子岩危岩体GPS实时动态监测结果及分析

6.5 芦山地震对甑子岩危岩体GPS变形监测结果的影响分析

6.6 本章小结

第七章 结论

7.1 本文开展的研究工作和取得的主要研究成果

7.2 本文的不足之处

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢