雅砻江卡拉水电站工程区滑坡体一期基准网稳定性检验的实践

郑 建，高红旗

（浙江华东测绘地理信息有限公司，浙江杭州，310014）

雅砻江卡拉水电站工程区滑坡体一期基准网稳定性检验的实践

郑 建，高红旗

（浙江华东测绘地理信息有限公司，浙江杭州，310014）

对雅砻江卡拉水电站工程区滑坡体变形监测网的监测精度和在高山峡谷条件下的GNSS数据质量进行检验和评定，可为以后类似条件下的GNSS变形监测设计提供工程实践依据，对类似变形监测系统的建设具有借鉴意义。此外，对基准网稳定性情况、GNSS数据质量情况进行了检验分析。

GNSS变形监测；GNSS观测数据质量；内符合精度；外符合精度

1 概述

卡拉水电站工程区为高山峡谷地区，工程区滑坡体分布范围广（上下游跨度36 km）、规模巨大、测点数量多、现场环境恶劣、山高坡陡。卡拉水电站工程区滑坡体一期安全监测工程主要监测库区内的周家、八通、上田镇、下田镇、田三、下马鸡店、草坪七个滑坡体，滑坡体平均坡度为30°左右，是目前国内在偏远地区水电站建成的最大规模的自动化表面位移监测系统。系统有徕卡和华测两种自动化监测解决方案，共布设有GNSS监测平面控制基准网点（连续运行站）24个，其中徕卡18个、华测6个，其在各滑坡体的分布情况如表1所示。GNSS监测点（连续运行站）48个，设计水平位移观测精度±3 mm，垂直位移精度±5 mm。徕卡和华测两种自动化解决方案独立运行，经过2年多监测运行，获取了大量监测数据，也基本反映了滑坡体的位移特征，但经过对实时数据的分析，发现部分GNSS日监测数据、不同期监测数据之间较差有超出设计中误差限差的情况。产生此类现象的原因可能是由于基准网点的位移、或位移监测点的弹性位移或沉降。为科学评定卡拉水电站工程区滑坡体变形监测网的监测精度和在高山峡谷条件下的GNSS数据质量，并为以后类似条件下的GNSS变形监测设计提供工程实践依据，对基准网稳定性情况、GNSS数据质量情况进行了检验。

为评价GNSS观测数据质量，从两家GNSS供应商提供仪器安装好后的全部观测数据中，抽取3周的观测数据，时段为系统建成开始观测时、工程中期、工程后期一周，选取的3周数据连续，而且两种仪器的数据时间一致。进行各期基线处理时，取的已知点为同一个点，而且坐标要求保持不变，两种仪器数据先进行独立组网平差再进行一次联合平差，使两个标段基线处理的已知点坐标统一。

表1 GNSS基准点的分布Table 1 Distribution of GNSS datum points

2 GNSS基准点数据质量检验的数据处理流程

评价GNSS基准点的数据质量，通过计算GNSS基准点的内符合精度和外符合精度方式实现，质量检验数据处理的流程如下：

（1）选取站心地平坐标系原点的经度和纬度；

（2）每一个时段（7d）首日的平差计算时，取基线计算时作为固定点的空间坐标，计算该点的站心地平坐标系下的坐标，然后在站心地平坐标系下进行独立网平差，再以所得的坐标结果作为初值进行自由网平差；

（3）该时段的其他天的平差计算均以首日平差所得的坐标结果作为初值进行自由网平差，并选取3个旋转参数和尺度因子参数；

（4）处理每天的观测数据时，都要进行GNSS基线的粗差检验和定位，如果有多个观测值的粗差检验值超限，只剔除检验值最大的观测值，再进行平差，进行粗差检验，直到没有粗差检验值超限为止；

（5）统计基线解算和网平差时剔除带有粗差观测值的个数；

（6）统计每天GNSS网平差后的GNSS基准点的三维坐标中误差（内符合精度）；

（7）根据7 d GNSS网平差后GNSS基准点的三维坐标值与7 d坐标值的平均值之间的差值，计算GNSS基准点的三维坐标中误差（外符合精度）。

3 GNSS基准点观测数据处理及结果

3.1 独立组网GNSS观测数据处理结果

3.1.1 华测系统独立组网GNSS观测数据处理结果

华测采用扼流圈天线解决方案实施观测的基准网点为6个，由于供电原因且方案中使用的仪器不具备终端存储功能，华测GNSS记录的基准点前、中、后期各7 d数据时间长度均为10 h左右。

将每天的观测数据进行基线解算，得到每天36条基线，7 d共计252条。对7 d的基线观测数据分别进行了单天网平差和7 d数据统一网平差，得到了8套解算结果。表2给出了具有代表性（取互差最大的2 d）的基准点2个单天网平差与7 d统一网平差的平面坐标和高程差异值。

假设每个测点的坐标是等精度的，按误差理论可以计算出每个测点单天解的坐标精度：

mx=2.5 mm，my=1.7 mm，mz=2.6 mm

进而可知7 d观测统一解的精度为：

mxˉ=1.4 mm，myˉ=1.0 mm，mzˉ=1.5 mm

平面点位精度：

在上述的网平差中，通过标准余差法对基线观测值进行粗差检验，发现252条基线中有7条基线含有粗差，剔除这7条基线后重新进行了上述的网平差，统计结果如下：

测点单天解的坐标精度：

mx=1.9 mm，my=1.7 mm，mz=1.5 mm

7 d观测统一解的精度为：

mxˉ=1.1 mm，myˉ=1.0 mm，mzˉ=0.9 mm

平面点位精度：

表2 基准点2个单天网平差与7 d统一网平差的平面坐标和高程差异值（单位：m）Table 2 Difference of plane coordinates and elevation of datum point between the 2 single-day’s net adjustment and 7 day’s uni⁃fied network adjustment

表3 基准点2个单天网平差与7 d统一网平差的平面坐标和高程差异值(剔除粗差)（单位：m）Table 3 Difference of plane coordinates and elevation of datum point between the 2 single-day’s net adjustment and 7 day’s uni⁃fied network adjustment(after excluding gross error)

剔除7条含粗差基线后进行典型的3个单天观测网平差和7 d观测统一网平差，得到的基准点坐标精度指标分别列于表4～7。

上述计算结果表明，华测卡拉GNSS边坡监测网7 d GNSS观测，基准点无论是内符合精度还是外符合精度，平面上均达到±2 mm。

表4 第一天观测值网平差基准点精度指标（单位：mm）Table 4 Benchmark point accuracy indicators for the first day’s observation net adjustment

表5 第四天观测值网平差基准点精度指标（单位：mm）Table 5 Benchmark point accuracy indicators for the fourth day’s observation net adjustment

表6 第七天观测值网平差基准点精度指标（单位：mm）Table 6 Benchmark point accuracy indicators for the seventh day’s observation net adjustment

表7 7天观测统一网平差基准点精度指标（单位：mm）Table 7 Benchmark point accuracy indicators for the 7 day’s observation unified network adjustment

3.1.2 徕卡系统独立组网GNSS观测数据处理结果

徕卡解决方案实施观测的基准点共18个，徕卡GNSS记录的基准点前、中、后期各7 d数据时间长度均为23.9 h，在徕卡平差软件LGO中平差后所有观测值解算合格的基线一起参与网平差未能通过，平差显示最大点位中，误差4.7 cm左右，闭合环误差最大的达到10.036 m，在具有拟稳平差功能的基于站心地平坐标系为参考坐标系GNSS变形监测网的网平差软件中，系统对徕卡系统3个时段每天的GNSS观测数据按数据处理流程进行了网平差，按得到GNSS的三维坐标变化相对较小和精度较高的原则，表8列出了徕卡系统3个时段21 d的GNSS观测数据处理中剔除的带有粗差观测值的个数、多余观测值个数和观测值平均多余观测分量。

从表8可以看出，尽管徕卡在GNSS基线解算和网平差中剔除许多观测值，但总体来看，网平差时具有足够的多余观测量，观测值平均多余观测分量均大于0.8。在对观测值进行粗差定位时发现，检验值超限的GNSS基线绝大多数是X方向（北方向）的基线，其次是Z方向（高程方向），说明卡拉GNSS基准点在北南方向可能存在遮挡，影响观测值的精度。

徕卡系统21 d的GNSS网平差后GNSS基准点的平面点位误差基本小于3 mm（只有3 d的TN20平面定位误差大于3 mm，小于4 mm），高程中误差均小于5 mm，基本满足设计的精度要求，但是有的日期的GNSS网平差的三维坐标精度较差。经分析，主要原因是徕卡解决方案中配置了非扼流圈天线及该天GNSS有效观测时间较短。3个时段网平差的坐标相对该时段首日坐标的差值表示在图1～9。

表8 剔除带粗差观测值数和每个观测值平均多余观测分量Table 8 Number of the removed gross error and the mean excess observation component for each observation item

图1 第1时段X坐标相对该时段首日X坐标的差值Fig.1 Difference between the X-coordinate of the first period and the X-coordinate on first-day of this period

图2 第1时段Y坐标相对该时段首日Y坐标的差值Fig.2 Difference between the Y coordinate of the first period and the Y coordinate on first-day of this period

图3 第1时段Z坐标相对该时段首日Z坐标的差值Fig.3 Difference between the Z-coordinate of the first period and the Z-coordinate on first-day of this period

图4 第2时段X坐标相对该时段首日X坐标的差值Fig.4 Difference between the X-coordinate of the second period and the X-coordinate on first-day of this period

图5 第2时段Y坐标相对该时段首日Y坐标的差值Fig.5 Difference between the Y-coordinate of the second period and the Y-coordinate on first-day of this period

图6 第2时段Z坐标相对该时段首日Z坐标的差值Fig.6 Difference between the Z-coordinate of the second period and the Z-coordinate on first-day of this period

图7 第3时段X坐标相对该时段首日X坐标的差值Fig.7 Difference between the X-coordinate of the third period and the X-coordinate on first-day of this period

图8 第3时段Y坐标相对该时段首日Y坐标的差值Fig.8 Difference between the Y-coordinate of the third period and the Y-coordinate on first-day of this period

图9 第3时段Z坐标相对该时段首日Z坐标的差值Fig.9 Difference between the Z-coordinate of the third period and the Z-coordinate on first-day of this period

如果同一时段的GNSS基准点没有发生位移，可以用该时段每一天网平差后的坐标值与该时段坐标平均值之间的差值来评定坐标值的精度（外符合精度）。但很难保证基准点肯定没有位移或坐标值不受其他系统误差的影响，因而外符合精度只能作为精度的参考指标，而且首先还要判断坐标值是否有系统性的变化。

从图2～4可以看出，第一个时段基准点的三维坐标整体上没有大的系统变化，表9给出了第一时段7 d三维坐标的外符合精度。

分析第2时段的网平差结果发现，第1日和3日这2天的结果与后5 d的结果有一定系统差异，因此表10给出的第2时段三维坐标的外符合精度是由后5 d的结果计算得到。

从图4和图6可以看出：TN08第5日的X和Z坐标与前4 d的结果有明显系统性差异，如果只用前4 d的结果计算TN08的X和Z坐标的中误差，其结果为1.45 mm和2.44 mm，对应的原值为7.34 mm和4.55 mm，由此可知：点的位移或系统误差影响对外符合精度的计算有很大影响。

分析第3时段的网平差结果发现，第7日的结果与前6d的结果有一定系统差异，因此表11给出的第3时段三维坐标的外符合精度由前6d的结果计算得到。

徕卡GNSS网平差的结果表明：在进行GNSS基线解和网平差时，要对观测值进行粗差检验和定位，从本次计算结果来看，长基线和南北方向的基线超限的较多。GNSS基准点的平面点位误差基本小于3 mm，高程中误差均小于5 mm，基本满足设计的精度要求，但也有个别日期的GNSS网平差的三维坐标精度较差。

3.2 两品牌仪器数据联合平差

两品牌仪器数据联合平差时，由于不同厂商各自软件对非本品牌的数据基线解算的兼容性问题，选取了卡拉滑坡体监测控制网上游华测GNSS测量的6点和徕卡GNSS测量的3点，在自动化系统中截取满足每天23.9 h的连续测量数据，9点组成控制网进行平差计算。基线解算采用Bernese GNSS Software Version 5.2软件，网平差采用具有拟稳平差功能的、基于站心地平坐标系为参考坐标系GNSS变形监测网的网平差软件，计算结果与徕卡单网平差结果基本一致。

表9 第1时段三维坐标外符合精度Table 9 External compliance accuracy of three-dimensional coordinates in the first period

4 计算结果分析及结论

（1）通过上述实测数据的处理、精度评定和以往处理GNSS数据的经验，外符合精度的计算在一定程度上受点的位移和一定的系统误差影响，因此外符合精度要比基准点的实际精度高一些。据此判断GNSS基准点的三维坐标中误差分别达到3 mm、2 mm和5 mm。GNSS基准点的平面点位误差基本小于3 mm，高程中误差均小于5 mm，但也有个别日期的GNSS网平差的三维坐标精度较差。

（2）从网平差粗差检验和基准点的外符合精度结果可以看出，南北方向的基线和长基线粗差检验超限的最多，X方向的外符合中误差明显大于Y方向的中误差，说明GNSS信号在山区受遮挡影响，使GNSS观测结果精度降低。

表10 第2时段三维坐标外符合精度Table 10 External compliance accuracy of three-dimensional coordinates in the second period

（3）GNSS观测时间短会影响GNSS网平差的坐标精度，因此一定要保证GNSS的观测时间。

（4）水电站GNSS高山峡谷地区滑坡体平面监测基准网的基准点观测环境应合理选择、使用同一型号高精度的双频GNSS接收机、采用抗干扰能力强的扼流圈天线，并在观测中将天线按指北方向线进行定向。在制定观测方案时，注意保证有足够的多余观测，以利于粗差的剔除，防止误差的累积。在基线解和网平差时注意对观测值进行粗差检验，3 d的GNSS观测数据可以使其基线精度达到1.5 mm+0.5 ppm，基准点的平面精度可以达到±2 mm的精度。（注：采用河海大学地球科学与工程学院兰孝奇开发的“基于站心地平坐标系的GNSS三维变形监测网数据处理软件”进行上述精度估算和网平差）。

（5）采用合理的GNSS数据处理方法，与已有WGS-84系坐标的点（IGS核心站）进行联测计算，得到准确的起算数据，以消除起始点误差对基线解的影响，在GNSS基线处理时,注意剔除含有粗差的观测值和观测信号不好的时段，软件中的限差设置要根据GNSS网设计的要求给定。

表11 第3时段三维坐标外符合精度Table 11 External compliance accuracy of three-dimensional coordinates in the third period

（6）平差方法应选择拟稳平差，拟稳平差最适合变形监测网的数据处理。首期观测可以将所有的基准点作为拟稳点进行平差；以后各期观测数据处理时，首先要判断各基准点的稳定性（可以选择基于聚类分析方法分析拟稳点相对稳定性），选择稳定的基准点作为拟稳点进行平差。

（7）GNSS观测数据处理分为基线解和网平差两个部分，在基线解和网平差中都需要对基线观测值进行粗差检验，需要人工来计算和判断，目前厂家的自动化监测解决方案很难自动完成，而且软件也是独立存在的。如需要同平台管理可以使网平差软件能自动读取基线解的结果，网平差的结果可以直接存入数据库，这样可以通过数据的联系达到数据处理的一体化。

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2017-02-28；

2017-04-12

郑 建（1978-），男，浙江武义人，高级工程师，主要从事工程测绘工作。

作者邮箱：zheng_j1@ecidi.com

Stability test of benchmark phaseⅠ for landslide body of Kala hydropower station on Yalong riv⁃er

ZHENG Jian and GAO Hong-qi

Zhejiang Huadong Surveying,Mapping and Geoinformation Co.,Ltd.

In this paper,the monitoring accuracy of deformation monitoring network for landslide body of Kala hydropower station on Yalong river is studied and the quality of GNSS data under the conditions of alpine canyon is evaluated,which provides engineering practice basis for GNSS deformation monitor⁃ing design under similar conditions.Moreover,the benchmark stability as well as the quality of GNSS da⁃ta are analyzed.

GNSS deformation monitoring;GNSS observation data quality;internal compliance accura⁃cy;external compliance accuracy

TV221

B

1671-1092（2017）05-0039-09