三峡库区滑坡监测GPS统测构网研究及应用

论文摘要

针对三峡库区近600km长水系范围内的滑坡监测问题,对三峡库区滑坡监测GPS统测构网和实践、滑坡监测基准稳定性分析和滑坡监测网优化等方法展开深入的研究。通过研究形成了一套适用性方法,对狭长区域滑坡监测具有指导作用。论文的研究内容和成果如下：1)介绍了三峡库区滑坡监测网的建立和应用效果,针对三峡库区滑坡监测的现状,提出了论文研究的目的和意义,系统地回顾了GNSS参考框架、高精度GPS数据处理与变形分析、变形监测网优化设计等与论文研究内容有关的理论、方法和成果。2)探讨了高精度GPS数据处理使用的ITRF和IGS参考框架的定义、建立和维持方法,以及三峡库区滑坡监测成果使用的北京54、西安80和WGS-84等坐标系,针对三峡库区滑坡监测涉及多种坐标系统转换的问题,研究了不同ITRF框架间的转换,精密星历与地面基准站坐标基准的统一,WGS-84坐标系和我国参心坐标系的转换以及等价坐标转换等方法。3)研究了三峡库区滑坡监测GPS统测构网技术。针对库区呈带状分布的特点,研究了多基准站式的布网方法,通过划分子网,系统地研究了GPS数据处理中系统误差的处理方法、分析了粗差观测值对平差结果的影响,比较了整体平差和分区平差结果的差异,在此基础上,确定了GPS统测构网的最佳方法。采用该方法,将三峡库区122个滑坡体的监测点统一到库区滑坡监测内,提高了作业效率以及滑坡监测的精度和可靠性,解决了三峡库区滑坡监测GPS统测构网的技术难题。4)研究了三峡库区滑坡监测基准的稳定性分析方法。该方法顾及了已有方法的局限性以及大范围变形分析中块体运动的影响。利用2008-2011年的多期GPS观测资料,对基准点进行稳定性分析。结果表明,三峡水库高水位蓄水的3年时间里,库区存在不稳定的工作基点,不稳定点的水平位移在4cm以上,水平向最大点位变化达79.4cm,不稳定点的垂直位移在4.5cm以上,垂向最大点位变化达53.7cm。不稳定点的水平位移方向与现场地理环境核查的结果具有一致性,垂直位移方向与地震部门的监测结果较为一致。5)研究了三峡库区滑坡监测网的优化技术。结合三峡库区122个滑坡体的实际观测环境条件,分析了GPS监测的最佳观测时段、最佳时段长度和最佳截止高度角。推导了GPS滑坡监测网的精度、可靠性、灵敏度和费用等质量指标,建立了监测网优化模型。提出了模拟法和解析法相结合的监测网形优化方法,基于该方法,对三峡库区滑坡体GPS变形网进行优化,得到了较优的监测网形。通过分析大量滑坡体的优化结果,总结出适用性结论,对全库区滑坡监测具有指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 GNSS参考框架的研究现状
• 1.2.2 高精度GPS数据处理的研究现状
• 1.2.3 高精度GPS变形分析的研究现状
• 1.2.4 GPS变形监测网优化设计的研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 三峡库区滑坡监测的坐标框架及其转换
• 2.1 引言
• 2.2 国际地球参考框架
• 2.2.1 地球参考系和参考框架
• 2.2.2 国际地球参考框架的建立和发展
• 2.2.3 国际地球参考框架的基准
• 2.2.4 全球板块运动模型
• 2.2.5 国际地球参考框架的速度场
• 2.3 IGS参考框架
• 2.3.1 国际GNSS服务
• 2.3.2 IGS参考框架
• 2.4 三峡库区滑坡监测的坐标系统
• 2.4.1 1954北京坐标系
• 2.4.2 1980西安坐标系
• 2.4.3 WGS-84坐标系
• 2.5 坐标系统转换
• 2.5.1 基准转换
• 2.5.2 等价坐标转换
• 2.6 本章小结
• 3 GPS监测网数据处理的理论和方法
• 3.1 引言
• 3.2 高精度GPS基线处理方法
• 3.2.1 观测值的线性组合
• 3.2.2 基线处理的系统误差
• 3.2.3 轨道改进方法
• 3.2.4 基线处理的数学模型
• 3.3 高精度GPS基线网平差处理方法
• 3.3.1 GPS自由网平差
• 3.3.2 粗差分析
• 3.3.3 系统误差分析
• 3.3.4 高精度GPS监测网基准的统一方法
• 3.4 本章小结
• 4 三峡库区滑坡监测GPS统测构网研究
• 4.1 引言
• 4.2 三峡库区滑坡监测GPS统测构网的特点及分析
• 4.2.1 GPS统测构网的特点
• 4.2.2 GPS统测构网中着重考虑的问题
• 4.3 GPS观测方案
• 4.4 GPS基准网的数据处理
• 4.4.1 GPS基线处理
• 4.4.2 GPS基线网平差处理
• 4.4.3 坐标转换
• 4.5 GPS变形网的数据处理
• 4.5.1 GPS变形网数据处理方案
• 4.5.2 GPS变形网平差结果分析
• 4.6 本章小结
• 5 三峡库区滑坡监测基准的稳定性分析
• 5.1 引言
• 5.2 高精度GPS监测网的位移分析
• 5.2.1 位移的参考基准
• 5.2.2 变形分析基准的统一
• 5.2.3 局部位移的提取方法
• 5.2.4 用卡尔曼滤波估计测站位移速率
• 5.3 常用的点位稳定性分析方法
• 5.3.1 整体检验法
• 5.3.2 单点检验法
• 5.3.3 稳健迭代权法
• 5.4 三峡库区滑坡监测基准的稳定性分析
• 5.4.1 GPS观测数据
• 5.4.2 基准点的稳定性分析
• 5.4.3 工作基点的稳定性分析
• 5.5 本章小结
• 6 三峡库区滑坡监测网的优化技术
• 6.1 引言
• 6.2 GPS变形监测网的优化设计
• 6.2.1 质量标准
• 6.2.2 优化设计的分类
• 6.2.3 优化设计方法
• 6.3 三峡库区滑坡体GPS变形网参数优选
• 6.3.1 参数优选方法
• 6.3.2 算例分析
• 6.3.3 参数优选的结果
• 6.4 三峡库区滑坡体GPS变形网网形优化
• 6.4.1 网形优化方法
• 6.4.2 算例分析
• 6.4.3 网形优化的结果
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 后续工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的主要科研工作
• 致谢