基于CORS的西安某建筑水平位移監測技術研究

摘 要:本文基于筆者多年從事CORS系統應用的相關工作經驗，以CORS系統在西安某建筑水平位移監測中的應用為研究對象，分析了CORS系統法與前方交會法在建筑水平位移監測中施測方案，證明了CORS系統法滿足建筑物水平位移監測的需求，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞:CORS 水平位移監測 前方交會 精度

中圖分類號:P2文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(a)-0037-02

近年來在局域差分GPS基礎上發展起來的CORS系統，應用了許多現代科技成果，VRS和主輔站技術就是其中主要技術之一。CORS系統是現代測量技術的標志，具有全天候、全自動、實時導航定位功能。可滿足覆蓋區域內各種地面、空中和水上交通工具的導航、調度、自動識別和安全監控等功能，還可以服務于高精度中短期天氣狀況的數值預報、變形監測、科學研究等。尤其是在城市規劃、國土管理、城鄉建設和基礎測繪方面，在建筑物變形監測中也越來越需要這種自動化程度高、精度高的技術。利用CORS系統進行變形監測可有效的降低工程費用，縮短工期，提高數據質量。但由于應用CORS系統進行變形監測有別于常規的監測技術，它本身的數據以及變形監測數據都需要進行有效的處理，才能滿足變形監測的需要。

西咸連續運行衛星定位綜合服務系統(XXCORS)是“數字西安”實現的重要體現，其主要作用是為社會用戶提供實時跟蹤空間定位服務，提供精確、實時的地理信息數據，滿足城市規劃、國土管理、城鄉建設、環境監測、減災防災、基礎測繪、交通監控、工程建設、形變監測、公共安全、精細農業等方面的對定位導航服務的需要。

1 工程概況

西安市某大樓是一棟綜合商住摟，占地面積為1000m2，高11層，高度37m，建筑物重要性等級為二級，抗震設防烈度為4度，場地等級二級。該建筑物為框架－剪力墻結構，基礎采用人工挖孔灌注樁。大樓自竣工以后開始利用CORS系統進行變形監測。為了應用CORS系統監測大樓在一段時期內水平變形情況，在大樓頂層的框架結構梁柱上安裝固定GPS基座，進行三天的GPS變形監測。本文將對比常規的前方交會法和CORS系統法。

2 前方交會法監測

2.1 水平位移監測網的布設

依據《工程測量規范》中對變形監測的要求，布設四個基準點的監測網，四個點都布設在地基穩固的低層平房上或堅固的巖石上，變形網控制網采用邊角網的觀測方式，角度觀測和邊長觀測利用1″級全站儀，測距精度為±(1mm+1×10－6D)。控制網按二等三角測量進行，水平角按全圓法觀測，每站測6個測回，垂直角測4個測回。測距每條邊讀數4次，其互差不大于2mm。對變形點LQ的觀測按三等三角測量進行。水平角每站測4個測回、垂直角測2個測回。變形監測網略圖見圖1。

圖中4個變形監測網基點為測站D1、D2、D3、D4，各基點視野開闊、便于觀測、不受干擾和易于長期保存且靠近建筑物。各點間通視條件良好，為增強圖形強度和檢核條件，監測控制網設計成4個點的形式。LQ點為變形監測點，制作成強制對中裝置，布設在建筑物樓頂框架結構梁柱上，與各基點可以形成較好的觀測圖形結構，便于觀測和保存。

2.2 精度評定

變形控制網平差方法選擇經典自由網平差模式。變形監測網按二等三角網觀測，取觀測方向中誤差。(經驗值)，再依以及計算出每個觀測方向及每條觀測邊的權。監測網的第二次觀測及以后所有的觀測，都要進行點位穩定性檢驗采用經典嚴密平差法時，復測后兩次平差值的較差應符合下式的要求:

式中△——兩次平差值較差(Ⅳ);——單位權中誤差(\"):——權系數。

在水平位移監測網設計完成后，對觀測數據使用清華山維NASEW測繪平差軟件進行精度估計，控制網中最大誤差情況:

最大點位誤差=2.25mm，最大點間誤差=1.51mm，最大邊長比例誤差=1／138889。由以上分析可得，最大點位誤差為2．25mm，滿足規范3.0mm的要求;最大邊長比例誤差1／138889，滿足規范1／120000的要求。

2.3 水平位移觀測

前方交會略圖見圖2。分別在測站D1、D2、D3、D4上觀測監測點LQ點。為削弱照準誤差，觀測點覘牌按以下五個要求制作:①反差大;②沒有相位差;③圖案對稱;④圖案兩邊留有適當的參考面積;⑤便于安置。首選白底黑圖案雙線條為宜的覘牌。

觀測點水平位移測量用前方交會法。為保證基準點的穩定性，應定期進行重復測量，計算每次的坐標值，用統計檢驗的方法來判斷點位的穩定性。根據基點實地埋設時的工程與地質信息，直接用擬穩平差進行網點穩定性分析。

通過統計檢驗當基點確實存在位移時，對觀測點的觀測值就得進行改正。本次變形測量采用的前方交會法，可以將測站點的位移看作儀器的偏心，利用改正后的數值來計算位移量。本實例觀測未出現基點的位移。

3 CORS系統法

通過對高度截止角、時段長度、基準點數量選擇、起算點坐標精度、軟件與星歷等參數配置比較實驗，得到以下結論:

(1)數據解算采用20°高度截止角較好，高度截止角過低可能造成多路徑效益顯著，信噪比增強，過高則觀測可用衛星數減少，數據相應的減少，造成誤差增大。(2)城市一般高層建筑物較多，但順各方向較為開闊，建議采用15°高度截止角觀測，測站天空平均高度角一般不大于35°，能夠滿足建筑物變形監測的精度要求。(3)為避免不必要的返工，靜態觀測定位時段長度采用12小時或更長的時間，觀測時間過短可能因數據量太少可能達不到預期精度，觀測時間過長精度得以提高但降低了工效。其選定與衛星狀況、交通情況、測點地形等因素有關。(4)±lm、±10m點位精度解算的基線，與±0．1m相比點位精度解算基線的相對差值分別為:－0.02～8.85ppm、－0.21-94.82ppm，平均為-1.79ppm、-19.16ppm。

3.1 觀測參數配置

本次監測活動，數據采樣間隔30s，采集高度截止角為15°，數據解算高度截止角為200，靜態觀測定位時段長度12小時，由于3個參考站與5個參考站解算結果相差不大，因此本實例只選取3個CORS參考站為監測網，基準網變形監測數據處理采用GAMIT軟件和精密星歷。

3.2 具體方案

由于各參考站都是24小時采集數據，因此截取每天所需時間段的觀測數據行解算，分析每天解算結果的異同，連續幾天的變化趨勢。

3.3 基準網設計

根據上述結論，在滿足變形監測要求的前提下，此次實例分析只采用離變形監測點較近的三個參考站作為變形基準網，三個參考站為JZOl、JZ02、JZ03，變形監測點在三個參考站組成的三角形內。網圖見圖3。

3.4 數據采集

于2007年9月2日～4n日開展外業數據采集，數據采集的時間段為9:00-21:00，共觀測3天3個時段，整個外業觀測過程無異常，未重測或補測。

采用l臺Trimble5800雙頻GPS接收機，儀器標稱精度為5mm+lppm。觀測時的參數設置如下:接收機作業模式為靜態觀測，觀測時段數為3個，測量等級為B級，時段長度12h，衛星高度截止角為10°，有效衛星數大于6顆，采樣間隔30s。采集的GPS數據為dat格式，用TG01.62的Convert to RINEX功能轉換為標準RINEX格式。

4 數據處理分析

首先使用TEQC軟件對每天觀測數據進行預處理，查看所有觀測衛星的多路徑效應和信噪比圖，剔除一些多路徑效應、信噪比影響較大的衛星，為GAMIT準備相對較好的數據。通過對每一個觀測數據的分析可知，各接收機接收GPS信號質量比較好，符合本設計的要求。本例選用3個CORS參考站的數據，采樣率為30秒，截取12小時的觀測數據，結合精密星歷并利用GAMIT軟件進行高精度解算。利用GLOBK軟件與三個參考站已知坐標對監測點LQ進行約束平差，然后進行坐標轉換，得到監測點平差坐標。

通過分析可知，監測點LQ水平位移量X、Y方向上基本在3mm以內，較規范要求值4.2mm略低。說明大樓運行非常穩定。同時對比了利用常規前方交會的方法，結果基本吻合。因此，我們可以得到，運用CORS系統對一般高層建筑物進行水平監測所得到的結果滿足《工程測量規范》(GB 50026-93)變形監測三等精度要求，完全可以替代常規邊角測量的方法。

參考文獻

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[2]唐力明，李成鋼，張建國，石曉春，魏平新.GPS/CORS精密區域地表位移動態監測技術研究[J].測繪通報，2010，(5).

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文