GPS在變形監測技術現狀及發展趨勢

張家明吳新宇彭述剛

（1.肇慶高新區四會產業園管理局，廣東 四會 526299；2.廣州繪宇智能勘測科技有限公司，廣東 廣州 510000）

GPS在變形監測技術現狀及發展趨勢

張家明1吳新宇2彭述剛2

（1.肇慶高新區四會產業園管理局，廣東 四會 526299；2.廣州繪宇智能勘測科技有限公司，廣東 廣州 510000）

GPS技術以速度快、全天候、高精度、自動化等諸多優點，被廣泛運用到高層建筑、地質災害、礦山礦井等變形監測中，由于垂直位移監測精度低、噪聲干擾等問題，促使了與其他技術相互集成。文章闡述了基于GPS周期性與連續性2種變形監測模式及其數據處理方式，探討了單一GPS變形監測技術存在的5方面主要問題，分析了目前基于3S集成技術、在線實時分析系統、結合小波分析等主流GPS變形監測技術現狀，提出了基于3S技術、Web動態監測、四維可視化監測、移動終端監測的GPS變形監測未來發展趨勢。

GPS技術；變形監測；發展趨勢；移動終端

現實世界中有許多的災害發生都與其本身變形有著極大的關系，比如橋梁垮塌、滑坡、潰壩等，這些災害不經意地發生，往往會造成嚴重的后果，因此變形監測對于災害的預防有著重要的作用[1-2]。隨著科學技術進步及變形監測結果精度的提高，傳統的變形監測技術已經不能夠完全滿足時代需求。GPS作為一種全新的現代空間定位技術，具有速度快、全天候、高精度、自動化等諸多優點，廣泛的運用到了變形監測中。目前基于 GPS技術變形監測正向多學科交叉的應用領域發展，監測對象涉及到地殼變形、地質災害、高層建筑、水庫大壩、礦山礦井、隧道工程、結構工程等[3-5]。同時，隨著測繪、遙感、GPS、GIS等技術的快速發展，基于GPS技術變形監測也逐步的融入了 RS、GIS等技術，大幅度提高了變形監測的便利性和準確性，變形監測技術方法也取得了日新月異的迅速發展[6-8]。本文闡述了GPS變形監測模式、數據處理方法及其存在問題，概述了目前主流的 GPS變形監測技術現狀，提出了基于3S技術、Web動態監測、四維可視化監測、移動終端監測的 GPS變形監測未來發展趨勢，為提高變形監測精度，實時動態監測奠定了重要基礎。

1 GPS變形監測概述

1.1 GPS變形監測模式

1.1.1 周期性監測模式

當變形體的變形速率緩慢時，或者在局部空間范圍和時間范圍內發生微小變化，則可以采用 GPS進行變形監測，監測周期頻率可以是幾個月、1年甚至是多年，比如滑坡體變形監測、地震活躍區變形監測、大壩變形監測等。通過計算同一個測量監測點兩個觀測周期之間的相對位置變化大小來測定情況。采用GPS靜態相對定位方法測量，將2臺以上的GPS接收機安置在觀測點上，同步觀測一段時間。用后處理軟件進行基線解算，經過平差計算求得觀測點的三維坐標（X0，Y0，Z0），并將其作為變形監測的參考標準。然后采用類似的方法進行不定期的復測，求得第i次結果的坐標為（Xi，Yi，Zi），則根據坐標差（XΔ，YΔ，ZΔ）確定監測點變形量。

1.1.2 連續性監測模式

連續性變形監測是指采用固定儀器設備對變形體進行長時間的監測，獲取連續性數據，具有較高的時間分辨率。比如大橋在負載作用下的快速變形則采用連續性監測，采用密度高，例如每秒鐘采樣一次，而且要計算每個歷元的位置；大壩在超洪水位時，必須時刻監視其變化情況，并實時對監測數據進行處理分析；高層建筑物的振動測量等。根據變形體的不同特征，GPS連續性監測可采用靜態相對定位和動態相對定位兩種數據處理方法進行觀測。監測的精度根據監測對象具體情況設定，目前最高的監測精度可達到亞毫米級。

1.2 GPS變形監測數據處理

GPS變形監測數據處理的工作主要是指監測網的的解算和平差計算。其中 GPS基準網的基線計算采用瑞士 BERNESE大學研制的BERNESE軟件和麻省理工學院研制的GAMIT GLOBK軟件，使用IGS精密星歷。平差軟件則主要采用PowerADJ科研辦軟件、原武漢測繪科技大學研制的GPSADJ系列平差處理軟件和同濟大學的 TGPPS靜態定位后處理軟件。這些軟件對GPS數據處理分為2個方面，第一是GPS原始數據進行處理獲得同步觀測網的基線解，第二是對各同步網解進行整體平差與分析，獲得 GPS網的整體解。針對監測站點的解算可選用“直接提取變形GPS高精度解算軟件”。

1.3 GPS變形監測問題

GPS變形監測主要存在如下幾個方面的問題：

（1）對于高山峽谷、茂密叢林、密集建筑物群，由于衛星信號被遮擋無法接收到有效信息，其監測的精度和可靠性不能完全得到保證。

（2）采用GPS點進行變形監測，只能獲取到變形體的離散點的數據，無法獲取變形體表面所有數據。

（3）目前GPS監測水平位移的精度較高，但是在垂直位移方向監測的精度卻比較低，因此比較難監測同時在水平位移和垂直位移都要求精度高的變形體。

（4）對于變形監測數據處理采用的整周模糊度動態解算方法（OTF法），該方法只能達到厘米級精度，遠不能滿足高精度變形監測要求。

（5）對于動態變形監測，由于監測點在短時間內的變形微小，表現為一種弱信號，而誤差卻成為強噪聲，如何從受強噪聲干擾的序列觀測數據中提取微弱的特征信息，以提高變形監測的精度，是 GPS動態監測系統應解決的一個關鍵技術問題。

由于 GPS存在不足之處，所以需要根據監測對象的實際情況，結合GIS、RS等其他方面的技術，提高監測的精度。

2 GPS變形監測技術現狀

2.1 在線實時分析系統

隨著計算機、無線電傳輸、GPS及地理信息系統技術的快速發展，對于高層建筑、滑坡和地區性地殼變形監測，研究建立實時在線動態變形監測分析系統是一個非常重要的發展趨勢。這種系統由數據的采集、數據無線或有線傳輸和數據分析處理等結構構成，通過 GPS實時動態監測，利用無線電傳輸技術，及時傳輸到終端，利用地理信息系統開發數據處理與分析軟件，實時動態分析變形結果，從而分析變形的現狀、規律及其發展趨勢，為實現防災減災提供可靠的科學依據。有部分學者采用的是Visual Basic6.0可視化開發工具，實現GPS與GIS的無縫集成，建立遠程變形監測智能預警系統[7]；利用GPS對降雨型滑坡監測，通過多元線性回歸分析降雨量、時間滑坡位移的關系，從而構建了滑坡變形監測與預警系統[4]。但目前基于實時動態分析系統成本比較昂貴，因此研究低成本的 GPS實時在線動態監測分析系統也是重要的研究方向。

2.2 建立3S集成變形監測系統

因為 GPS變形監測存在高密物體覆蓋區信號差、垂直位移監測精度低、噪聲干擾等問題，所以為了克服 GPS的變形監測的局限性，根據變形監測體的具體對象，可以將 GPS技術與RS、GIS技術相結合，建立3S集成綜合變形監測系統。例如將GPS技術與INSAR技術集成構建變形監測系統，實現四維形變（x，y，z，t)的整體動態精確測定，目前已經運用于公路采空區的變形監測當中[6]。將GPS與GLONASS組合定位，解算組合定位的雙差模糊度，引入相對定位精度因子，提高定位精度的可靠性[9]。

2.3 結合小波分析GPS變形監測

GPS在應用于大型建筑、水利設施形變監測時，受到外界各種噪音的影響，給測量結果帶來一定的誤差，使得變形監測結果存在一種多波段的混合波，嚴重影響了監測結果的精度。為了克服經典 Fourier分析不能描述信號時頻特征的缺陷，可利用小波變換在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率、在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率的特點，將其運用到 GPS動態變形分析，實現GPS動態監測數據的濾波、變形特征信息的提取以及不同變形頻率的分離。通過研究發現了小波分析能有效處理監測數據中的粗差識別和噪聲處理，對于大壩后期變形特征提取效果較好，處理后的數據具有規律、直觀，能夠直接反映變形體變形趨勢[10-11]。

3 GPS變形監測發展趨勢

隨著 GPS技術與現代網絡信息化技術的快速發展，變形監測精度要求越來越高，目前采用的變形監測技術已不能完全滿足現在及其未來的發展需求。基于3S技術、Web動態監測、三維可視化監測、移動終端監測是未來 GPS變形監測的主流發展方向。

3.1 基于3S技術變形監測

基于3S技術變形監測必然是現在及其未來發展的重要潮流。一方面，因為目前3S集成技術的變形監測產品已經被廣泛運用，包括地殼運動監測、地質災害監測、高層建筑監測、水庫工程等，廣泛的運用且已經被大眾所接受，所以是未來發展的趨勢；另一方面，基于 GPS變形監測技術方面，針對數據測采集、傳輸、存儲、分析、預報、精度等問題，通過3S技術集成得到了有效地解決，建立綜合變形監測系統，實現了不同監測技術之間的優勢互補。

3.2 基于web動態監測

目前是一個互聯網的時代，將 GPS變形監測數據及其分析結果傳輸到互聯網，同時發布變形監測曲線圖、變形速率及預測分析，實現監測預報無人管理，只需要有互聯網的地方就能使人們直觀了解到變形體的具體變形過程。

3.3 四維監測信息可視化表達

目前三維可視化技術得到了飛快的發展，通過地表、地下、地面信息的采集，采用三維制圖軟件能快速的構建三維模型，可以直觀的查看監測對象的立體形象。另外，通過大量前期監測數據資料，結合針對性的預測模型，分析預測在時間軸上可視化三維預測結果，從而實現在X、Y、Z、T四維監測的可視化表達。同時建立預警預報模型和危害范圍四維可視化分析。達到不僅在視覺上，而且在時間曲線上更為直觀的表現動態實時變形監測。

3.4 移動端實時監測

隨著無線網絡技術快速發展，智能手機、ipad、平板等數碼設備的功能也越來越強，開發實時在線預警預報App，利用無線網絡傳輸監測數據結果，通過APP軟件軟件預報分析，實現大眾掌握形變體變形結果，向全社會提供安全監測的信息服務，從而更為有效地縮短了反饋給受害人群的時間，為城市應急防災提供了重要技術支撐，達到了真正意義上的快速防災減災動態監測。

4 結語

GPS技術以具有速度快、全天候、高精度、自動化等諸多優點，廣泛的運用到了地質災害、地殼運動、高層建筑、水庫工程等變形監測中，同時由于自身的高密物體覆蓋區信號差、垂直位移監測精度低、噪聲干擾等問題的局限性，促使了GPS與RS、GIS、小波分析等技術相互結合、優勢互補，實現實時動態高精度變形監測。隨著3S技術、互聯網技術、四維可視化技術和移動終端技術的發展，GPS技術與其有效集成，能夠實現直觀、快速的四維防災減災預警預報，為城市應急防災提供重要的技術支撐。

[1] 胡友健,梁新美,許成功.論GPS變形監測技術的現狀與發展趨勢[J].測繪科學,2006,31(5):155-157.

[2] 朱代堯,劉小陽.GPS在災害監測中的應用綜述[J].防災科技學院學報,2007,9(2):73-75.

[3] 李征航,張小紅,朱智勤.利用GPS進行高精度變形監測的新模型[J].測繪學報,2002,31(3):206-210.

[4] 艾鴻敏.基于GPS的降雨型滑坡變形監測與預警[D].重慶:重慶大學,2013.

[5] 趙宜行. GPS變形監測技術及其數據處理方法研究[D].西安:西安科技大學,2009.

[6] 芮勇勤,陳佳藝,丁曉利.基于InSAR與GPS技術的公路采空區變形監測[J].東北大學學報:自然科學版, 2010,31(12):1173-1176

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Present Situation of GPS technology in deformation monitoring and development trend

Global Positioning System(GPS ) technology has been widely applied to deformation monitoring of high-rise buildings, geological disasters and mines with advantages of fast, all-weather, high precision and automation. Problem of low vertical displacement monitoring accuracy and noise has been promoted mutual integration with other technologies.This paper describes two kinds of deformation monitoring model and its data processing based on GPS cyclical and continuity,discusses the main issues in five areas GPS deformation monitoring technology exists, analyzes the deformation monitoring technology based on the current status of 3S integration technology, online real-time analysis system, combining wavelet analysis, proposes development trend of GPS deformation monitoring based on 3S technology, Web dynamic monitoring, 4D visualization monitoring and mobile terminal monitoring.

GPS technology; deformation monitoring; development trend; mobile terminal

TN96

A

1008-1151(2015)02-0035-03

2015-01-10

張家明（1973－），男，廣東肇慶四會人，肇慶高新區四會產業園管理局工程師，從事規劃測量研究。

彭述剛（1989－），男，廣東廣州人，供職于廣州繪宇智能勘測科技有限公司，碩士研究生，從事遙感與測繪研究。