淺析GPS在高層建筑變形監測中的應用

劉愉能

【摘要】本文對GPS技術在高層建筑變形監測應用中的監測模式、測量方法、數據處理做了介紹和分析，最后指出GPS技術在變形監測中應用的發展前景將更加廣闊。

【關鍵詞】GPS；高層建筑；變形監測

GPS定位技術作為一種新的測量技術已逐漸在越來越多的領域取代了常規測量儀器。由于GPS測量具有高精度三維定位能力，在變形監測方面，與傳統方法相比較，應用GPS不僅具有精度高、速度快、操作簡便等優點，而且利用GPS技術、計算機技術、數據通訊技術及數據處理與分析技術進行集成，可實現全自動化、實時監測的目的。

1、GPS變形監測模式

近年來，隨著建筑行業的蓬勃發展，越來越多的高層建筑應運而生。由于高層建筑結構的復雜性和重要性，使得對高層建筑進行必要的變形監測顯得十分有必要。GPS定位技術作為一種新的測量技術已逐漸在越來越多的領域取代了常規測量儀器。由于GPS測量具有高精度三維定位能力，在變形監測方面，與傳統方法相比較，應用GPS不僅具有精度高、速度快、操作簡便等優點，而且利用GPS技術、計算機技術、數據通訊技術及數據處理與分析技術進行集成，可實現全自動化、實時監測的目的。

GPS用于變形監測的模式有兩種：周期性、連續性。周期性監測模式是最常用的觀測模式，與傳統的變形監測網類似，通常用于建筑物的變形速率極為緩慢，在局部空間域和時間域可以將變形量忽略不計的情況，其監測頻率可為數月、一年甚至更長時間。一般采用GPS靜態觀測進行測量；連續性變形監測是采用固定GPS監測儀器進行長時間的數據采集，獲得變形數據系列，其監測數據是長期連續的，而且具有很高的時間分辨率，然后利用數據分析軟件對所測數據進行分析和預測。GPS連續性監測模式，根據監測目的、變形體的性質和精度要求的不同，其數據處理方法可采用靜態相對定位和動態相對定兩種進行觀測。而對于高層建筑的監測，一般采用連續性模式。

2、GPS高層建筑監測方法

2.1 監測面設置

監測面應設置兩個，其一為基礎監測面，即設置在建筑物的基礎或地面第一層上，用于監測建筑物底部的水平變形和沉降變形，且可確定建筑物基礎幾何中心的坐標變化；幾何中心的坐標用重心坐標表示：

外業觀測則采用傳統測量方法，如水準法和導線法。其二為整體形變監測面，用于確定建筑物的整體形變狀態，整體形變狀態即用形變模型描述。

2.2測點布設

基準點布設：基準點布設應在兩個或兩個以上，以便傳遞坐標、增加測量結果的可靠性和消除某些系統誤差；布設時應避開信號干擾源，要便于觀測和易于長期保存。

監測點的布設：監測點應選在能直觀反映建筑物沉降情況的部位，如建筑物四角沉降縫兩側、荷載有變化的部位、大型設備基礎、柱子基礎和地質條件變化處等。

2.3 GPS測量設置

觀測儀器采用雙頻接收機，觀測時段的時間長度設為30～120min，衛星的高度角限值設為15°，儀器對中采用強制對中。開機后應查看接收衛星個數，確保同步觀測衛星數。因儀器不能直接查看衛星序號、信嘈比、適時定位結果、GPS點位幾何圖形強度因子PDOP值等，故每天觀測完成后，應及時將數據傳輸出來，及時進行基線處理。如果基線處理不合格，應及時返工。

模擬高層建筑物形變監測特定環境的實驗表明，按靜態測量模式可獲得較好的定位結果，因此，為獲得較精確的形變監測結果，應按靜態測量模式觀測。采用靜態GPS測量法對各監測點進行測量，由于各監測點只對上一次測量的數據進行對比，計算各點的位移量，在同以時間段內各點間的相對關系并不重要，因此各監測點間可以不必組成GPS網進行監測，各監測點與基準點組網觀測計算即可。監測點的觀測方法、數據處理方法、精度要求按基準網的要求執行。

3、GPS數據處理

3.1 GPS觀測數據預處理

GPS觀測數據的預處理的目的是：對數據進行平滑濾波檢驗，剔除粗差；統一數據文件格式并將各類數據文件加工成相互兼容的標準化文件（如GPS衛星軌道方程的標準化，衛星時鐘鐘差標準化，觀測值文件標準化等），找出整周跳變點并修復觀測值；對觀測值進行各種模型改正。

（1）GPS衛星軌道方程的標準化

將已知的多組不同歷元的星歷參數所對應的衛星位置表達為時間的多項式形式，利用多項式擬合法即可求解多項式參數。解出的系數記入標準化星歷文件，用他們來計算任一時刻的衛星位置。多項式的階數一般采用8～10就足以保證米級軌道擬合精度

（2）觀測值文件的標準化

不同的接收機提供的數據記錄有不同的格式。所以在平差之前，觀測文件必須規格化、標準化。具體的有記錄格式標準化，記錄項目標準化，采樣密度標準化和數據單位的標準化。

3.2 GPS觀測數據的測后處理

GPS 觀測數據的測后處理，一般均借助相應的后處理軟件自動地完成，其內容主要包括基線預處理及 GPS 網的平差。

（1）基線解算

基線處理是對已標準化的數據文件進行處理，解算出基線。基線解算的過程實際上是一個平差的過程，平差所采用的觀測值主要是雙差觀測值。基線解算時的平差分以下三個階段進行：

①初始平差。根據雙差觀測方程，組成誤差方程和法方程后，求解待定的未知參數及其精度信息；通過初始平差，解算出整周未知數參數和基線向量的實數解或浮動解。

②整周未知數的確定。根據初始平差結果，使用搜索法將整周未知數固定成整數。

③確定基線向量的固定解。將確定了的整周未知數作為已知值，僅將待定點的坐標作為未知參數再次進行平差，解算出基線向量的整數解（即固定解），基線解算是自動完成的。

（2）GPS網平差

GPS網由基線組成，數據處理的成果是基線向量及相應的方差協方差。其網的平差包括基線向量的無約束平差、約束平差和與地面網的聯合平差三部分。

①GPS基線向量網無約束平差。GPS地面網一般由若干三角形或多邊形組成，其中存在一定量的多余基線，環路中存在閉合差。GPS網無約束平差的目的在于處理閉合不符值，檢查網本身的內部符合精度以及基線向量之間有無明顯系統誤差和粗差。

②GPS基線向量網的約束平差。該平差又稱為非自由網平差。平差時以國家大地坐標系或地方坐標系的某些點的坐標、邊長和方位角為約束條件，顧及GPS網與地面網之間的轉換參數進行平差計算。

③GPS網與地面網聯合平差。該平差方法是在GPS網中，除了GPS基線向量觀測值和約束數據以外，還有地面常規測量值如邊長、方向和高差等，將這些數據與 GPS數據一起進行平差。非自由網平差和聯合平差一般在國家或地方坐標系中進行，平差完成后網點的坐標已屬于國家坐標系或地方坐標系。而無約束平差是在WGS-84基準下進行的。平差可以以三維模式進行，也可以二維模式進行，當進行二維平差時，應首先將三維GPS向量坐標及協方差陣轉換至二維平差計算面。

GPS網平差之后，利用網中穩定的非起算點進行監測點位移量的差分改正，以提高監測精度和可靠性。

參考文獻

[1] 獨知行.GPS技術在高層建筑變形監測中的應用研究[J]城市勘測，2012，（07）.

[2] 李征航.GPS定位技術在變形監測中的應用[J]全球定位系統，2014，（01）.

[3] 王曉華，胡友健，肖鸞.GPS技術應用于變形監測的綜述[J].淮陰工學院學報，2013，（03）.

[4] 申小平，曹豪榮，唐錢龍.GPS定位技術在建筑物變形監測中應用[J].土工基礎，2012，（02）.