GPS技術在變形監測中的運用

吳利平

【摘 要】隨著社會經濟的不斷發展，各種大型而復雜的工程日益增多，尤其是近幾年高層建筑的建設和使用，使得人們密切關注建筑物在運營過程中的安全問題，變形監測成為大眾關注的熱點。因此，本文以“賀村中灘組團基坑監測及樓房沉降觀測項目”為例，闡述了GPS測量技術在變形監測中的應用，以及具體的實施方案，以期為我國GPS技術在變形監測方面提供參考。

【關鍵詞】GPS變形監測 誤差分析 實施方案

1 概述

變形監測是監測變形體安全性的重要手段，是利用專用儀器和方法對變形體的變形現象進行持續觀測、對其變形形態進行分析和變形的發展態勢進行預測等。任務是確定變形體在各種荷載和外力作用下的形狀、大小、及位置變化的空間狀態和時間特征。變形監測工作的意義在于掌握變形體的穩定性，為安全運行診斷提供必要的信息，以便及時發現問題并采取措施。GPS技術作為一種全新的現代空間定位技術，已經在測量各領域取代傳統的測量方法，變形監測領域也不例外。GPS變形監測的實現可以減輕外業工作量，提高工作效率，從而帶來直接的經濟效益。因此，將GPS技術應用于變形監測及其變形監測數據處理的研究具有重要的現實意義。本文結合實際案例闡述了GPS測量技術應在變形監測中的運用，以及數據的處理方法等。

2 GPS變形監測技術特點

目前，變形監測常用的方法有：常規大地測量方法，基準線測量法，測量機器人技術，攝影測量法和GPS變形監測技術等。

GPS作為一種全新的、極具潛力的空間定位技術，在變形監測中得到了越來越廣泛的應用和推廣，與常規變形監測技術相比，其突出的優越性主要體現在：測站之間無需通視，可以全天候觀測；自動化程度高，高精度三維定位；抗干擾性能好、保密性強等優勢。當然GPS運用在變形監測中，也有它自身的局限性，首先：點位選擇自由度相對較低。為保證測量的正常進行和定位精度的需要，要求測站上空視野開闊且信號不受干擾，點位選取限制條件較多，因此監測點位選擇和變動的余地較小。其次，變形監測條件差。在利用GPS進行工程變形監測時，監測環境通常都比較差。再次，垂直位移監測精度不夠，對監測資料的分析表明，對于水平位移的監測精度比較高，但對于垂直位移的監測精度較低，一般要比水平位移的監測精度低出兩倍之多。另外，函數關系復雜，誤差來源多，數據處理的難度較高等各種問題。其中任何一個環節處理不好，都將影響最終的監測精度。

3 GPS誤差類型及處理方法

GPS技術應用于變形監測測量，在操作過程中存在如上述所說的各種誤差，其中主要來源于GPS衛星、衛星信號的傳播過程和地面接收設備等。

3.1與衛星有關的誤差

主要包括衛星種差，衛星軌道偏差等，對它們的處理方法主要如下：

衛星鐘差：設置鐘差改正模型，使各衛星間的同步差保持在20ns以內，由此引起的等效距離偏差將不會超過6m。接收機鐘差一般用偽距單點定位確定或從RINEX觀測文件中獲取，進而對觀測值進行改正。在相對定位中，經修正后的衛星鐘殘差和接收鐘差可通過觀測值求差的方法消除。

衛星軌道偏差：采用全球GPS跟蹤網所獲得的精密衛星軌道，其軌道精度目前最高約為2cm。在大中尺度的衛星定位網中可采用軌道改進法處理觀測數據，目前可取得優于10-8的基線精度。另外，由于同一衛星的位置誤差對不同觀測站的定位影響大致相同，利用若干測站對同一衛星的同步觀測值求差可明顯減弱衛星軌道的影響，當基線較短時效果尤其明顯。

3.2衛星信號的傳播誤差

電離層折射的影響：采用雙頻觀測，利用電離層模型加以修正，對距離較近的點可以利用同步觀測值求差的方法，升高衛星高度角的截止限值等措施來減弱電離層折射的影響。

對流層折射的影響：采用對流層模型加以改正，引入描述對流層影響的附加待估參數，在數據處理中一并求解，對距離較近的點可以利用觀測求差方法，還可以采用隨機過程模擬和濾波方法進行參數估算及函數逼近方法模擬改正。

多路徑效應影響：減弱其影響的措施主要如下，安置接收機天線的環境，應避開較強的反射面，選擇造型適宜且屏蔽良好的天線，適當延長觀測時間，削弱多路徑效應的周期性影響，改善GPS接收機的電路設計等。

3.3與接收設備有關的誤差

觀測誤差：它屬于偶然誤差，適當增加觀測量，認真仔細地做好天線的置平、對中和高度的量取，都將減弱觀測誤差。

載波相位觀測的整周模糊度：可在解算時一般都要增加未知數。

天線的相位中心位置偏差：本部分偏差量可由改正公式進行修正。實際工作中，將天線按附有的方位標進行定向，并通過觀測值求差來削弱這種相位中心的變化對定向的影響。

4 GPS監測實施方案

本文結合我單位的實際案例“賀村中灘組團基坑監測及樓房沉降觀測項目”，采用靜態相對定位方式進行數據處理的周期性重復監測方法，闡述了變形監測的整個作業過程。項目占地面積近17萬平方米，建筑面積近45萬平方米。基坑開挖的最大深度為12米，屬于二級基坑。樓體地上最高28層。依據《建筑基坑工程監測技術規范》要求，本工程基坑監測項目主要有：圍護墻（邊坡）頂部水平位移監測，圍護墻（邊坡）頂部豎向位移監測，深層水平位移監測，周邊建筑及新建樓體的沉降觀測等。在此方法中，監測網由基準點和監測點構成。基準點用于建立監測網的基準，即保證變形分析在同一基準下進行。

4.1點位布設

基準點的布設：基準點應布設在基坑開挖深度3倍以上的穩定的地方。布設完后，使用B級GPS測量方法確定各個基準點的相對坐標，作為基坑水平位移監測的起算數據。豎直方向利用測區附近的二等水準點起算并串測基準點。在以后的每次觀測中，都需要先驗測基準點，以確定起算數據的正確性。

監測點的布設：監測點直接布設在變形體上，用以測定變形體變形值。點位應設在能反映變形體特征的特征部位，不但要求牢固便于觀測而且要求形式美觀，結構合理，不破壞變形體的外觀與使用。應沿基坑周邊布置，周邊中部、陽角處應布置監測點。監測點水平間距不宜大于20m，每邊監測點數目不宜少于3個。

4.2觀測方法

每一個周期測量監測點之間的相對位置，計算兩個觀測周期之間相對位置的變化來測定變形，數據處理方式采用靜態相對定位GPS變形監測的方法：首先依據首期GPS測量中變形監測點及基準點上的觀測資料進行相對定位，進而求得變形監測點的3維坐標（X0，Y0，Z0），并將其作為變形監測中的參考標準。然后采用類似方法進行定期復測。若第i期復測求得的變形監測點的坐標為（Xi，Yi，Zi）；然后根據坐標差（XΔ，YΔ，ZΔ）來確定監測點的變形量。在本項目中根據北京市基坑監測技術規范及北京市建設委員會對第三方基坑監測的要求，監測頻率如下表1實施，當出現意外時根據實際情況無條件提高監測頻率。

土方開挖階段 開挖至設計標高 1次/1d

底板澆筑后時間（d） ≤7 1次/2d

7～14 1次/3d

14～28 1次/5d

>28 1次/7d

樓房沉降觀測 1次/1層

表1

5 數據處理

5.1 GPS觀測數據的預處理

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文件，找出整周跳變點并修復觀測值，進行各種模型改正。

5.2 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。其中，基線處理是對已標準化的數據文件進行處理，解算出基線；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。

5.3 GPS變形監測網數據處理

本項目采用的是靜態相對定位方式進行周期性重復監測方法，在數據處理中采用經典最小二乘平差法，其平差原則為

VTPV=min

（式中V為觀測量的改正數或觀測量殘差。）

6 結語

技術不斷進步，變形監測技術將向高精度、自動化、智能化方向發展。一方面監測儀器的性能（精確性、穩定性、耐用性等）將不斷提高，從而提高監測系統的整體可靠性；另一方面監測儀器的自動化水平也將不斷提高，并向智能化方向發展。

參考文獻：

[1]黃聲亨，郭英起，易慶林.GPS在測量工程中的應用北京：測繪出版社.

[2]岳建平.變形監測理論與技術研究進展，測繪通報，2007年第7期.