GPS技術(shù)在建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用

摘 要：城市現(xiàn)代化的加速發(fā)展推動著城市建筑物變形監(jiān)測需求的不斷提高，GPS作為一種現(xiàn)代空間定位技術(shù)，以其精度高、全天候、自動化和通視條件好等優(yōu)點(diǎn)在我國各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。文章主要探討了GPS技術(shù)在建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用，結(jié)果表明GPS技術(shù)在建筑物變形監(jiān)測中獲得了穩(wěn)定和優(yōu)良的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這對保障建筑物的安全具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù)；變形監(jiān)測；建筑物；精度

1 概述

隨著現(xiàn)代城市建設(shè)規(guī)模的不斷發(fā)展，城市里的大型建筑物越來越多，建筑物在施工過程中和使用期間會因受到地基的地質(zhì)條件、處理方法和建筑物上部結(jié)構(gòu)的荷載等多種因素影響到建筑物地基和四周地層的穩(wěn)定性而發(fā)生形變，如果這種形變超過一定的限值，就會給建筑物的生產(chǎn)和運(yùn)營帶來安全隱患，嚴(yán)重的話甚至?xí)斐山ㄖ锏恼w坍塌。因此，在建筑物施工過程中，以信息化施工技術(shù)為依托，通過對施工現(xiàn)場監(jiān)測來判斷、掌握建筑物的變形情況，對其進(jìn)行預(yù)警預(yù)防是可行和必不可少的安全措施[1]。但是要對建筑物變形監(jiān)測進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)警預(yù)防，就需要采用高精度、高效益和自動化程度高的形變監(jiān)測系統(tǒng)。GPS的全稱是全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），它擁有全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航和定位功能的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS技術(shù)以其全天候、定位精度高、測量時(shí)間短、測站之間無須通視和自動化程度高等特點(diǎn)得到了用戶的高度認(rèn)可，在建筑物監(jiān)測、橋梁健康監(jiān)測、大壩安全監(jiān)測和地殼變形及板塊運(yùn)動等諸多應(yīng)用領(lǐng)域中，展示出了其不可比擬的優(yōu)勢。文章在分析GPS技術(shù)在監(jiān)測優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，對GPS技術(shù)在建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，得出了一些較為實(shí)用的結(jié)論。

2 GPS技術(shù)的監(jiān)測優(yōu)勢

近年來，我國城市工程建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量迅速增加，建筑物尤其是高層、超高層和大跨度等建設(shè)難度頗大的工程日益增多，這使得對建筑物的變形監(jiān)測、場地工程抗震設(shè)防等建筑工程安全保障方面的需求大大增加[2-5]。由于建筑物尤其是高層建筑物工程結(jié)構(gòu)有一定的復(fù)雜性，而這種復(fù)雜性又會給高層建筑物的變形監(jiān)測帶來一定的難度，傳統(tǒng)的變形監(jiān)測技術(shù)在這里已經(jīng)顯得比較滯后。因此，積極應(yīng)用各種高科技技術(shù)手段對建筑物進(jìn)行監(jiān)測是非常有必要的，而GPS技術(shù)是一種新興的監(jiān)測手段，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化測量的高精度形變監(jiān)測技術(shù)。這個(gè)技術(shù)具有精度高、全時(shí)域、速度快、站點(diǎn)通視性強(qiáng)、自動化程度高和可同時(shí)測定三維坐標(biāo)等諸多特點(diǎn)，與傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術(shù)相比，GPS技術(shù)更適宜于現(xiàn)代建筑物的變形監(jiān)測領(lǐng)域。傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)與GPS技術(shù)在變形監(jiān)測領(lǐng)域的對比情況見表1。

從表1中可以看出，傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術(shù)成熟但工作量較大，工作效率低下，繼續(xù)發(fā)展的空間相對較小。而GPS技術(shù)將會隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和空間定位技術(shù)的不斷進(jìn)步與相互結(jié)合得到更進(jìn)一步的發(fā)展和完善，提升變形監(jiān)測效率和精度的。因此，GPS技術(shù)在建筑物尤其是高層建筑物變形監(jiān)測中具有傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術(shù)所無法比擬的優(yōu)勢。

3 GPS技術(shù)在建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 GPS變形監(jiān)測的基本步驟

利用GPS技術(shù)對建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測，其基本步驟是首先設(shè)計(jì)及優(yōu)化GPS監(jiān)測布網(wǎng)形式和GPS基站與監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)情況，確保GPS接收機(jī)能正常發(fā)揮作用；其次是對GPS觀測方法與周期的選擇；最后是根據(jù)觀測方法和觀測數(shù)據(jù)的來源對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。其中GPS用于建筑物變形監(jiān)測的監(jiān)測模式可分為周期性和連續(xù)性兩種，連續(xù)性監(jiān)測模式適用于自動化程度高，數(shù)據(jù)采集周期短的建筑物項(xiàng)目，在一些高層及大型建筑物等工程中，比較適宜選用GPS連續(xù)監(jiān)測模式；周期性監(jiān)測模式則適用于采用靜態(tài)相對定位測量的方法。相對建筑物變形監(jiān)測來說，就是采用GPS技術(shù)對建筑物監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行相對定位，獲取建筑物監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，進(jìn)行分析研究并建立相應(yīng)的動態(tài)模型，然后利用GPS監(jiān)測點(diǎn)的三維位置及三維速率為參數(shù)來建立卡爾曼濾波模型，這些模型的成功建立，便于對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)管理及分析預(yù)測，大大提高了建筑物的安全系數(shù)。

3.2 GPS數(shù)據(jù)處理方法的應(yīng)用

GPS產(chǎn)生的數(shù)據(jù)一般可分為動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)，兩者之間的區(qū)別在于GPS監(jiān)測點(diǎn)在工作中處于變化狀態(tài)還是靜止?fàn)顟B(tài)，變化狀態(tài)生成的數(shù)據(jù)是動態(tài)數(shù)據(jù)，靜止?fàn)顟B(tài)則是靜止數(shù)據(jù)。GPS數(shù)據(jù)處理過程可分為基線解算和網(wǎng)平差兩個(gè)部分。GPS基線解算一般采用Gamit或Bemese軟件和IGS精密星歷進(jìn)行解算，網(wǎng)平差則常用PowerADJ軟件處理。其基本的處理步驟大概有：提取基線向量，構(gòu)建基線向量網(wǎng)；進(jìn)行三維無約束平差計(jì)算；約束平差或者聯(lián)合平差；質(zhì)量分析與控制。按數(shù)據(jù)產(chǎn)生的方式來講，GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)的處理方式是構(gòu)建基線向量后分析評價(jià)監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度是否符合要求，符合要求就可提取GPS監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)信息，之后按需求進(jìn)行平差解算；GPS動態(tài)數(shù)據(jù)處理方法是利用狀態(tài)方程和觀測方程來描述動態(tài)方程及狀態(tài)觀測信息并最優(yōu)估計(jì)狀態(tài)參數(shù)的一種方法，但是這個(gè)方法對動態(tài)系統(tǒng)的要求比較高，有可能出現(xiàn)濾波發(fā)散和濾波失真的情況，必須預(yù)先考慮觀測粗差對濾波結(jié)果的影響，否則對動態(tài)數(shù)據(jù)解算結(jié)果的正確性和精度會有較大的影響。

GPS技術(shù)應(yīng)用于建筑物變形監(jiān)測雖然具有不可比擬的優(yōu)越性，但也存在一定的缺陷和局限性，主要有以下幾個(gè)方面：（1）監(jiān)測環(huán)境不太理想。建筑物尤其是高層建筑物一般都處于城市繁華地段，周邊高層建筑物比比皆是，容易被周邊的大樓遮擋衛(wèi)星信號，影響觀測精度，且監(jiān)測點(diǎn)位選擇的自由度比較低。（2）GPS誤差源較多，對數(shù)據(jù)處理的技術(shù)要求較高。（3）垂向位移監(jiān)測精度比較低。GPS監(jiān)測垂向分量容易出現(xiàn)較高的噪聲和干擾，其觀測精度比較低，在高精度的變形監(jiān)測中，利用GPS不容易測定監(jiān)測體的垂直位移[6-9]。

4 結(jié)束語

盡管目前階段GPS技術(shù)在建筑物變形監(jiān)測中還存在一些局限性，但是其精度高、全天候、不受通視條件限制和高度自動化等優(yōu)點(diǎn)，在建筑物變形監(jiān)測領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景和可行性，是未來發(fā)展的趨勢。實(shí)踐證明，GPS技術(shù)在建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用是一種值得采用的有效手段，GPS技術(shù)可以為我們提供監(jiān)測體的高精度觀測數(shù)據(jù)，為預(yù)警預(yù)測起到有效與準(zhǔn)確的效果，這對彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測方法的不足有十分重要的意義。隨著我國北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的投入使用和GPS技術(shù)的不斷完善，GPS技術(shù)將在變形監(jiān)測領(lǐng)域中得到更加廣泛的應(yīng)用，為國民建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇建鋒，張東濤.天津某深基坑現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)例分析[J].施工技術(shù)，2015（S2），44：128-130.

[2]夏峰，宋成科，孟慶筱，等.天津地區(qū)覆蓋層土動力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析[J].地震工程學(xué)報(bào)，2015，37（1）：49-54.

[3]夏峰，宋成科，孟慶筱，等.IV類場地某醫(yī)院隔震結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防參數(shù)確定[J].地震研究，2015，38（4）：643-651.

[4]夏峰，薄景山，鄭濤，等.基于FLAC3D的矩形硐室圍巖松動圈確定[J].防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，12（4）：66-69.

[5]夏峰，郭寶震，余大新，等.厚層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的動力特性參數(shù)對地表地震動參數(shù)的影響[J].地震工程學(xué)報(bào)，2016，38（3）：391-397.

[6]蘇建鋒，薄萬舉.高噪聲背景下GNSS垂向分量應(yīng)用探討[J].地震，2016，36（1）：106-116.

[7]夏峰，張銳，馮勝濤，等.GNSS不同類型試驗(yàn)觀測墩對不同類型噪聲幅值影響分析[J].華北地震科學(xué)，2014，33（2）：39-44.

[8]夏峰.蘭州GPS觀測站觀測數(shù)據(jù)異常分析[J].測繪科學(xué)，2016（7）.

[9]徐偉聲.GPS在工程變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào)，

2009，27（1）：110-111.

作者簡介：吳文（1989-），男，助理工程師，主要從事測繪工作。