基于北斗地基增強系統的形變監測系統及應用

● 文 |航天恒星科技有限公司 侯倩

基于北斗地基增強系統的形變監測系統及應用

● 文 |航天恒星科技有限公司 侯倩

一、應用背景

形變是指在各種載荷作用下物體形狀、大小及位置在時間域和空間域中的變化。變形體的變形在一定范圍內被認為是允許的，如果超出允許值，則可能引發災害。自然界的變形危害現象很普遍，如地震、滑坡、巖崩、地表沉陷、火山爆發、潰壩、尾礦庫沉降、橋梁與建筑物的倒塌等。科學、準確、及時地分析和預報變形體的變形情況，對災害發生的預防、災害體的科學管理極為重要。

形變監測按照測量方法可分為地下觀測技術、地面觀測技術和空間觀測技術。地下觀測技術主要監測巖土內部變形及結構體的變形，以沉降儀、側斜儀為代表。地面觀測技術監測巖土、建筑表面位移，以全站儀為代表。空間觀測技術包括GNSS測量技術、差分干涉測量（D-InSAR）技術以及機載激光雷達技術等。其中GNSS以其全天候、高精度、高效率、實時動態、可實現在線連續監測等優點，成為當今極為重要的監測手段之一。

與全站儀等傳統測量儀器測量手段比，GNSS高精度測量方法測量點之間不需要通視，選點不受地形限制，可省略許多中間過渡點，且不必建標，從而可節省大量的人力物力；測量點的三維坐標可同時測定；測量不受天氣條件限制，可進行全天候觀測；在特定位置的監測點布設可以多點同步觀測，測量、記錄、計算全自動完成，確保了測量結果的客觀性和可靠性；大范圍內精度較高，在基線長度大于10km時，其相對精度可達到10-6～10-7，明顯優于傳統大地測量技術。

當前，我國北斗衛星導航系統已運行服務4年，將北斗應用于形變監測領域，與測斜儀、裂縫計、雨量計、滲壓計等傳統傳感器融合，使零散的傳統監測設備有機融合為一體，建設智能自動化立體監測系統，可以滿足建筑形變監測、橋梁監測、大壩監測、礦區邊坡監測、沉降監測（高鐵、高速公路電力塔桿、建筑基坑、地表沉降）等多項國民經濟生活中的需求。

二、系統設計

基于北斗地基增強系統的形變監測系統通過在監測區域設置若干監測點，采用北斗/GPS雙系統高精度接收機采集GNSS數據，進行坐標的計算，生成各個點位的偏移量，通過與初始數據對比，計算形變位移的累積變化量，通過智能控制軟件算法，自動將數據進行擬合，預測位移的發展趨勢。系統具備自動報警功能，在形變超限時自動報警（見圖1）。

系統綜合多種類型傳感器、通信技術、網絡技術、遙感技術等現代技術手段，可以針對鐵路、高速公路、橋梁、水電站、礦山、建筑物等多種類型基建設施，二級開發形成相應健康安全監測系統，圍繞具備監測、處理、挖掘、預警等功能的形變監測平臺，可以實現形變、沉降、地面塌陷等實時位移監測和形變分析，具備厘米至毫米級監測精度。

高精度形變監測功能是通過北斗地基增強系統的定位信號增強實現的。基于北斗地基增強系統的區域工程形變監測網設計模式可以歸結為兩種主要網絡結構:直聯模式和級聯模式（見圖2）。直接監測法的實質是利用北斗地基增強系統，取代常規監測現場布設的形變監測系統的基準網，利用單頻或雙頻接收機終端布設在監測區域，監測點通過直接與地基增強系統基準站進行聯測來實現形變監測。

直聯設計模式要求地基增強系統的坐標精度要高于獨立建立的變形監測基準站坐標，可以減少大量外業基準聯測操作；但是當監測站離地基增強系統網絡較遠，則需要較長時間才能完成模糊度固定，一定程度上增加作業時間，降低工作效率。

級聯設計模式與直聯式監測方法的區別主要表現在形變監測系統所依據的基準網的建立上。該方法需在形變監測區域周邊搭建基準站，新建基準站與周邊已有的地基增強系統的基準站進行聯測，其中，新建基準站構成形變監測系統的直接基準，周邊北斗地基增強系統的基準站點所在網絡形成監測系統的間接基準。

1. 橋梁形變監測系統

隨著科學技術的進步以及交通運輸的需求，許多大跨度橋梁應運而生，尤其是懸索橋、斜拉橋以其跨度大、造型優美，節省材料而備受人們的青睞，成為大跨度橋梁的首選。但隨著跨度的增大（從幾百米到3000米），加勁梁的高跨比越來越小(1/40～1/300)，安全系數也隨之下降，實時掌握大型橋梁的運營狀況和安全狀態顯得尤其重要。

為了監測橋梁整體的空間幾何變化，必須分別對大橋主橋面、主塔、基礎以及連續剛構橋橋面進行全面的監測，橋梁形變監測內容見表1。

表1 橋梁監測項目需求

2. 建筑形變監測系統

隨著城市建設的迅猛發展，高層建筑越來越多。在工程建筑的建設中，從工程施工到竣工，以及建成后的運營期間都要不斷地對工程建筑物進行監測，以便掌握工程建筑物形變的一般規律，及時發現問題、及時分析原因、采取措施，保證工程建筑物的安全。

高層建筑物的形變按其類型來區分，可分為靜態形變和動態形變。靜態形變通常指形變觀測結果只表示在某一期間內形變值，動態形變是指在外力影響下產生形變，這兩種形變是相互關聯的。形變觀測任務是周期性對觀測點進行觀測，求得同一觀測周期內觀測量變化。高層建筑形變需監測的項目內容、精度要求分析（見表2）。

表2 高層建筑形變監測項目需求

三、應用案例

1. 橋梁形變監測應用

航天恒星科技有限公司對北京市豐沙鐵路轉體斜拉橋開展了橋梁形變監測應用。該橋為56m+100m+70m+37m四跨連續子母塔單索面的預應力混凝土斜拉橋，主塔采用塔、梁、墩固結體系，索塔高度與中跨跨長之比為0.33，主梁主跨的跨高比為1/33；子塔采用塔、梁固結體系，索塔高度與中跨跨長之比為0.19。該橋跨越繁忙的豐沙鐵路，是北京六環路全線最關鍵的控制性工程，其健康狀態監測對于該路段的交通安全運行意義重大。

在北京豐沙橋進行的北斗高精度監測系統形變監測應用，距橋面5km處建設GNSS基準站作為系統的監測基準，在橋塔頂端、橋面1/2、1/4處分別設置GNSS監測點對橋體振動參數進行采集。基準站及各監測點的監測數據通過無線傳輸至數據處理中心對橋梁沉降、位移、振幅等參數進行實時解算，并利用解算結果對橋梁健康狀態進行分析，若發現某參數超出閾值范圍則按照既定策略通過短信、郵件向相關人員報警，若在無網絡覆蓋地區系統還可通過北斗短報文進行預警及簡要報表發送。系統通過長時間穩定運行，精確測量出橋面的實時位移及橋塔、橋墩的緩慢周期性移動及沉降，采用時頻分析方法獲得了橋梁的震動頻譜，測量結果與測斜儀、加速度計等傳統傳感器互檢，振幅測量精度優于2cm，沉降測量優于2.5mm，取得了良好的應用效果（見圖3）。

2. 建筑形變監測應用

航天恒星科技有限公司將建筑形變監測應用在哈爾濱某建筑高層（見圖4）。以前期在哈爾濱建設的三個北斗基準點以及IGS站點數據作為形變監測基準，在樓體頂端及中部結構上設置若干GNSS監測點，對樓體開展了3年的連續監測，通過專用的建筑形變監測軟件進行數據處理及分析，獲得了樓體的形變監測數據及處理結果。

以24h觀測數據為一組進行數據處理，將監測點數據、基準站數據聯合解算得到被測建筑到毫米級沉降結果，同時為進一步提高監測精度及穩定性，將各監測點與北斗基準站及IGS站點組成監測網，進行聯網平差。經過3年累積測試，樓體年沉降量小于4mm，符合建筑形變相關規定。

四、結束語

基于北斗高精度定位技術的形變監測系統可以對被測對象進行建模，根據被測對象的形變位移變化，綜合其他健康數值，形成科學的健康變化模型，并可據此進行科學預警，有效降低因形變引起的生命財產安全損失，可廣泛應用于橋梁健康監測、地鐵路基沉降監測、地質滑坡監測、城市采空區沉降、建筑深基坑作業、高層建筑健康監測、電力塔桿傾斜監測等多個行業，具有廣闊的市場前景。