BDS+GPS技術支持下的超高層建筑施工投點監測分析

王 勇，林財榮，郭際明，尹超凡，章 迪

?

BDS+GPS技術支持下的超高層建筑施工投點監測分析

王 勇1,2，林財榮3，郭際明1,2，尹超凡3，章 迪1,2

(1. 武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079； 2. 精密工程測量實驗室，湖北 武漢 430079； 3. 中建三局第二建設工程有限責任公司，湖北 武漢 430079)

超高層建筑施工中常采用激光投點儀向上傳遞地面控制點作為測量基準。為了避免投點誤差過大，本文采用BDS+GPS技術進行組網監測其投點精度，給出了超高層建筑BDS+GPS監測相應的數據處理策略，對比分析了BDS、GPS及組合BDS+GPS 3系統之間，以及與激光投點前地面點坐標之間的差異。結果表明，GPS和BDS+GPS組合系統定位精度相當，BDS定位性能稍差，但滿足超高層監測精度要求，利用北斗技術進行超高層建筑基準傳遞工作具有一定可行性。

超高層建筑；BDS；GPS；監測

隨著經濟的快速發展，城市中修建的超高層建筑越來越多。超高層建筑施工過程中，需要將地面控制點逐層向上傳遞，目前主要是利用激光投點儀將控制點垂直投射到施工所在的頂部樓層。但激光投點儀的投射距離有限，對于超過200 m甚至更高的建筑，需要分段向上傳遞投點，這會造成投點誤差累積，且施工現場環境復雜，投點過程中需要清除大量障礙物，嚴重影響作業效率，對于夜間工作也存在著安全隱患。

相對于利用激光投點儀進行坐標傳遞，全球導航衛星系統(GNSS)具有操作簡單、精度高、工作效率高、工作時間不受限制等優點[1-2]。北斗導航定

位系統(BDS)是我國獨立研制的衛星導航定位系統，目前已成功發射23顆衛星，在亞太地區已經具備定位、導航及授時功能(PNT)[3-7]，但在工程領域，尤其是超高層建筑監測領域應用還相對較少。

本文以武漢綠地中心超高層建筑項目為依托，采用BDS+GPS技術對激光投點位置進行觀測和分析，研究了超高層建筑BDS+GPS相應的數據處理方法。試驗結果表明，BDS、GPS、BDS+GPS 3種解算方式的定位結果經垂線偏差改正之后，均可以滿足施工需要，一方面較好地對激光投點精度進行了監測，另一方面也驗證了我國的BDS系統在超高層建筑施工監測和測量基準傳遞方面的可行性。

1 數據處理策略

1.1 事后RTK模式處理

超高層建筑由于風和日照等作用可能存在擺動，而事后靜態處理的前提是所觀測的建筑物在觀測時段內處于穩定狀態[8]。本文通過單歷元RTK模式進行解算，可以得到監測點的坐標時間序列，能夠較好地評估樓層的穩定性。以地面穩定控制點作為基站，在監測網內選擇合適的監測點，利用武漢大學自主研制的GNSS RTK動態數據處理軟件進行動態解算，動態數據解算應注意以下兩點：

(1) 由于超高層建筑監測網內基線一般為短基線，故采用雙頻L1、L2無組合觀測值進行解算，通過站星雙差模式，可以消除鐘差及絕大部分電離層誤差，考慮到樓層較高，對流層誤差難以完全通過雙差消除，本文對殘余對流層誤差采用參數估計進一步削弱其影響[9-10]。

(2) 超高層樓頂觀測環境復雜，樓頂施工設備遮擋比較嚴重，解算時截止高度角設置為10°，考慮到超高層實際擺動情況，在RTK解算過程中，采用單歷元獨立解算模式。

1.2 事后靜態處理

靜態數據處理主要包括基線解算和網平差兩部分，超高層樓頂監測點平面坐標的解算精度主要取決于基線解算的精度。基線解算采用武漢大學自主研制的軟件CosaBaseline及由美國麻省理工學院與斯克里普斯海洋研究所聯合開發的高精度科研軟件GAMIT。

(1) CosaBaseline是單條基線獨立解算，可以進行BDS、GPS、BDS+GPS 3種方式的解算，數據處理中，衛星截止高度角設置為15°，觀測值采用L1、L2無組合觀測值。

(2) GAMIT是科研領域采用的高精度基線解算軟件，采用整體網解的方式，且對觀測數據中的粗差和周跳作了較好的預處理，具有較高的解算精度和可靠性，解算模式選擇適用于短基線的L1,L2_INDEPENDENT(雙頻觀測中獨立的L1、L2基線解)[11-13]，目前GAMIT還無法解算北斗數據，利用其對GPS數據進行處理得到GPS基線解，作為參考依據。

網平差采用武漢大學自主研制的高精度數據處理軟件CosaGPS。首先進行三維無約束平差，得到各點的空間直角坐標；然后進行固定一點一方向二維平差，得到各點在施工坐標系中的平面坐標。

1.3 垂線偏差改正

地面一點上的重力向量和相應橢球面上的法線向量之間的夾角定義為該點的垂線偏差。超高層建筑施工是以垂線為依據，樓頂監測點是由激光投點儀在地面沿重力方向垂直投射上去的，而基于GNSS觀測值平差得到的監測點的平面坐標是沿法線方向投影到地面施工坐標系的高程投影面。由于超高層建筑頂部高程較大，垂線偏差影響不容忽視，因此需要對平差后的平面坐標進行垂線偏差改正[14-15]。

2 試驗分析

2.1 數據采集方案

本文數據采集于正在施工的武漢綠地中心大樓，分別于2016年1月和6月采集2期數據，同時期的樓高分別為210和310 m，該超高層建筑建成后將達到636 m，是世界第三高樓。試驗儀器采用天寶NetR9接收機和大地型天線Zephyr Geodetic model 2，同時接收北斗和GPS數據。試驗觀測網如圖1所示，其中點D001、D005、D006是位于超高層建筑周圍穩定點上的強制對中觀測墩；點BD08是位于超高層建筑樓頂的監測點，是激光投點儀投射點。觀測網中水平距離最長的基線為D005—D006，長度約為1100 m；水平距離最短的基線為BD08—D001，長度約為370 m。

圖1 觀測網

2.2 動態處理結果分析

兩期數據單歷元RTK解算均選取地面控制點D005作為基準站，超高層樓頂監測點BD08作為監測站，按照5 s的時間間隔對GPS數據進行解算，剔除浮點解并采用高階多項式對北(N)、東(E)坐標時間序列進行擬合，以擬合曲線作為標準，計算兩期N、E坐標的中誤差，即

(1)

將兩期解算與擬合相對應的N、E坐標求差，超過3倍中誤差的視為粗差并剔除。圖2為第一期、第二期監測點BD08的N、E坐標在剔除浮點解和粗差并減去平均值后的時間序列圖，圖中黑色曲線是采用高階多項式擬合的坐標變化趨勢線。

圖2 監測點N、E坐標變化時間序列

從圖2可以看出，兩期監測點BD08在監測時間內，N、E坐標整體上在均值上下約2 cm范圍內隨機波動。經統計，第一期監測點N、E坐標平均值分別為-458.419 5、-14.297 1 m，中誤差分別為6.3、5.1 mm；擬合N、E坐標平均值分別為-458.419 5、-14.297 1 m，中誤差分別為0.9、1.5 mm，擬合N、E坐標最大值與最小值差值分別為4.7、5.2 mm。第二期監測點N、E坐標平均值分別為-458.424 5、-14.291 7 m，中誤差分別為8.0、7.0 mm；擬合N、E坐標平均值分別為-458.424 9、-14.292 3 m，中誤差分別為2.6、3.2 mm，擬合N、E坐標最大值與最小值差值分別為10.5、12.9 mm。

綜上所述，兩期監測點N、E坐標時間序列符合白噪聲規律，中誤差均在毫米級，擬合趨勢線整體上較為平穩。因此可以認為兩期觀測時間內樓頂監測點位置沒有變化，即超高層樓頂是穩定的。

2.3 靜態處理結果分析

2.3.1 內符合精度分析

將兩期超高層樓頂監測點BD08利用CosaBaseline計算的BDS、GPS和組合BDS+GPS 3種模式的定位結果與GAMIT結果進行比較分析，比較結果如圖3所示。從坐標差值結果統計圖中可以看出，兩期監測點N、E坐標與GAMIT結果差值均小于3 mm，其中第一期采用BDS計算的N坐標差值最大，為-2.7 mm，其他坐標差值均小于2 mm。整體來說，GPS和組合BDS+GPS兩種模式定位精度相當，BDS模式穩定性稍差于前兩者，3種模式解算結果整體上與GAMIT坐標結果相吻合。

圖3 CosaBaseline 3種模式結果與GAMIT結果差值統計

2.3.2 外符合精度分析

將兩期超高層樓頂監測點平差后的平面坐標與對應的地面點已知坐標進行對比分析。超高層建筑所占面積相對較小，屬于局部區域，認為該區域內各點垂線偏差相同，根據EGM2008模型計算得到該區域的垂線偏差的南北分量為1.1″，東西分量為-7.0″。將采用單BDS模式計算的監測點BD08在垂線偏差改正前后的坐標與對應的地面點已知坐標進行求差，差值結果統計如圖4所示?？梢钥闯?，兩期未經垂線偏差改正的N坐標與投點之前已知N坐標的差值分別為-0.1、-4.5 mm，經過垂線偏差改正后差值分別為-1.1、-3.0 mm；兩期未經垂線偏差改正的E坐標與投點之前已知E坐標的差值分別為-14.7、-12.9 mm,均超過了1 cm，經過垂線偏差改正后差值分別為-8.0、-3.4 mm。

圖4 垂線偏差改正前后北斗系統結果與已知坐標差值統計

綜上所述，經過垂線偏差改正后的坐標與已知坐標差值均在毫米級，滿足工程施工需求，說明利用北斗技術進行超高層建筑基準傳遞工作具有可行性。

3 結束語

本文通過單歷元RTK解算，驗證了施工中武漢綠地中心超高層樓頂的穩定性。利用BDS、GPS、組合BDS+GPS 3種模式計算了超高層樓頂監測點的坐標，并與GAMIT結果進行了比較，結果表明BDS定位結果穩定性稍差于GPS和組合BDS+GPS定位結果，但也滿足超高層樓頂監測要求。此外，超高層樓頂監測點平差后的GNSS平面坐標是沿法線投影到地面控制施工控制網坐標系所在的高程投影面，由于垂線偏差的影響，平差后的施工樓層監測點平面坐標與對應的已知地面點平面坐標之間存在明顯差異，需要對平差后的坐標進行垂線偏差改正，改正后坐標與已知坐標差異滿足工程施工要求，表明采用北斗技術進行超高層建筑監測和基準傳遞工作具有可行性。

[1] HOFMANN-WELLENHOF B,LICHTENEGGER H, COLLINS J. Global Positioning System[M].[S.l.]: Nova Science Publishers,2010.

[2] 李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理[M].武漢：武漢大學出版社，2010：9-14.

[3] 李昕, 郭際明, 周呂,等. 一種精確估計區域北斗接收機硬件延遲的方法[J]. 測繪學報, 2016, 45(8):929-934.

[4] 于盼，席瑞杰，肖玉鋼.北斗衛星導航系統于東北地區高精度變形監測性能分析[J].測繪通報，2016(4)：33-37.

[5] 何俊，袁小玲，曾琪，等. GPS/BDS/GLONASS組合單點定位研究[J].測繪科學，2014，39(8)：124-128.

[6] LI X,GUO J M,ZHOU L.Preformance Analysis of BDS/GPS Kinematic Vehicle Positioning in Various Observation Conditions[J].Sensor Review,2016,36(3):249-256.

[7] 王仲鋒，林燦，歷亮.北斗靜態定位實驗與精度分析[J].測繪與空間地理信息，2014，37(1)：17-18.

[8] 殷文彥，黃聲享，刁建鵬.超高層傾斜建筑周日變形監測數據分析[J].測繪信息與工程，2008，33(2)：19-21.

[9] 肖玉鋼, 姜衛平, 陳華,等. 北斗衛星導航系統的毫米級精度變形監測算法與實現[J]. 測繪學報, 2016, 45(1):16-21.

[10] 高興國，劉焱雄，馮義楷，等.GNSS對流層延時映射函數影響分析比較研究[J].武漢大學學報(信息科學版)，2010，35(12)：1401-1404.

[11] 姜衛平，趙倩，劉鴻飛，等.子網劃分在大規模GNSS基準站網數據處理中的應用[J].武漢大學學報(信息科學版)，2011，36(4)：389-391.

[12] 周命端，郭際明，許映林，等.水電站GPS變形監測網的數據處理及穩定性分析[J].測繪通報，2011(7)：30-33.

[13] 張雙成，曹海洋，高涵，等. 基于GAMIT的GPS短基線解類型分析及應用[J].測繪通報，2011(10)：27-29.

[14] 孔祥元，郭際明，劉宗泉.大地測量學基礎[M].武漢：武漢大學出版社，2010：84-96.

[15] 丁一帆，李月鋒，丁行斌.現代大地測量學中的垂線偏差[J].大地測量與地球動力學，2006，26(2)：115-119.

Point Monitoring Analysis of Super High Rise Building Based on BDS+GPS Technology

WANG Yong1,2，LIN Cairong3，GUO Jiming1,2，YIN Chaofan3，ZHANG Di1,2

(1. School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 2. Key Laboratory of Precise Engineering and Industry Surveying of SBSM, Wuhan 430079, China; 3. The Second Construction Co. Ltd of China Construction Third Bureau, Wuhan 430079, China)

In the monitoring of super high-rise buildings, the ground control points are used to upward transfer as the measuring datum by laser shots. In order to avoid the excessive errors of the casting points, the BDS+GPS technology is adopted to monitor the points’ accuracy. This paper gives the corresponding strategies of data processing in high-rise building monitoring using BDS+GPS technology, with the comparative analysis of the difference among the BDS, GPS, combined BDS+GPS system and the ground point coordinates, which indicate that GPS and combined BDS+GPS have approximate accuracy, and BDS positioning performance is slightly worse. The BDS technology can meet the super high monitoring accuracy requirements, and super high-rise building datum transfer work has a certain feasibility of using BDS technology.

super high-rise building; BDS; GPS; monitoring

王勇，林財榮，郭際明,等.BDS+GPS技術支持下的超高層建筑施工投點監測分析[J].測繪通報，2017(6)：5-8.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0178.

2016-11-03；

2017-01-12

國家自然科學基金(41474004)；中建三局集團有限公司武漢綠地中心科研項目(WH-LDZX-ZY-078)

王 勇(1992—)，男，碩士生，主要從事高精度GNSS數據處理。E-mail：13006373891@163.com

P228

A

0494-0911(2017)06-0005-04