工程建筑物的GPS動態監測研究

紀明東

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1 研究背景

現代工程建筑物在規范、造型、難度方面提出了更高的要求，工程建筑物變形監測也成為了工程建設工作中的重中之重。在溫度變化、荷載變化以及強風、地震等因素的影響下，許多大型工程建筑物諸如大橋、高層建筑物和大壩等都會產生震動和發生位移，嚴重的甚至會有倒塌事故的產生。這種情況之下，科學、有效、實時地監測以及預報工程和結構建筑物的變形狀況，對于工程建筑物的規劃設計、施工建設和運營管理就顯得尤為重要，而這一工作便屬于變形監測的范疇。

回顧國內外變形監測技術幾十年來發展的歷史，由于知識水平的局限性和技術條件的限制，在過去傳統的工程建筑物變形監測方法主要是加速度計法、激光干涉儀法，位移傳感器測試法和全站儀測試法等。這些方法雖然能夠達到變形監測的目的，但也存在一定的弊端：不能同時測定不同監測點位移，位移量比較大時觀測困難；很難實時的得到觀測值；對于高大的建筑物，特別在強風、大雨的條件下，跟蹤目標困難等等。總而言之，隨著工程建筑物在規范、造型、難度方面越來越高的要求，傳統的變形監測技術手段已經不能滿足現代工程建筑物動態監測的需要，在這種情況下連續、實時和自動監測的GPS動態監測技術手段也應運而生。

2 研究意義

由于大型建(構)筑物在國民經濟建設中的重要性，其安全問題受到普遍關注。現代工程建筑物在建設規模和難度方面越來越大，工程造價和預算也水漲船高，工程的安全性和精密度也越來越高。在這種前提下，一旦由于某些不確定性的因素而引起人員或者財產上的損害，其后果將不堪設想。因此，準確地掌握各類工程的變形狀態，實現預測和防治工程災害的目的，顯得十分重要。工程建筑物GPS動態監測的主要目的和意義具體表現在以下幾個方面：

(1) 科學、準確、及時的分析和預報建筑物的安全狀態

由于所處地理位置地質構造的變化、工程內部結構、外界溫度條件、天氣因素、工程建筑物自重和振動等方面因素的影響，工程建筑物及其設備在施工建設和運營管理階段都會發生一定程度的變形，如工程建筑物整體或局部的水平位移、垂直位移、滲透以及裂縫等。在合理的變形限度之內，這些情況不影響工程建筑物的正常使用，但是如果超出了變形限度，那么就會影響工程建筑物的正常工作，嚴重的甚至會引起垮塌、崩裂等極端情況的發生。因此，科學、準確、及時的分析和預報建筑物的安全狀態，對于大型工程建筑物的安全使用具有重要的意義。

(2) 驗證設計原理，反饋施工質量

回顧國內外許多工程建設案例，有很多都因為設計原因或者是因為施工質量不達標而導致工程事故的發生。變形監測不僅能監視建(構)筑物的安全狀態，而且其結果也是對設計數據的驗證，同時起到反饋施工質量的重要作用，為改進設計和科學研究提供重要的資料和依據。

(3) 研究變形規律，進行合理分析和預報

各類工程建筑物變形有一定的規律，通過對大量監測數據的分析處理可以對各類工程建筑物的變形規律做客觀系統的評價，更好的掌握各類工程建筑物的變形機制和原理，給出合理的解釋，建立合理的變形監測預報模型。

3 GPS 動態監測技術較傳統變形監測方法的優點

在現代工程建筑物變形監測方面，采用GPS動態監測技術有許多傳統方法不可比擬的優勢：

(1) 即使在惡劣的氣候條件的影響下，觀測仍可以正常進行，觀測不受氣候條件的制約。

(2) 基準站和監測站之間無需保持通視，在布設變形監測網時可以更加的自由和靈活。

(3) 既能夠采用人工手段進行周期性監測，也可以實現長期連續的實時自動監測。采用后一種監測方式時，從數據采集，處理分析到資料整理存檔都能夠全程自動化進行。

(4) 與傳統的常規變形監測方式相比較，其還擁有定位精度高，效率高等優點。總而言之，GPS定位測量的這些優點為對大型工程建筑物進行實時，高精度的動態監測提供了很好的技術條件。

4 國內外研究與發展的現狀和趨勢

4.1 發展現狀

目前，變形監測方法和技術正由傳統的單一監測模式向點、線、面立體交叉的空間模式轉變。工程建筑物變形監測的方法主要有常規大地測量方法，高精度地面監測方法（如測量機器人）、地面攝影測量方法、GPS動態監測及自動化系統、三維激光掃面技術和特殊的測量手段（應變測量、準直測量、傾斜測量）等。隨著測繪科學技術、計算機通信技術以及雷達激光技術等的發展革新，近些年來工程建筑物動態監測領域國際國內研究的熱點也由傳統的變形監測技術轉變到新興的GPS 技術、合成孔徑雷達干涉技術(INSAR)、計算機層析成像(CT)技術、激光掃描技術等，并且把這些技術廣泛應用于變形監測的各個領域。工程建筑物GPS動態監測技術，是目前廣泛采用的變形監測新方法、新技術之一。全球定位系統GPS技術的應用是測量技術領域的一項革命性變革，它憑借測站之間不需要相互通視、測量速度快、不受天氣條件影響、可全天候作業、實時動態監測、操作簡便可以實現監測自動化等一系列優勢，被廣泛應用于經濟建設和科學研究等眾多領域，是測繪科學技術和測量技術改革和創新的新的方向，其廣泛的適用性和優異的性能，是傳統常規測量作業難以比擬的。GPS技術作為一種新的變形監測方法，憑借其完善的硬件和軟件系統，特別是高采樣率GPS接收機的出現，在大型工程建筑物的動態特性研究和變形監測方面已經表現出了其獨特的優越性能。

在工程測量方面，利用GPS靜態相對定位技術布設精密工程控制網，在水電大壩動態監測、大型高層建筑物安全預報分析、隧道貫通測量、城市和礦區地面沉降監測方面得到了廣泛的應用。利用GPS RTK 技術加密測圖控制點，也廣泛應用于各種類型的比例尺地形圖的測繪工作和工程建設中的施工放樣工作中。

近些年來，一些大型工程建筑物已經開展了成效顯著的GPS動態監測試驗與測試工作。在橋梁變形監測方面，一些大跨度懸索橋或者斜拉橋（如廣東虎門大橋、浙江杭州灣大橋、香港青馬大橋）已經嘗試安裝了GPS動態監測系統；大型工程建筑物安全預報分析方面，深圳帝王大廈的風力振動特性采用了GPS進行測量，加拿大加里(Calgary)塔在強風作用下的結構動態變形也采用了GPS動態監測技術。正如Lοves所言，隨著GPS動態變形監測技術能力的進一步證實，這一技術可望被采納為測量結構振動的標準技術。

4.2 發展趨勢

(1) 建立GPS實時在線動態監測系統。利用計算機網絡技術、數字通訊技術與GPS 全球定位技術相結合，對水電大壩、大型高層建筑物、大跨度橋梁和區域性地殼形變和地面沉降做實時動態的監測，研究建立高效率的GPS動態監測在線實時分析系統是GPS動態監測一個重要的發展趨勢。該系統可以由數據采集系統、數據傳輸系統、數據處理和分析系統組成，對于變形監測數據實現自動化、智能化、系統化、網絡化的處理和分析，更加 注重時空模型和時頻分析，科學預報和分析工程建筑物和地質結構的變形狀況，從而達到減少災害發生時帶來的財產和人員損失。

(2) 建立“3S”（GPS、GIS、RS）集成的變形監測系統。隨著數字通信技術、計算機網絡技術和空間定位技術、地球科學技術的高速發展，“3S”（GPS、GIS、RS)技術已從各自獨立發展進入相互集成融合的階段。“3S”技術的集成，可為研究、包括動態監測信息在內的各種災變信息之間的相互關系提供技術支撐，這對地面沉降、山體滑坡、泥石流等地質災害的監測預報具有非常重要的作用。

(3) 建立以數據庫、知識庫、方法庫和多媒體庫為主體的安全監測專家系統。各類工程建筑物變形都有著一定的規律，通過對大量監測數據的分析處理可以對各類工程建筑物的變形規律做客觀系統的評價，更好的掌握各類工程建筑物的變形機制和原理，給出合理的解釋。我們可以通過分析大量變形監測案例，客觀分析整理出合理的變形監測數據庫，建立安全監測專家系統，這對各類工程建筑物變形狀況的安全預報和分析具有重要意義。

(4) 建立GPS與其他變形監測技術集成的綜合變形監測系統。由于各類變形監測方法都有其優點和不足，我們可以將各類方法整合起來形成優勢互補，將GPS與其他變形監測技術（如IN2SAR、攝影測量和特殊變形測量技術等）集成組合形成綜合變形監測系統。這也為GPS等空間測地技術用于大型工程的變形監測帶來了新的機遇，為推進高精度變形監測的研究注入新的活力。

5 結語

（1）GPS技術作為20世紀中后期興起了一門新的技術，其在工程建筑物動態監測方面的發展潛力巨大，尤其是通過GPS技術與計算機網絡通信技術、微波雷達技術等前沿技術相結合應用，相信不久的未來實現遠程實時動態的監控工程建筑物的安全狀況和變形特性將會成為可能。

（2）隨著“3S”技術（GPS、GIS、RS）的日益發展與完善，我們也可以建立3S集成技術，在今后進行工程建筑物動態監測方面綜合其他前沿的測繪科學與技術，取長補短、博采眾長，縮短專業測繪人員的工作量，真正意義上的實現人工智能測繪。

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