關于GPS空間定位在高層建筑變形監測中的應用

李川寧，馬霄鵬

（寧夏回族自治區地球物理地球化學勘查院，銀川750001）

1 引言

高層建筑項目的數量和規模與日俱增，在對其變形進行監測的過程當中，需要加強對GPS技術的運用，該技術不僅可以在土地滑坡、風電場、航空攝影、超大堆積體儲量計算、車輛導航、線路勘測定位等方面起到實際作用，在城市工程項目測量過程當中，特別是在變形測量工作開展的過程中，合理應用GPS技術能夠獲取相應科學精準的數據。GPS技術除了具有高、精、準、快、活的特點之外，還具有智能化特點，能夠滿足我國建筑工程項目施工質量和施工水平升級之需，切實保障建筑工程項目的順利開展和實施。

2 GPS技術概述

目前，高層建筑已成為城市建筑當中的重要角色，針對其特點進行分析，項目需要加強變形監測工作，然而由于其本身結構相對復雜，這樣就給工作人員開展變形監測工作造成了一定的困難，監測工作開展和實施的過程當中需要強化對高新技術的廣泛應用。在某些方面逐步替代我國傳統監測技術，就測量地基沉降而言，雖然可以通過等級水準、精密測角導線的幾何方式進行測量，但常受通視條件、測量工作點遭到損毀、工作面內交叉作業、施工環境的局限性等因素的影響，工作效率和有效工作量大幅降低。針對當前高層建筑實際情況進行分析，變形監測工作相對復雜煩瑣。在實際工作的過程當中，測量儀器操作人員的勞動強度偏大，應用傳統方式難以切實保障自動化監測的理想目標得以實現。在高層建筑變形監測工作中大力推動GPS技術的使用，可以針對水平位移情況進行全面觀測，可以獲得誤差小于2mm 的精確數據，若在高層建筑變形監測工作中結合其他新方法進行應用，可對于高層建筑的工期、成本、質量安全有效控制，具有重大實際應用價值。

GPS技術也被稱為全球定位系統。對傳統的測量方式進行分析，測量體系當中的控制部分起主導作用，其能否全過程應用，是否可以減輕外業工作負荷是廣大技術人員的探索目的。GPS技術主要包括常規大地測量法以及物理學傳感器的方法，其中，傳感器法能夠針對于局部變形情況進行測量，測量方位具有一定的局限性。對于大地測量方式來說，要實現大面積大范圍的測控，可配合傾斜攝影測量、高分遙感等技術完成云數據采集信息后的處理工作。目前，GPS技術的平面定位能力較強，對測區控制效果明顯，同時，具有較高精確度，可以全天候測量以及不受視線限制，得到了極為廣泛的運用，但針對高程測量還需進行水準面精化，異常改正后的大地測量法可應用在工程測量當中，就其改正方法和適用條件而言，需具體情況具體分析。GPS技術和傳統建筑變形測量技術相比具有顯著優勢。首先，GPS技術操作較為便捷，不需要大量人力進行操作；其次，測量時間較短，可以幾個觀測點在同一時間進行測量，能夠顯著縮減測量的時間，實現全目標方位覆蓋，同時，可跨越線路障礙、降低作業施工風險、節省成本；最后，測量的過程當中，不會受外界環境及天氣狀況的影響和限制，保障了測量工作順利開展實施。當前，在國土資源調查、時空建模、數字框架建立、智能化運行當中GPS技術得到了廣泛的應用。

3 GPS技術的監測模式

3.1 周期性監測模式

在變形監測的過程當中應用GPS技術是一種效果較好的方式，若是需要采用GPS靜態定位方法對建筑物進行測量，通常可以在固定觀測點放置兩臺以上的GPS接收器，這樣可以實時同步監測，工作人員采用這樣的方式可以對于數據采集平面精度要求較高的地區進行監測，同時，有利于提高高程改正值的確定精度，值得推廣和應用。

3.2 連續性監測模式

連續性監測模式主要就是相關作業人員采用監測儀器針對監控數據進行采集，這樣可以充分了解高層建筑物的數據，監測的過程當中，監測數據往往都是連續不斷的。在不同的時間段，分辨率要求也是相對比較高的，由于受到了連續性監測模式的影響，通過采用實時動態相對定位以及靜態相對定位的方式針對高層建筑物開展變形監測工作，精度較高，誤差小于1mm。

4 GPS技術在高層建筑變形監測中的應用

4.1 自動化水平高

應用GPS技術對高層建筑進行監測僅需要一名作業人員，在測量作業站當中安裝天線，連接電源，啟動接收機就可以開始工作。變形監測工作完成之后，相關的工作人員要關閉電源，并且回收接收機即可，同時，可以快速針對于變形監測的數據進行科學有效地采集、儲存處理，為快速生成圖形創造條件。參見案例一、三。

4.2 誤差傳播可控性高，精度要求滿意度高（同等級別）

根據建筑物的基坑等級和主體總高，針對當前高層建筑軸線距離以及接收機距離間隔進行分析，若距離小于15km，精度可以達到毫米級別。5km 布設四點聯測樓體基準線端點，逐層觀測、解算、校正。據雙頻機的標稱精度進行選擇，基線向量最高可控制到3-5×ppm 內，針對于變形監測工作人員而言，可以采取科學合理的觀測方法以及運用相關數據處理軟件，這樣可以促使變形監測數據精度達到2mm 級別，切實保障監測的有效性和監測的精度。參見案例二、三。

4.3 觀測系統（采集）復位迅速，監測系統（后處理）修復功能強大

針對高層建筑開展變形監測工作的過程當中，通過采用GPS技術能夠有效地控制誤差，相關的作業人員在實際測量過程當中，應當切實保障天線始終處于穩定的狀態，在這樣的情況下接收器接收數據的誤差極小，對于大面積同精度觀測，誤差傳播量級減緩且離散性分布趨于均勻化。參見案例三。

4.4 GPS測量步驟，施測效果對比表格，高層變形測量三維要素圖

案例一，1：5萬重力。因在大面積丘嶺地區進行物探勘測（導線、水準測量）困難。首次應用GPS靜態RTK 方法代替四等水準、經緯儀導線測量方式，采集物理工作點三維坐標。

案例二，農村土地確權。因云層掩蓋和精度要求，確權調查放棄衛片使用。及時采取1：2000 航攝影，使用RTK 方法進行航片像控點外業測量，室內“空三加密”解算，完成正射影像（DOM）圖。

案例三，萬豪大廈。因基準線報廢（擾動）、工作基點不通視（場地封閉）、垂準線洞口不可用（被堆載物遮蓋），地上50m處停工。大膽設計、精心施測，應用GPS技術進行基線復位、基點上移、標高面精確傳導，直到216m 處主體封頂，解決施工測量難題后，受到甲方認可和同行業肯定。

圖1 GPS測量步驟

4.5 應用前景廣

對某地區地質災害已發生或未發生進行監測，數據具有時效性和預判性，相對宏觀平面控制點、微觀物理點在三維控制方面具有可控性和重復觀測性特點，便于確立深遠部探測的信息回饋路徑，完善局部的動態變化監測的可追朔方式，定量分析，協助進行物理“靶點”的分布規律和性質的判定。在理論研究方面，準確定位布設精密測量，更方便對移動變化物體的數量和走勢進行判斷，為基礎學科研究中偏離基礎點、線、面的位移量的測量提供科學依據。積極倡導“三新”、應用“三S”，借助北斗超低延遲、機械遠程把控功能，介入高分、遙感測繪平臺，融合各種觀測系統，進行設備通道兼容互換互聯，依托制造業發展帶動相關儀器裝備更新換代，推進整裝開發科研項目，提高地球資源利用率，實現并完成：一張圖、一張網、全覆蓋的愿景。伴隨“5G”時代的到來，科學技術在人類命運共同體的大環境中高速發展，GPS測量是實現生產力解放并建立共享機制的手段之一，起到重要的紐帶作用。

表1 工程項目施測計劃與方法變更投入產出對比表（實例）

圖2 寧夏固原地區1:5萬重力調查測區控制網布置圖

圖3 寧夏耕地分布圖

圖4 GPS定位-萬豪大廈

GPS技術的應用精度較高，誤差極小，在全球范圍內GPS技術得到了極為廣泛的運用。在高層建筑變形監測工作的過程當中，利用GPS技術能夠促使變形監測工作強度降低，縮短監測時間，使優化技術方案和改善技術線路得以實現，同時，提高了監測的水平和效率。

5 結語

綜上所述，隨著我國斗衛星系統發射數量增加、組網精度提升，以及當前建筑工程項目的使用功能日益加強，城市化進程日益加快，城市高層建筑數量與日俱增。為了切實保障高層建筑的整體質量水平，技術人員需要強化對變形監測工作的創新性研究，充分應用GPS技術是時代的發展趨勢，工作過程當中應取長補短，保留原創性理論，運用GPS技術具有顯著的優勢（傳統的測量工具不僅適應度偏低，而且工作效率較為低下，同時，應用成本較高），在拓展測量模型兼容性、碎片化信息數據處理、測量觀測系統的維護和修復、現狀產生過程的反演，以及事物發展機理的預判和決策、結論成果的驗證復核、全過程“長觀”監測方案設計優化等方面工作的開展過程中，實現資源綜合利用、共享測繪成果，為一張網、一張圖的數據信息積累和二次開發利用進行持續探索，應用專業技術人員的智慧服務于社會，GPS技術的應用值得深入實踐和理論研究。