GPS測量及其變形監(jiān)測分析

張 輝

（安徽省核工業(yè)勘查技術總院，安徽 蕪湖 241002）

1 GPS在變形監(jiān)測中的應用研究背景概述

當今社會發(fā)展越來越快，生產也正以飛速的形式發(fā)展，與此同時出現了各類大型的工程建筑，普通人們的生活水平也跟著不斷提高，這就意味著人們對生產安全以及生產效率方面的要求自然而然就會有所提高，從而變形監(jiān)測這一工作就變得具有很大的影響力[1]。就傳統(tǒng)測量方式來說，一方面它的工作量極其大，另一方面所測精度也不容易滿足要求，GPS測量是一種嶄新的當代空間定位技術，它的這一優(yōu)勢使得在實際工作中作用遠遠大于傳統(tǒng)的測量儀器[2]。應用GPS測量時，各測站點間不必要求通視、定位精度高，全天候作業(yè)、給出三維坐標、觀測時間不長，能夠測量到廣泛的領域，已作為當代的主要測量手段，從而GPS技術在變形監(jiān)測中占有了舉足輕重的地位。

2 GPS技術在變形監(jiān)測中的應用

2.1 變形監(jiān)測網的設計步驟

①監(jiān)測點的布設：需要遵循必要、適量、最能反映變形體的變形和方便觀測的原則。②平面控制網在布設過程中應該注意以下幾點：首先應該根據變形監(jiān)測對象的不同特征布設與其特點對應且匹配的控制網。比如大型建筑物，首選應當安排三角網和邊角網的布網形式；而就小型建筑物而言，就應該選用監(jiān)測基線或單點形式布網控制[3]。

2.2 控制網的建立

所謂的GPS控制網就是指利用全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位的技術建立起來。這樣建立起來的控制網有著不一般的特點，如下：①GPS控制網的建立所采用的方法正是相對定位的方法，顧名思義，按照相對定位的原理來說就是需要多臺接收機實行同步觀測，然后利用載波相位測量來定出所選測站點間的相對位置；②測站間無須通視，我們可以靈活的來選擇需要的一些測站點；③使用GPS工作時，在一天24小時內都可以正常工作，也不管是刮風還是下雨，都不會阻礙到觀測的進行，自然也就不會打亂已有的安排，一切按規(guī)定好的計劃順利進行；④采用GPSG觀測時，不用持續(xù)很長時間，觀測時間短，同樣可以得到比較好的觀測結果；⑤實際工作中，我們用GPS接收機來工作時，不需要人員來記錄數據，它可以自動的把觀測數據記錄下來，省時省力，自動化程度頗高。

至今為止我們一般都將GPS控制網劃分為兩大類：其中一類是比較高精度的控制網，它涉及的范圍比較大，一般來說的話都是國家或者是區(qū)域性的。這一類GPS控制網主要是用來作為最高級最為參考性的控制網，服務于一些科學方面的研究；還可以是用來研究地區(qū)性的一些板塊運動問題等。還有一類就是所涉及的范圍小一點的GPS控制網，我們稱之為局部性的GPS控制網，比如一些城市啊，或者礦區(qū)之類的控制網，然而，這類控制網與第一類控制網不同，在這類控制網中，我們所選的測站點之間的距離沒有像第一種那么遠，一般幾公里或者數十公里就夠了，此類控制網主要用來服務于城市建設方面[4]。

一個完整的GPS控制網的建立有外業(yè)和內業(yè)兩部分。外業(yè)工作時，首先去野外踏勘選點、埋石建標，之后是在所選的站點上進行實際觀測工作；內業(yè)工作時，主要是一些GPS網的設計方面的問題以及數據處理，最后寫總結報告。

2.3 GPS控制網的技術設計

在設計GPS控制網時，應該首先想到的是所涉及的該控制網的能夠滿足的大概應用的范圍，采用分級布網的方案。對于一個GPS網來說，它本身是具有可靠性的，因此我們在實際工作中應盡可能地提高可靠性，為此我們可以將每一級的GPS網都弄成是由獨立基線邊所組合而成的閉合網，包括一些三角形網，四邊形網，或者是多邊形網，甚至也允許是附和路線的存在，但是，GPS網中不允許存在支線[5]。

3 GPS變形監(jiān)測網的平差

3.1 GPS變形監(jiān)測網的平差基準

在監(jiān)測網的平差計算過程中，首先必須確定計算的起算數據，未知參數的平差值要求必須先確定而不是通過觀測值算出，起算數據又稱為平差基準。監(jiān)測網可選基準有以下三種：①固定基準；②擬穩(wěn)基準；③重心基準。首先，固定基準選用原則為：在遠離形變區(qū)域的監(jiān)測網內有穩(wěn)定的基準點，則應選用這些穩(wěn)定基點為平差基準，基準點坐標在平差前后數據保持不變。其次，監(jiān)測網如果有較其他點穩(wěn)定的基點，平差基準則應選用這些相對穩(wěn)定基點的重心坐標，基準點的重心坐標在平差前后數據將保持不變。最后，如果監(jiān)測網內沒有穩(wěn)定或點穩(wěn)定性不明，無法確定選用基點時，將監(jiān)測網內所有點做為待定點，將監(jiān)測網內所有點的重心坐標平差后作為監(jiān)測網基準。

3.2 監(jiān)測網平差模型

靜態(tài)平差為現如今GPS變形監(jiān)測網平差方法采用最多的計算方法。GPS變形監(jiān)測網靜態(tài)模型原理：按照最小二乘原理進行平差計算，計算過程為：

變形監(jiān)測過程紅中，觀測值的平差結果受平差方法及基準選取的影響，而平差結果又直接影響位移分析的結果。因此，基準的選擇及平差方法的選取方式及準確性應格外注意，因為其是變形監(jiān)測的重要指標。

3.3 GPS高程的原理與擬合模型

GPS測量中的高程異常的問題主要通過GPS高程系統(tǒng)解決。我國采用的是正常高系統(tǒng)，GPS測量過程可直接獲得的數據為大地高。重力法與GPS水準儀法是當前我國解決高程異常中最常用的方法。GPS水準法在測量精度上較重力法高，但在山區(qū)及水準測量傳遞困難的地區(qū)重力發(fā)仍然是工作中首選。

變形監(jiān)測過程中，主要監(jiān)測手段是通過采集監(jiān)測單元的高程數據變化，判斷構筑物是否有沉降情況的發(fā)生，通過GPS觀測獲取高程數據大大提高了測量效率。但是由于采用GPS測定的高程是大地高，而我國高程系統(tǒng)采用的是相對于大地水準面的正常高。為了獲得我們常用的正常高結果，需要采用GPS測高結合水準高程測量的方法進行GPS高程擬合，求取高程異常數據，進而獲得正常高。

圖1 高程系統(tǒng)之間的關系