基于GNSS-RTK的建（構(gòu)）筑物變形監(jiān)測(cè)研究
——以閩江學(xué)院為例

文思遠(yuǎn) 王俊杰

閩江學(xué)院測(cè)繪工程系 福建 福州 350108

1 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，各類(lèi)建（構(gòu)）筑物日益增多，開(kāi)展針對(duì)性的變形監(jiān)測(cè)已成為建筑工程防災(zāi)減災(zāi)的重要工程問(wèn)題。相比于水準(zhǔn)測(cè)量[1]、全站儀測(cè)量[2]、GNSS靜態(tài)測(cè)量[3,4]等傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)手段，GNSS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分（Real-Time Kinematic，RTK）技術(shù)具有測(cè)量效率高、操作簡(jiǎn)便、作業(yè)限制少、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)[5]。文獻(xiàn)[6]基于連續(xù)運(yùn)行參考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）系統(tǒng)，分析了RTK重復(fù)位移測(cè)量的精度，指出CORS-RTK測(cè)量方式可用于厘米級(jí)精度要求的實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。文獻(xiàn)[7]探討了RTK在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用條件，驗(yàn)證了RTK技術(shù)可用于允許變形較大的工程項(xiàng)目的變形監(jiān)測(cè)。然而，目前應(yīng)用GNSS-RTK技術(shù)進(jìn)行建（構(gòu)）筑物變形監(jiān)測(cè)的研究較少，有待進(jìn)一步測(cè)試。

自習(xí)近平總書(shū)記于2021年3月25日到閩江學(xué)院考察調(diào)研以來(lái)，學(xué)校進(jìn)入基礎(chǔ)設(shè)施快速建設(shè)的新階段，但校園部分早期建（構(gòu)）筑物表面已出現(xiàn)不同程度的裂縫，個(gè)別墻體和道路裂縫最寬處甚至超過(guò)1 cm，如圖1所示。同時(shí)，新上馬工程可能引起周邊建（構(gòu)）筑物沉降情況的進(jìn)一步惡化，產(chǎn)生較大的安全隱患，故須對(duì)相關(guān)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。本文以閩江學(xué)院為例，基于GNSS-RTK技術(shù)設(shè)計(jì)變形監(jiān)測(cè)方案，測(cè)試該技術(shù)用于建（構(gòu)）筑物變形監(jiān)測(cè)的可行性。

圖1 （a）音樂(lè)學(xué)院旁墻壁外墻裂縫 （b）福萬(wàn)樓北側(cè)道路裂縫

2 RTK測(cè)量基本原理

RTK系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、流動(dòng)站和通訊鏈路構(gòu)成，其經(jīng)典作業(yè)模式是由1個(gè)基準(zhǔn)站和1個(gè)流動(dòng)站組成的“1+1”模式，基本原理是在基準(zhǔn)站上安置1臺(tái)GNSS接收機(jī)，對(duì)所有可見(jiàn)的GNSS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，而流動(dòng)站上的GNSS接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電接收設(shè)備獲取基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)發(fā)送的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步利用相對(duì)定位算法解算出兩站間的基線(xiàn)向量，實(shí)時(shí)輸出三維坐標(biāo)和精度。RTK系統(tǒng)正常工作必須具備兩個(gè)條件：第一，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站需同步觀測(cè)5顆以上的GNSS衛(wèi)星，其中至少4顆衛(wèi)星要連續(xù)跟蹤，一旦發(fā)生信號(hào)失鎖，需重新初始化；第二，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站間的距離不能超過(guò)20 km，而基于CORS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)可突破這一限制[8,9]。

由于GNSS直接定位的結(jié)果并不處于地方坐標(biāo)系下，通常需通過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換將GNSS定位結(jié)果轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下，該步驟在具體的RTK測(cè)量實(shí)踐中稱(chēng)為工地校正，要求已知地方坐標(biāo)系下至少1點(diǎn)坐標(biāo)。按采用的已知點(diǎn)數(shù)目分，常見(jiàn)的工地校正方法有單點(diǎn)校正、兩點(diǎn)校正、三點(diǎn)校正和四點(diǎn)校正，而采用3個(gè)以上的已知點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的7參數(shù)模型，在實(shí)際應(yīng)用中較為可靠。最后，在解決整周模糊度固定、通訊數(shù)據(jù)鏈路穩(wěn)定性等問(wèn)題之后，RTK的平面定位精度可達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)，高程定位精度可達(dá)到厘米級(jí)[10,11]。

3 變形監(jiān)測(cè)方案

首先建立變形監(jiān)測(cè)獨(dú)立坐標(biāo)系，在校園西南角土質(zhì)穩(wěn)定且視野開(kāi)闊的區(qū)域，設(shè)置變形監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，分布如圖2中紅色三角形所示。以閉合導(dǎo)線(xiàn)連接各控制點(diǎn)，采用TOPCON GM-52全站儀和蘇一光DSZ2水準(zhǔn)儀，按二級(jí)導(dǎo)線(xiàn)和四等水準(zhǔn)精度要求實(shí)施觀測(cè)，進(jìn)而根據(jù)給定的獨(dú)立起算數(shù)據(jù)，計(jì)算確定各控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)。圖2同時(shí)給出了21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布，涵蓋建筑工地周邊及地裂縫顯著等區(qū)域。

圖2 閩江學(xué)院變形監(jiān)測(cè)的控制點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

采用兩臺(tái)Trimble SPS986 GNSS接收機(jī)，啟用GPS、GLONASS和北斗三大系統(tǒng)，通過(guò)接收機(jī)內(nèi)置電臺(tái)組建“1+1”的RTK測(cè)量模式，其中基準(zhǔn)站置于廣成樓樓頂，截止高度角為15°，而流動(dòng)站截止高度角為10°，點(diǎn)位精度因子限制為6，開(kāi)啟慣性測(cè)量單位傾斜改正和自動(dòng)限差功能，取至少3個(gè)控制點(diǎn)實(shí)施工地校正后，再依次測(cè)量各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，測(cè)量歷元數(shù)為2，并記錄其固定解。自2021年10月16日起，按上述作業(yè)方式對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)展了為期2個(gè)月的定期觀測(cè)，共采集得15期的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

作為RTK測(cè)量的關(guān)鍵步驟，工地校正直接關(guān)乎各期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)基準(zhǔn)是否統(tǒng)一。表1統(tǒng)計(jì)了各期RTK工地校正的控制點(diǎn)選取情況，以及比例系數(shù)、最大水平和垂直殘差等結(jié)果。其中，第1、3期僅采用3個(gè)控制點(diǎn)，不產(chǎn)生垂直殘差。從表中可以看出，歷次工地校正的比例系數(shù)均處于1.0001～1.0004之間，且在增加控制點(diǎn)數(shù)量和更改控制點(diǎn)組合后，最大水平和垂直殘差在數(shù)值上仍表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性而未見(jiàn)改善；同時(shí)，即便固定控制點(diǎn)組合，如第5、7、8期及第13、14期等，工地校正的水平和垂直殘差也表現(xiàn)出較大的偶然性。需要指出的是，第13期的垂直殘差達(dá)到-3.8 cm，超出2 cm的殘差限差[12]，故后續(xù)分析中將舍棄該期觀測(cè)結(jié)果。換言之，對(duì)于滿(mǎn)足限差要求的各期觀測(cè)結(jié)果，可以統(tǒng)一視為等精度觀測(cè)。

表1 各期RTK工地校正結(jié)果

通過(guò)工地校正，RTK測(cè)得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)即處于所建立的變形監(jiān)測(cè)坐標(biāo)系中，本文重點(diǎn)關(guān)注各點(diǎn)豎直方向的高程變化。以點(diǎn)G02為例，圖3給出了其高程隨時(shí)間的變化情況，以及經(jīng)抗差擬合得到的趨勢(shì)線(xiàn)。從圖中可以看出，整體上點(diǎn)G02在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)表現(xiàn)出下沉趨勢(shì)，但各期的高程散點(diǎn)較為離散地分布在趨勢(shì)線(xiàn)兩邊，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)7.93 cm，可見(jiàn)RTK測(cè)得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程含有較大誤差，可能與各點(diǎn)周邊的樹(shù)木遮擋有關(guān)（圖2）。此外，趨勢(shì)線(xiàn)兩端的高差也達(dá)到約11 cm，相對(duì)于2個(gè)月的監(jiān)測(cè)周期而言，數(shù)值上也有偏大之嫌。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)G02高程隨時(shí)間的變化

進(jìn)一步估計(jì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降速率，結(jié)果如圖4所示，其中速率為正表示抬升，速率為負(fù)表示下沉。從圖中可以看出，除點(diǎn)G13和G14表現(xiàn)出抬升趨勢(shì)外，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)均有不同程度的下沉；近80%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率超過(guò)1 mm/d，點(diǎn)G09的下沉速率甚至超過(guò)5 mm/d，數(shù)值上顯然已脫離實(shí)際；而在沉降速率的相對(duì)大小方面，點(diǎn)G10 ～ G12的下沉速率較大，可能與該處建筑施工有關(guān)；點(diǎn)G09具有最大下沉速率，其附近地表裂縫也遠(yuǎn)大于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可能與該點(diǎn)靠近河邊、土質(zhì)松軟有關(guān)，且可能已波及到點(diǎn)G06 ～ G08。總之，基于GNSS-RTK技術(shù)估計(jì)的測(cè)站沉降速率在數(shù)值上并不可靠，但能在一定程度上反映出建（構(gòu)）筑物的沉降趨勢(shì)，且其數(shù)值大小在區(qū)分沉降程度時(shí)也起到一定的指示作用。

圖4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程變化速率

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)應(yīng)用GNSS-RTK技術(shù)進(jìn)行建（構(gòu)）筑物變形監(jiān)測(cè)的可行性問(wèn)題，以閩江學(xué)院為例，基于自主搭建的“1+1”RTK測(cè)量模式，開(kāi)展了為期2個(gè)月的定期監(jiān)測(cè)。限于RTK本身厘米級(jí)的標(biāo)稱(chēng)精度，以及校園實(shí)地較為茂密的樹(shù)木遮擋，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程測(cè)定誤差較大，估計(jì)所得的沉降速率不夠準(zhǔn)確，但幾乎所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)都表現(xiàn)出下沉趨勢(shì)，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率的相對(duì)大小均與實(shí)地情況有良好對(duì)應(yīng)。因此，GNSS-RTK技術(shù)盡管在定量分析方面不能提供準(zhǔn)確的變形監(jiān)測(cè)信息，但在定性分析方面仍有一定參考價(jià)值，適用于潛在形變區(qū)域的短期快速監(jiān)測(cè)。同時(shí)，筆者建議學(xué)校有關(guān)部門(mén)開(kāi)展全面、系統(tǒng)的校園建（構(gòu)）筑物變形監(jiān)測(cè)，盡早排除安全隱患。