基于GPS 靜態測量技術的大型建筑物變形監測與分析方法研究

寧榮華

（廣東聞達不動產技術服務有限公司，廣東惠州 516000）

1 GPS 靜態測量技術基礎

1.1 GPS 系統概述

全球定位系統（GPS）是一個由美國國防部建立和運營的全球導航衛星系統。這一復雜且高效的系統是通過一系列精密的運行在地球軌道上的衛星向地面發送信號，使接收設備能夠準確地確定其地理位置。GPS 系統不僅能提供位置信息，還可以提供時間信息，因此，在地理信息系統、物流和運輸、農業和科研等多個領域具有廣泛應用。值得注意的是，GPS 系統的精度受到許多因素的影響，如大氣條件、接收設備的質量，以及建筑物或其他大型結構可能對信號產生的阻擋等。通過持續的技術升級和改進，GPS 系統的精度已經得到了顯著的提高，足以滿足大多數民用和商業應用的需求。除了美國的GPS 系統外，還有其他幾個全球導航衛星系統，如歐洲的伽利略系統、俄羅斯的格洛納斯系統、中國的北斗系統等，都在全球范圍內提供了類似的定位服務，但由于歷史的悠久和廣泛的應用，GPS 仍然是最為人熟知和使用最廣泛的全球導航衛星系統[1]。

1.2 GPS 靜態測量技術的原理

全球定位系統（GPS）靜態測量技術是一種精確的地理定位方法，主要用于地理、測繪和結構工程領域，如地殼運動研究、大型建筑物的變形監測等。該技術的關鍵在于利用GPS接收機固定在一個靜止的位置，持續（通常數小時至數天）接收來自多顆GPS 衛星的信號，然后通過后續的精確計算，得出該接收點的精確地理位置。GPS 靜態測量技術的工作原理是基于物理定律——電磁波（如GPS 信號）在真空中的傳播速度是恒定的。通過比較接收器接收到的GPS 信號的傳輸時間和接收時間，可以計算出接收器與各衛星之間的距離。通過大量的測量數據和精密的計算方法，可以消除或減少各種潛在的誤差來源，得出極其精確的位置信息。進行GPS 靜態測量時，需要至少4 顆GPS 衛星的信號以確定接收點的三維坐標和鐘差，為了提高測量的準確性和可靠性，通常會使用更多的衛星信號。此外，多次測量和多個接收點的同時測量也能提高測量的準確性，減小誤差。盡管GPS 靜態測量技術需要復雜的設備和計算方法，測量過程可能受到各種因素的影響，但因其能夠提供厘米級，甚至毫米級的定位精度，在許多要求極高精度的應用中成為首選的測量方法。

1.3 GPS 靜態測量技術的優勢和局限性

GPS 靜態測量技術具有全天候、全球覆蓋的特點。無論是在偏遠的山區，還是在城市的高樓大廈之間，只要能接收到足夠數量的衛星信號，就可以進行測量，使GPS 靜態測量技術在很多地理環境惡劣、人工干擾大的地區都能發揮重要作用。雖然GPS 靜態測量技術初期設備投入和技術培訓需要一定的成本，但一旦系統建立并運行，后期的運維和數據處理成本相對較低，相比于傳統的地質學方法，如基于地震波的測量等，GPS 測量具有更低的風險和對環境的影響更小。GPS 靜態測量技術本身具有高精度的特點，但實際的測量精度受到很多因素的影響，例如，大氣條件、衛星和接收器的相對位置、接收器的質量、周圍環境的影響等，都可能造成測量誤差，特別是在城市環境和森林覆蓋區域，建筑物和樹木可能會阻擋衛星信號，使接收條件不佳。在應用該技術時，GPS 獲取的數據需要使用專業知識和高級的計算技術進行處理和解析，GPS 信號的分析需要專門的軟件和算法，雖然在很多情況下，GPS 靜態測量技術是最佳選擇，但在一些特殊情況下，可能需要配合其他方法使用，例如，需要快速獲取大范圍的地形變化信息時，可以使用空間遙感和無人機測繪的方式。

2 大型建筑物變形的成因及其影響

2.1 大型建筑物變形的常見原因

大型建筑物變形是一個復雜的過程，主要包括以下誘因：（1）建筑物的設計和施工過程中出現問題，如設計方案不合理，計算錯誤、結構承重能力不足，或者未考慮到特定的環境因素等，都可能導致建筑物在后期使用過程中產生變形。（2）施工質量不佳、材料選擇不當或施工技術疏忽等，同樣會對建筑物的結構穩定性產生影響。（3）自然環境因素也會引起大型建筑物的變形，如地基的變化，包括地基沉降、土壤液化、巖層破裂等都可能導致建筑物的基礎結構受到影響；氣候因素，如溫度的變化、風力、降雨等也可能對建筑物的結構產生影響，長期下來可能導致建筑物的變形。（4）建筑物的使用情況和維護保養也對建筑物的變形有直接影響，超載使用、長期磨損和缺乏適當的維護都可能導致建筑物的結構逐漸發生變形[2]。

2.2 大型建筑物變形對建筑物結構和安全的影響

建筑物的變形往往意味著其內部結構受到了一定程度的破壞或失衡，這不僅會影響建筑物的正常使用，也可能威脅人們的安全。建筑物是一個整體，每個部分都對整個結構的穩定性起著關鍵作用，如果某一部分出現變形，可能會影響整個結構的平衡，致使承重能力下降，進一步導致其他部分的過度負荷和變形，形成一個惡性循環，在極端情況下，過大的變形可能會導致建筑物的崩塌。同時，建筑物的變形可能會導致內部設施的損壞。例如，墻體和地板裂縫可能會導致電線、管道等設施的損壞，影響供電、供水等基礎設施的正常運行。此外，建筑物的變形可能會影響內部空間的布局和使用，如門窗無法正常開關、地板不平等。建筑物的變形也可能會影響建筑物的防災能力，比如，墻體的裂縫可能會影響建筑物的防火、防水能力；地基的變形可能會影響到建筑物的抗震能力，建筑物的變形會在災害發生時，加大建筑物和人員的損失。

2.3 既有的大型建筑物變形監測方法

大型建筑物的變形監測是一個關鍵環節，確保了建筑物的穩定性和安全性。傳統的變形監測方法主要包括各種測量儀器和設備，例如，使用水平儀、電子水平儀、全站儀等進行角度和距離的測量；使用測繪設備進行地面和建筑物的測量；使用測繪儀和電導儀進行地下建筑的測量。這些方法都需要專門的人員進行操作和數據分析，并且可能會受到環境條件、設備性能等因素的影響。隨著科技的進步，人們開發出了更多高效、精確的變形監測方法。其中，遙感技術，包括雷達和衛星圖像，也被廣泛用于建筑變形監測，不僅可以提供大范圍、高精度的數據，而且可以覆蓋偏遠或者難以直接訪問的區域。近年來，無人機（UAV）技術也在建筑變形監測中發揮了重要的作用。無人機可以攜帶攝像機、測距儀、雷達等設備，對建筑物進行近距離、高分辨率的監測。無人機可以靈活地飛行在建筑物的周圍，獲取不易觀察到的細節信息，其飛行路徑和監測頻率可以根據需要進行調整，從而實現定制化的監測服務[3]。

3 基于GPS 靜態測量技術的大型建筑物變形監測步驟

基于GPS 靜態測量技術的大型建筑物變形監測方法是一種結合了科技和專業知識的多步驟過程。（1）在正式監測前應制訂完善的計劃，明確要監測的建筑物、時間、頻率，以及數據收集和處理的方法。此階段需考慮監測目的、建筑物的特性、可能出現的變形類型等因素。（2）在開始收集大型建筑物數據之前，需要將GPS 接收器固定在建筑物的關鍵部位，如基礎、橋塔、墻壁等地方。接收器會收到從GPS 衛星發出的信號，其中包括時間、頻率、強度等信息。GPS 接收器在接收信號的過程中會連續工作，因此，可以收集到一系列的位置數據，根據建筑物的當前位置可以計算建筑物的移動情況，從而監測到建筑物的變形。建筑物的變形可能是隨時間發生的，因此，必須進行連續的監測。（3）收集完畢大型建筑物變形的關鍵數據后，進行數據的預處理，去除噪聲、糾正錯誤和填補缺失值。GPS 信號在傳播過程中可能會受到各種干擾而產生噪聲，影響數據的準確性，因而需要對其進行去噪處理。為了避免數據收集過程中設備或者操作存在錯誤，需要通過校正消除這些錯誤，且數據收集過程中可能會有數據丟失，可以通過插值或者其他方法填補缺失的數據。（4）預處理后，計算變形參數，通常需要用到各種復雜的數學模型和算法，如最小二乘法、卡爾曼濾波等，可以根據位置數據計算出建筑物的位移、角度、速度等變形參數，從而揭示建筑物的變形情況。（5）在整個數據收集和處理過程中，還需要考慮到數據的保密和安全問題，對于可能包含建筑物的敏感信息，應采取合理的措施來保護數據的安全，防止數據泄露或者被濫用。

4 大型建筑物變形數據的分析方法

4.1 使用GPS 數據進行建筑物變形分析的具體方法

GPS 數據提供了一種高精度、高可靠性的測量方式，通過對GPS 數據的分析，可以有效監測和預測建筑物的變形。（1）應用統計學方法計算數據的平均值、中位數、標準差等，了解數據的基本情況，還可以通過繪制圖表，如散點圖、柱狀圖、箱線圖等直觀地觀察數據的分布和關系。（2）運用回歸分析、時間序列分析、因子分析等統計和機器學習方法進分析數據，以揭示建筑物的變形規律，例如，使用回歸分析研究建筑物的變形與時間、環境條件等因素的關系，以便預測未來的變形；使用時間序列分析研究建筑物的變形趨勢，以便及時發現可能的問題。（3）采用數據可視化的技術，如地圖、圖表、儀表板等，將分析結果以清晰易懂的方式呈現出來，并編寫報告解釋分析的過程和結果，以便其他人理解和使用。

4.2 分析結果的解讀和應用

在使用GPS 數據進行大型建筑物變形分析后，理解分析結果并將其應用于實踐是一項至關重要的任務。分析結果的解讀需要有對數據的理解、科學的方法和專業知識，而應用分析結果則需要決策的智慧和實踐的勇氣。分析結果的解讀需要理解分析的方法和過程，如回歸分析的參數、時間序列分析的趨勢等；理解結果的含義，如建筑物的變形趨勢、變形與其他因素的關系等，并對結果進行評價，如結果的精度、可靠性、有效性等。根據分析結果，將解讀的信息轉化為實踐的決策和行動，例如，分析結果顯示建筑物的變形趨勢不穩定，需要調整建筑設計，如增強結構、改變材料等；若分析結果顯示建筑物的變形與某些環境因素有關，可能需要調整建筑施工，如改變施工方法、優化施工計劃等；若分析結果顯示建筑物的變形有可能導致安全問題，應加強建筑維護，如定期檢查、提前修復等。

5 結語

總的來說，基于GPS 靜態測量技術的大型建筑物變形監測方法，是一種具有高精度、高可靠性的監測方法。通過本文的研究，了解到大型建筑物變形的常見原因，掌握了變形監測的基本步驟，學習了如何處理和分析GPS 數據，以及如何解讀和應用分析結果，為監測和預測大型建筑物的變形，保證建筑物的安全和穩定，提供了強有力的工具和方法。隨著GPS 技術的進一步發展和應用，其將有更廣泛的應用前景和價值。