GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用與研究

楊魯強(qiáng)，趙慶志

(1．中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222;2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(徐州)，江蘇徐州221008)

一、引 言

變形監(jiān)測(cè)是指監(jiān)測(cè)工程建筑物或構(gòu)筑物的地基沉降位移以及整體的傾斜等變形狀況，其關(guān)鍵在于捕捉變形敏感部位和各觀測(cè)周期間的變形觀測(cè)點(diǎn)的變形信息。當(dāng)變形在一定的限度之內(nèi)，可以認(rèn)為是正常的情況;如果超過(guò)了規(guī)定的限度，就會(huì)影響建筑物的正常使用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及建筑物的安全，給人們帶來(lái)災(zāi)難性的危害。變形觀測(cè)的精度要求取決于該工程建筑物預(yù)計(jì)的允許變形值的大小和進(jìn)行觀測(cè)的目的，通常精度要求在亞毫米級(jí)至毫米級(jí)。

二、變形監(jiān)測(cè)方法與意義

常規(guī)的監(jiān)測(cè)技術(shù)是應(yīng)用水準(zhǔn)測(cè)量的方法進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，應(yīng)用三角測(cè)量(或角度交會(huì))的方法監(jiān)測(cè)地基的位移和整體的傾斜。主要是采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)距儀、全站儀等常規(guī)測(cè)量?jī)x器測(cè)定點(diǎn)的變形值，其優(yōu)點(diǎn)是：能夠提供變形體整體的變形狀態(tài);適用于不同的監(jiān)測(cè)精度要求、不同形式的變形體和不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境;可以提供絕對(duì)變形信息。缺點(diǎn)是：觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，外業(yè)工作量大，布點(diǎn)受地形條件影響;不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。在有些地方由于受到地形和外界條件等限制，其工作效率和精度往往受到很大的影響。利用GPS技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及變形分析的自動(dòng)化。

由于GPS衛(wèi)星星歷是根據(jù)WGS-84坐標(biāo)系建立的，因此GPS不論是單點(diǎn)定位的坐標(biāo)，還是相對(duì)定位中解算的基線向量都屬于WGS-84大地坐標(biāo)系。在變形監(jiān)測(cè)中我們關(guān)心的是變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)的變化量，只要求監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移量，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位置坐標(biāo)并沒(méi)有過(guò)高的要求，所以在GPS水準(zhǔn)測(cè)量后得到的測(cè)點(diǎn)大地高不需要進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換(難以獲得足夠精確的高程異常值，將大地高轉(zhuǎn)換成正常高)，直接用大地高進(jìn)行比較就可以得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量，從而減小了坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換帶來(lái)的誤差和計(jì)算工作。

現(xiàn)實(shí)世界中許多災(zāi)害的發(fā)生與變形有著極為密切的聯(lián)系，例如地震、潰壩、滑坡以及橋梁的垮塌等，都是典型的變形破壞現(xiàn)象。因此，變形監(jiān)測(cè)研究在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛的重視。隨著各種大型建筑的大量涌現(xiàn)以及滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生，變形監(jiān)測(cè)研究的重要性更加突出，推動(dòng)著變形監(jiān)測(cè)理論和技術(shù)方法的迅速發(fā)展。目前，變形監(jiān)測(cè)正向多門(mén)學(xué)科交叉聯(lián)合的邊緣學(xué)科方向發(fā)展，成為相關(guān)學(xué)科的研究人員合作研究的領(lǐng)域。已有的研究工作涉及地殼形變、滑坡、大壩、橋梁、隧道、高層建筑、結(jié)構(gòu)工程及礦區(qū)地面變形等[2]。

GPS因其快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的觀測(cè)特點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)地對(duì)地震，大壩、橋梁等大型建(構(gòu))筑物進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生，對(duì)一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全都有著重要的積極的意義。

三、GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例

1．實(shí)例介紹

本實(shí)例采用美國(guó)洛杉磯周邊變形監(jiān)測(cè)站2004年到2006年40個(gè)監(jiān)測(cè)站共15天的觀測(cè)數(shù)據(jù)，首先利用GAMIT軟件求解基線向量，再利用GLOBK平差求出監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)坐標(biāo)，以此來(lái)求出監(jiān)測(cè)站形變量。

監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)共有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)40個(gè)，具體情況如表1所示。

2．監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間分布

為了更加直觀地表現(xiàn)出觀測(cè)點(diǎn)的空間分布情況，根據(jù)各觀測(cè)文件，應(yīng)用控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與平差軟件做出監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圖(如圖1所示)。

表1 測(cè)區(qū)內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置

四、形變量與變形規(guī)律

1．解算形變量

將40個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)從2004年到2006年共15天的觀測(cè)數(shù)據(jù)所解得的高程值分別與起始高程值做差，得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程變化值。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的變形情況基本一致。為了便于分析，在整個(gè)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的疏密情況選擇3組觀測(cè)點(diǎn)，每組3個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。3個(gè)監(jiān)測(cè)站基本構(gòu)成等邊三角形。這3組監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分別是：

1) 第1組：PSDM，HOL3，CHIL;

2) 第2 組：LONG，HOLP，JPLM;

3) 第3 組：BRAN，CRHS，UCLP。

3組監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程變形如圖2～圖4所示。

圖2 PSDM、HOL3、CHIL測(cè)站高程變化圖

圖3 LONG、HOLP、JPLM測(cè)站高程變化圖

圖4 BRAN、CRHS、UCLP測(cè)站高程變化圖

由以上3組圖可以看出，變形監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)各處的變形趨勢(shì)一致，在變形值上只存在很小的差別。

2．變形區(qū)的形變規(guī)律

1)依據(jù)監(jiān)測(cè)站的位置分布圖，在測(cè)區(qū)中央由南北方向，盡量選取一條直線上的7個(gè)測(cè)站，用這7個(gè)測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析監(jiān)測(cè)區(qū)域中沿南北走向的變形規(guī)律。選擇測(cè)站是：DVPB，CHIL，JPLM ，VDCY，LEEP ，F(xiàn)XHS ，UCLP。

所選的7個(gè)測(cè)站相對(duì)于起始高程的變形值如表2所示。

表2 高程變形值 mm

由圖5可以看出，在變形監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，沿南北走向變形基本一致。

圖5 測(cè)區(qū)南北方向高程變化趨勢(shì)圖

2)在南北方向選擇測(cè)站連線的垂直方向上，選取兩組點(diǎn)進(jìn)行東西變形趨勢(shì)分析：

1) 第 1 組：CRHS，LASC，F(xiàn)XHS，WMAP;

2) 第2 組：LONG，CHIL，SPMS，VNPS。

第1組監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程變形情況如表6，圖6所示。

表6 高程變形值 mm

圖6 測(cè)區(qū)東西方向高程變化趨勢(shì)圖

第2組監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程變形情況如表7，圖7所示。

表7 高程變形值mm

由第一組、第二組的圖表分析可知，在變形監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，沿南北走向變形基本一致，沿東西走向由東到西變形有逐漸微小的增加。

圖7 測(cè)區(qū)東西方向高程變化趨勢(shì)圖

3．軟件自動(dòng)生成的變形圖實(shí)例

圖8、圖9分別為2005年BGIS和WMAP測(cè)站的變形圖。

圖8 BGIS測(cè)站變形圖

圖9 WMAP測(cè)站變形圖

4．結(jié) 論

1)在2005年第341天到2006年第11天的35天里，觀測(cè)點(diǎn)的高程上升了192±3 mm;

2)在2006年第11天到2006年第46天的35天里，觀測(cè)點(diǎn)的高程下降了135±3 mm。由此可以得出，觀測(cè)點(diǎn)在2006年1、2月里上升到了極大值，具體日期和數(shù)值因監(jiān)測(cè)不是連續(xù)觀測(cè)而不能求出。

3)在2006年第46天到2006年第81天的35天里，觀測(cè)點(diǎn)繼續(xù)下沉，下沉量為133±3mm。由此可以得出在觀測(cè)點(diǎn)上升到極值以后均勻地下沉，平均下沉速率為134±3 mm/35天。

4)在2006年第81天到2006年第116天的35天時(shí)間里，觀測(cè)點(diǎn)高程比上次觀測(cè)上升了58±3mm，由此可以得出觀測(cè)點(diǎn)在2006年3、4月里下沉到了極小值，具體日期和數(shù)值因監(jiān)測(cè)不是連續(xù)觀測(cè)而不能求出。

5)在2006年第116天到2006年第151天的35天里，觀測(cè)點(diǎn)同比上次觀測(cè)上升了60±3mm。

五、結(jié)束語(yǔ)

由觀測(cè)資料得出，觀測(cè)區(qū)域受地質(zhì)等各種因素影響，以不等的速率上升和下沉?？梢?jiàn)，把GPS技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)方面是非?？尚械?。

另一方面，GPS雖然成功地應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)，但在一些特殊環(huán)境中因?yàn)镚PS信號(hào)問(wèn)題和多路徑效應(yīng)的影響，使得GPS所測(cè)精度不高甚至不能觀測(cè)，這就需要跟其他測(cè)量技術(shù)聯(lián)合。最后應(yīng)該注意的是，在GPS變形監(jiān)測(cè)中，水平方向的移動(dòng)精度要高于垂直方向的移動(dòng)精度。

[1]羅兵香，張永．GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理問(wèn)題探討[J]．株洲工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，20(4)：32-34．

[2]李峰．GPS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]．建筑經(jīng)濟(jì)，2007(S2)：62-65．