基于GPS技術(shù)的高層建筑變形監(jiān)測

唐富川++杜浩強

摘要：GPS技術(shù)具有連續(xù)性、實時性和高精度等特點，它能夠?qū)崿F(xiàn)全天候監(jiān)測，在很大程度上提高了監(jiān)測的自動化水平，其所具有的這些優(yōu)點使它在變形監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用，并且發(fā)揮著積極的作用。從GPS變形監(jiān)測技術(shù)出發(fā)，分析其監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理方式，并探討其在高層建筑變形監(jiān)測中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù)；高層建筑；變形監(jiān)測；數(shù)據(jù)

中圖分類號：P228.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）08－0128－02

社會經(jīng)濟的發(fā)展推動了城市化的進(jìn)程，但同時帶來的是城市用地的減少和高層建筑物的發(fā)展。在建筑技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，高層建筑物的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，施工工藝的改進(jìn)使其對建筑物變形監(jiān)測的要求也在不斷提高。高層建筑物結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜化使得建筑物變形監(jiān)測環(huán)境更為復(fù)雜，所以，對監(jiān)測精度和監(jiān)測效率等就有更高的標(biāo)準(zhǔn)。僅僅利用傳統(tǒng)的監(jiān)測方法已經(jīng)無法滿足對高層建筑變形監(jiān)測的要求，GPS技術(shù)因其高速、全天候和自動化等特點在該領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

1GPS變形監(jiān)測技術(shù)簡析

在建筑物的變形監(jiān)測中，一般采用的是水準(zhǔn)測量方法，以測量數(shù)據(jù)來監(jiān)測地基沉降等情況，并綜合應(yīng)用三角測量的方式來確定地基整體的位移或傾斜角度等。但是，受被監(jiān)測物體體積和幾何結(jié)構(gòu)等的影響，監(jiān)測工作的環(huán)境比較復(fù)雜，對監(jiān)測技術(shù)的要求也比較高，在這種情況下，應(yīng)用常規(guī)的監(jiān)測技術(shù)會耗費較長的時間，并且其工作強度也比較大，無法實現(xiàn)監(jiān)測的自動化和實時性。GPS技術(shù)的應(yīng)用能夠克服運用傳統(tǒng)技術(shù)時存在的一些困難，實現(xiàn)全天候觀測，并且在監(jiān)測過程中無需建立通視，對水平位移的觀測精度也是比較大的，能夠?qū)⒂^測誤差控制在較小的范圍內(nèi)。

1.1GPS技術(shù)變形監(jiān)測模式

GPS技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測的模式主要有周期性和連續(xù)性兩種，可以根據(jù)被監(jiān)測物體的變形情況來選擇適宜的監(jiān)測方式。在建筑物的變形速率較緩慢，并且局部時間在空間區(qū)域內(nèi)能夠被認(rèn)定是不動的情況下，便可以通過周期性監(jiān)測來完成相關(guān)監(jiān)測工作。這種檢測頻率可以根據(jù)建筑物和周圍環(huán)境等情況綜合考慮，可以隔幾個月監(jiān)測或每年監(jiān)測等。連續(xù)性監(jiān)測所使用的是一種固定的監(jiān)測儀器，需要通過長期監(jiān)測來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，從而形成一個變形數(shù)據(jù)系列。這種監(jiān)測數(shù)據(jù)具有連續(xù)性，因為它具有較好的時間分辨率。

一般情況下，在周期性的變形監(jiān)測中，所使用的是靜態(tài)的相對定位測量方式，而連續(xù)性的監(jiān)測在自動化要求比較高的情況下應(yīng)用較多。對數(shù)據(jù)的處理有靜態(tài)相對定位和動態(tài)相對定位兩種，高層建筑物的變形監(jiān)測更多的是一種動態(tài)的監(jiān)測形式，所以，對實時性和連續(xù)性等的要求比較高。通過GPS應(yīng)用來實現(xiàn)一種連續(xù)的監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的連續(xù)觀測，綜合使用監(jiān)測、監(jiān)控和決策等來實現(xiàn)對建筑物遠(yuǎn)距離監(jiān)測的控制。但是，在實踐中，該模式要在GPS接受設(shè)備固定點、變形點上來完成監(jiān)測工作，其建設(shè)的成本相對較高。為了更好地實現(xiàn)GPS對高層建筑物變形監(jiān)測的作用，可以利用天線和微波通道開關(guān)等形式來降低其建設(shè)成本，構(gòu)建一個完整的監(jiān)測體系，實現(xiàn)對高層建筑物變形特點和相關(guān)數(shù)據(jù)的有效監(jiān)測。

1.2GPS技術(shù)變形監(jiān)測的方法

將GPS技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測中，其測量方法主要有靜態(tài)測量、快速測量和動態(tài)測量等三種方式，現(xiàn)主要對其中的兩種方式作基本闡述。快速靜態(tài)測量方法是對監(jiān)測點進(jìn)行監(jiān)測的有效測量方式，其應(yīng)用的基本原理是將2臺GPS接收機安裝于基準(zhǔn)點上，完成固定連續(xù)監(jiān)測工作，再由另外幾臺接收機在監(jiān)測點上進(jìn)行移動監(jiān)測，并合理控制觀測時間，對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，結(jié)算出各監(jiān)測點的三維坐標(biāo)，提高計算的精準(zhǔn)度。高層建筑物變形檢測中的動態(tài)測量方法是將3臺以上的接收機同時放置在觀測點上，完成一段時間內(nèi)的同步觀測，綜合應(yīng)用連接方式來構(gòu)建完整的網(wǎng)絡(luò)，通過計算機軟件完成相關(guān)基線的計算等，并且計算出觀測點的坐標(biāo)。這樣的測量方式具有高精度定位的特點，而且它比較適用于長邊的監(jiān)測中。動態(tài)測量法有準(zhǔn)動態(tài)測量和實時動態(tài)測量兩種，前者是在基準(zhǔn)站安置1個GPS接收機來實現(xiàn)連續(xù)的觀測，并通過無線電設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻赏獾慕邮諜C上，實現(xiàn)對觀測數(shù)據(jù)的接收和分析等。這在很大程度上提高了高層變形監(jiān)測的準(zhǔn)確性和有效性，為變形預(yù)防系統(tǒng)的建立和預(yù)防措施的完善提供了重要依據(jù)。

對GPS技術(shù)所獲取的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析有基線解算和網(wǎng)平差兩個階段的。前者在數(shù)據(jù)處理時所使用的是GAMIT，TGO或是Bernese軟件和IGS精密星歷等技術(shù)手段，這能夠在很大程度上提高計算的精確度，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的有效性。平差計算則是應(yīng)用Power ADJ等軟件。對GPS高精度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，先要在對原始數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上獲得同步觀測的基線解，然后再對其進(jìn)行整體平差的詳細(xì)分析，從而獲得整體的解。數(shù)據(jù)處理軟件的應(yīng)用重點在于對同步網(wǎng)基線的處理，在網(wǎng)平差分析上，尤其是對子系統(tǒng)的誤差分析等都缺乏有效的處理方式。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)平差處理時，先提取相應(yīng)的基線向量，以此來構(gòu)建GPS的基線向量網(wǎng)，并進(jìn)行GPS三維無約束的平差，然后進(jìn)行平差或聯(lián)合平差的處理，最后對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析和控制，以實現(xiàn)平差處理的目標(biāo)。

2GPS技術(shù)在高層建筑變形監(jiān)測中的應(yīng)用

在高層建筑物變形監(jiān)測中，GPS技術(shù)因其高效性和實時性等特點被廣泛應(yīng)用，而在具體的應(yīng)用中，主要有準(zhǔn)動態(tài)特征監(jiān)測和實時動態(tài)監(jiān)測等技術(shù)方式。

高層建筑物的準(zhǔn)動態(tài)監(jiān)測是比較重要的一項工作，通過整體變形模型的應(yīng)用和對觀測數(shù)據(jù)的獲取、分析來準(zhǔn)確地反映建筑物整體的動態(tài)特征。通過數(shù)據(jù)分析能夠發(fā)現(xiàn)，建筑物可能發(fā)生的沉降和水平位移或是傾斜等變形現(xiàn)象，以監(jiān)測面姿態(tài)變化的形式表現(xiàn)出來。通過監(jiān)測面剛性運動狀態(tài)的刻畫等模型應(yīng)用更好地對建筑物整體變形狀態(tài)進(jìn)行描述，從而發(fā)現(xiàn)一些潛在的變形影響因素。在應(yīng)用中，選擇適宜的點來安置監(jiān)測設(shè)備，并對監(jiān)測面進(jìn)行合理的規(guī)劃、設(shè)計，建立完善的工程施工坐標(biāo)系，使其能夠更好地獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，確保變形監(jiān)測的有效性。

實時動態(tài)監(jiān)測是高層建筑物變形監(jiān)測中應(yīng)用較多的另一種技術(shù)。該種技術(shù)的應(yīng)用對變形監(jiān)測的安全運營和相關(guān)維護、設(shè)計等都有著重要的影響。這種實時監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)Φ卣?、臺風(fēng)等自然災(zāi)害的影響進(jìn)行實時、有效的動態(tài)監(jiān)測。通過對建