GPS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

王邵陽(yáng)

（凱里市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院　貴州　凱里　556000）

GPS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

王邵陽(yáng)

（凱里市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院貴州凱里556000）

作為一種全新的現(xiàn)代空間定位技術(shù)出現(xiàn)的全球定位系統(tǒng)（GPS），已逐漸在越來(lái)越多的領(lǐng)域中取代了常規(guī)光學(xué)和電子測(cè)量?jī)x器。本文重點(diǎn)就變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的GPS技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究。

GPS技術(shù)；變形監(jiān)測(cè)；應(yīng)用趨勢(shì)

引言

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，GPS衛(wèi)星定位和導(dǎo)航技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)的結(jié)合，引起了空間定位技術(shù)方面的革命性變化，由動(dòng)態(tài)擴(kuò)展取代靜態(tài)，從單點(diǎn)定位擴(kuò)展到局部與廣域差分，從事后處理擴(kuò)展發(fā)展到即時(shí)定位與導(dǎo)航，陸地和近海的三維坐標(biāo)都能利用GPS技術(shù)同時(shí)測(cè)定，其相對(duì)和絕對(duì)精度由米級(jí)擴(kuò)展到厘米級(jí)甚至亞毫米級(jí)，從而使GPS的應(yīng)用范圍得到了極大地?cái)U(kuò)展，這令在精度要求很高的變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中GPS的應(yīng)用變得可能。

1　GPS觀測(cè)原理

1.1GPS觀測(cè)原理

首先，要了解GPS的原理，這樣在進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)時(shí)，才能夠很好的做到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，GPS主要有監(jiān)測(cè)站、主控站、注入站等組成，在監(jiān)測(cè)站中設(shè)置了雙頻GPS接收機(jī)、高精度原子鐘、計(jì)算機(jī)和各種環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器，對(duì)系統(tǒng)采集的測(cè)量信息進(jìn)行分析和處理，主控站是GPS的核心部位具有監(jiān)測(cè)站的全部功能，協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主控站依據(jù)監(jiān)測(cè)站提供的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行推算變形數(shù)據(jù)以及提供改正的變形參數(shù)，并且將生成的數(shù)據(jù)反饋給注入站，進(jìn)而推算監(jiān)測(cè)站和GPS的反饋數(shù)據(jù)并將相關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋給導(dǎo)航電文，生成具體的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和信息。

1.2GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析原理

對(duì)于GPS的變形監(jiān)測(cè)的原理，應(yīng)該進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，只有了解了GPS工作的原理才能很好的進(jìn)行GPS的應(yīng)用和管理。首先GPS通過(guò)通過(guò)監(jiān)測(cè)站接受數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)通過(guò)主控站的數(shù)據(jù)分析后，由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)杰浖糠诌M(jìn)行預(yù)處理、基線解算和平差。GPS數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)采集的觀測(cè)原始數(shù)據(jù)，這些原始數(shù)據(jù)能夠反映出具體的變形量和變形深度，并且通過(guò)變形數(shù)據(jù)的具體反映能夠知道基坑變形的具體位置，這樣能夠很好的進(jìn)行加固處理，保證變形不為的安全。GPS數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑z測(cè)系統(tǒng)由檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，反饋到主控站，最后主控站將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和判斷，得到變形的具體數(shù)據(jù)，反饋到數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳到計(jì)算機(jī)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行預(yù)處理和基線解算。在GPS數(shù)據(jù)處理的整個(gè)過(guò)程都是建立了數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)，多數(shù)的GPS接受導(dǎo)數(shù)據(jù)都是采集的數(shù)據(jù)記錄在接收機(jī)的內(nèi)存模塊上，然后將檢測(cè)的結(jié)果記錄到相關(guān)的記錄系統(tǒng)最后形成具體的變形數(shù)量和深度以及相關(guān)變形的具體位置，以便進(jìn)行修復(fù)。

2　GPS技術(shù)在建筑物監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)分析

變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)十分自由、方便，可省去大量中間信息傳遞過(guò)渡點(diǎn)的原因是GPS定位時(shí)測(cè)站之間不需要保持通視，這樣就節(jié)省了大量布設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的費(fèi)用。GPS技術(shù)在建筑物監(jiān)測(cè)中具有五個(gè)方面的主要優(yōu)勢(shì)：①GPS技術(shù)自動(dòng)化程度高，能夠自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收機(jī)本身可自動(dòng)跟蹤并鎖定衛(wèi)星信號(hào)，有效的降低了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)工程的監(jiān)測(cè)成本，提高了變形監(jiān)測(cè)的效率。②GPS技術(shù)能夠全天候不間斷的工作，不受天氣等自然條件的影響，對(duì)變形監(jiān)測(cè)的持續(xù)性十分有利。③觀測(cè)站間無(wú)需通視，只要上空實(shí)業(yè)開(kāi)闊即可，設(shè)定觀測(cè)網(wǎng)點(diǎn)十分自由靈活，不再收到傳統(tǒng)觀測(cè)方式的限制，對(duì)節(jié)省成本效果顯著。④GPS技術(shù)測(cè)量速度迅速，且精確度高，能同時(shí)獲得觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在精確測(cè)定平面位置的同時(shí)，可以獲得精確的大地高，保證了觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)空一致性。⑤GPS測(cè)定的大地高可以直接運(yùn)用于垂直變形測(cè)量，它獲得的大地高在變形監(jiān)測(cè)工程中能夠保持較高的精度，避免了傳統(tǒng)工程測(cè)量中精度損失情形的出現(xiàn)。

3　GPS技術(shù)在建筑物變形檢測(cè)中的運(yùn)用

本文以一座塔身高288m的電視塔為例，該電視塔以鋼筋混凝土為主要結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)電視塔的中心線的垂直高度，以及塔身扭轉(zhuǎn)程度，以確保電視塔的安全施工和驗(yàn)證其工程設(shè)計(jì)的合理性。

3.1GPS監(jiān)測(cè)

依據(jù)國(guó)家《工程測(cè)量規(guī)范》和《建筑變形測(cè)量規(guī)范》都是建筑物變形監(jiān)測(cè)的科學(xué)依據(jù)。電視塔設(shè)計(jì)單位和施工單位共同確定電視塔的傾斜檢測(cè)技術(shù)方案。電視塔的垂直度要求精度較高，其允許偏差不超過(guò)70mm，而允許測(cè)量誤差不超過(guò)23mm。為了確保變形監(jiān)測(cè)的可靠性和完備性，一般采用GPS靜態(tài)定位監(jiān)測(cè)的方法。

3.2變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)建立

在建立監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)點(diǎn)的過(guò)程中，為了滿足電視塔垂直度和塔體扭轉(zhuǎn)等項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)需要，需要確?？刂凭W(wǎng)的精度處于較高的水平，一般應(yīng)不低于變形監(jiān)測(cè)的二級(jí)精度標(biāo)準(zhǔn)。為了保證觀測(cè)基點(diǎn)的穩(wěn)定性，需要在確定的過(guò)程中，反復(fù)的比較，將基點(diǎn)設(shè)立在結(jié)構(gòu)較好的永久性建筑上。若是一次無(wú)法確定所有的基準(zhǔn)點(diǎn)，可分期確定，一般基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量在五個(gè)左右，離塔心的平均距離在300m左右?？刂凭W(wǎng)點(diǎn)應(yīng)采用鋼筋混凝土觀測(cè)墩，并在地底埋設(shè)高精度的強(qiáng)制對(duì)中基座。

3.3GPS測(cè)量基礎(chǔ)軸線的方法與過(guò)程

一般情況下，當(dāng)GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)建立完畢之后，電視塔的施工將會(huì)到了一定的階段。這個(gè)時(shí)候，在采集塔心的坐標(biāo)和8條軸線控制樁的坐標(biāo)及方向時(shí)，將需要根據(jù)計(jì)算獲得。為了確保相關(guān)數(shù)據(jù)的精確度，可采用GPS技術(shù)對(duì)施工單位最初的8個(gè)軸線點(diǎn)（也稱內(nèi)側(cè)點(diǎn)）進(jìn)行精確的測(cè)量，再與基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，將8個(gè)軸線控制點(diǎn)的坐標(biāo)納入監(jiān)測(cè)體系的獨(dú)立坐標(biāo)系中。當(dāng)塔身在施工中逐步升高時(shí)，8個(gè)內(nèi)側(cè)點(diǎn)距離塔體太近，給軸線觀測(cè)帶來(lái)了較大的難度，所以，需要延長(zhǎng)。新設(shè)的8個(gè)軸線控制點(diǎn)稱為外側(cè)點(diǎn)，此時(shí)，對(duì)外側(cè)點(diǎn)進(jìn)行精密的觀測(cè)，將觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，即可獲得塔心的坐標(biāo)和軸線的方位角。這也是電視塔軸線垂直度的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)和塔體扭轉(zhuǎn)分析基準(zhǔn)線。

3.4電視塔GPS變形監(jiān)測(cè)的結(jié)果分析

GPS技術(shù)是以衛(wèi)星遙感技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行精確測(cè)量的過(guò)程。電視塔變形監(jiān)測(cè)根據(jù)要求，并結(jié)合實(shí)際施工現(xiàn)狀，在不同的高度進(jìn)行靜態(tài)觀測(cè)。該電視塔高度為288m，在200m的高度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其X方向和Y方向的偏差分別為0.005和0.003，偏差值為0.0058，在允許偏差值不超過(guò)0.1的范圍之內(nèi)。

4　GPS變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

4.1建立GPS變形控存線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)

研究建立GPS變形監(jiān)控在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，對(duì)大型橋梁、水電站、高層建筑物以及滑坡、泥石流、雪崩等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)依然成為一個(gè)重大的發(fā)展趨勢(shì)。這種由數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等幾個(gè)重要部分組成的系統(tǒng)，可以及時(shí)處理變形檢測(cè)器測(cè)得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而對(duì)變形的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行有效地分析，為災(zāi)害發(fā)生的可能性分析與預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

4.2建立“3S”集成變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

所謂“3S”集成變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，就是GPS、GIS以及RS三種系統(tǒng)集成的變形監(jiān)測(cè)體系。“3S”技術(shù)集成可為分析、研究包括變形信息在內(nèi)的各種災(zāi)變信息之間的相互關(guān)系提供技術(shù)支撐。特別是時(shí)態(tài)GIS技術(shù)的應(yīng)用，除了具備一般GIS的功能之外，它不僅可以明確地表述四維空間的地質(zhì)現(xiàn)象，還能記載監(jiān)測(cè)區(qū)域地質(zhì)現(xiàn)象隨時(shí)間變化的演變過(guò)程，這對(duì)于泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)具有重要意義。因此“3S”集成變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展也是完善變形監(jiān)測(cè)工作進(jìn)行的一大趨勢(shì)。

4.3建立GPS與其他變形監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的集成系統(tǒng)

將GPS與其他變形監(jiān)測(cè)技術(shù)（如攝影測(cè)量技術(shù)、特殊變形檢測(cè)技術(shù)等）結(jié)合形成綜合變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有利于克服單一利用GPS技術(shù)的不足和局限性，實(shí)現(xiàn)不同技術(shù)之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，擴(kuò)展GPS變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍。GPS等空間等空間測(cè)地技術(shù)的集成組合應(yīng)用于大范圍、整體性的地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，將會(huì)大大提高空間域?qū)τ诘貧ば巫冇^測(cè)的控制能力及分析能力。這會(huì)成為GPS等空間測(cè)地技術(shù)運(yùn)用于大型工程監(jiān)測(cè)帶來(lái)新的機(jī)遇，對(duì)高精度變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究產(chǎn)生強(qiáng)大的推動(dòng)作用。

5　結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步的情況下，GPS技術(shù)的其他領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)該很快就會(huì)得以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于GPS在變形監(jiān)測(cè)中的相關(guān)應(yīng)用是檢測(cè)技術(shù)發(fā)展到今天的必然結(jié)果，現(xiàn)在在進(jìn)行深基坑開(kāi)挖以及基坑周邊建筑物的變形監(jiān)測(cè)都是用的比較先進(jìn)的GPS技術(shù)，這種技術(shù)的特點(diǎn)符合目前需要，需要成本的控制以及監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度。GPS檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的結(jié)果，對(duì)于GPS技術(shù)的應(yīng)用也是檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)具體體現(xiàn)，在今后的發(fā)展過(guò)程中GPS技術(shù)一定會(huì)更上一層樓，對(duì)于應(yīng)用過(guò)程出現(xiàn)的缺點(diǎn)，我們應(yīng)該及時(shí)的發(fā)現(xiàn)及時(shí)進(jìn)行研究，找到GPS技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行逐步的研究，使得我國(guó)的GPS技術(shù)能夠達(dá)到世界水準(zhǔn)，我國(guó)的監(jiān)控技術(shù)也能夠與世界接軌，GPS技術(shù)能夠在更加廣闊的領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展。

[1]朱懷汝，李為民.GPS在巨型塑像變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用——以炎黃二帝塑像為例[J].創(chuàng)新科技，2013.

[2]肖鸞，胡友健，王曉華.GPS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用綜述[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2005.

P258

A

1673-0038（2015）32-0280-02

2015-7-12

王邵陽(yáng)（1978-），男，苗族，貴州凱里人，工程師，大專，主要從事工程測(cè)量方面的工作。