GPS在變形監(jiān)測(cè)中的技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用

陶杰　羅小寶

【摘要】GPS導(dǎo)航定位技術(shù)及大地測(cè)量等學(xué)科的飛速發(fā)展是變形監(jiān)測(cè)革命性變革的助推劑，它具有速度快、全天候、自動(dòng)化程度高、測(cè)站間無(wú)需通視、可同時(shí)測(cè)定點(diǎn)的三維位移等優(yōu)點(diǎn)。高精度和自動(dòng)化的GPS變形監(jiān)測(cè)在GPS技術(shù)水平不斷進(jìn)步的情況下己經(jīng)成為可能，目前，諸如大壩、橋梁或工程結(jié)構(gòu)等的變形監(jiān)測(cè)中，GPS技術(shù)都扮演著極其重要的角色，這也對(duì)變形分析理論提出了更高更細(xì)致的要求。

【關(guān)鍵詞】GPS；變形監(jiān)測(cè)；技術(shù)；應(yīng)用

引言

隨著人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，對(duì)于工程建設(shè)效率的要求也在不斷提高，并且對(duì)于現(xiàn)代工程建筑物的規(guī)模、造型、難度提出了更高的要求，在這樣的環(huán)境下，變形監(jiān)測(cè)工作的重要性不言而喻。本文針對(duì)GPS在變形監(jiān)測(cè)中的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用進(jìn)行探討，希望能為今后對(duì)于變形監(jiān)測(cè)中GPS的應(yīng)用提供幫助。

一、GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及其優(yōu)點(diǎn)

（一）GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

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）， 己逐漸在越來(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。

自上世紀(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。

（二）GPS在變形監(jiān)測(cè)中的優(yōu)點(diǎn)

1.測(cè)站間無(wú)需保持通視。

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。

2.全天候觀測(cè)

GPS測(cè)量不受風(fēng)雪雨霧，陰天黑夜等惡劣條件的限制，利用GPS衛(wèi)星數(shù)量多，及其他非衛(wèi)星定位手段等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)全天候、全方位的觀測(cè)。因此在對(duì)洪水、滑坡、雪崩及泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)時(shí)，GPS技術(shù)十分重要。

3.實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化

GPS檢測(cè)系統(tǒng)可以輕易實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析、報(bào)警到入庫(kù)的全自動(dòng)化。因?yàn)镚PS接收機(jī)可以自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，用戶可以在變形監(jiān)測(cè)站無(wú)人值守時(shí)把GPS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建成無(wú)人值守的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。而GPS接受機(jī)所收集的信息會(huì)自動(dòng)傳輸?shù)娇刂浦行模瑫r(shí)也能夠在控制中心更改數(shù)據(jù)采樣率、監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)及監(jiān)測(cè)截止高度角等。這極大地節(jié)省了變形觀測(cè)的經(jīng)費(fèi)，避免人力資源的浪費(fèi)。

4.可消除或削弱系統(tǒng)誤差的影響

在兩期變形監(jiān)測(cè)中所求得的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)差使我們?cè)谧冃伪O(jiān)測(cè)中最為關(guān)注的數(shù)據(jù)，而變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)本身的坐標(biāo)卻并不重要。雖然兩期變形監(jiān)測(cè)中所含的共同的系統(tǒng)誤差會(huì)對(duì)兩期的坐標(biāo)值造成影響，但卻不會(huì)影響所求得的變形量。GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的起始坐標(biāo)的誤差，數(shù)據(jù)處理中所用的定位軟件本身的不完善以及衛(wèi)星信號(hào)在大氣層中的傳播誤差中的公共部分的影響可得以消除或削弱。

5.精度高、效率高

由于GPS定位技術(shù)在消除或削弱系統(tǒng)誤差，使得測(cè)量精度達(dá)到其他測(cè)量手段難以達(dá)到的高度，所以GPS在變形監(jiān)測(cè)中迅速得到了推廣，成為變形監(jiān)測(cè)方法中的佼佼者。

二、GPS變形監(jiān)測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀

眾所周知，在多種主觀和客觀因素的影響下工程建筑物在施工和運(yùn)營(yíng)期間會(huì)產(chǎn)生變形，變形如果超出了一定限度，就會(huì)使建筑物的正常使用收到影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成建筑物的損壞甚至崩塌，危及建筑物的安全，使社會(huì)和人民生活蒙受巨大的損失。盡管工程建筑物在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到各種外載荷的影響，會(huì)采用了一定的安全系數(shù)來(lái)規(guī)范施工，但是由于施工質(zhì)量不可能完美無(wú)缺，設(shè)計(jì)中也不可能準(zhǔn)確無(wú)誤地估計(jì)出工程的工作條件及承載能力，因此還可能發(fā)生某些不利于施工過(guò)程順利進(jìn)行的變化因素。國(guó)內(nèi)外相繼出現(xiàn)的諸多工程事故都是因此發(fā)生的。在工程的施工和運(yùn)營(yíng)期間使用變形監(jiān)測(cè)的方法，以便及時(shí)掌握變形體的實(shí)際性狀，為判斷其安全提供必要信息，來(lái)保證工程建筑物的安全。無(wú)論是在全球性變形監(jiān)測(cè)研究、區(qū)域性變形研究、還是工程與局部性變形研究，GPS變形監(jiān)測(cè)技術(shù)都得到了廣泛的應(yīng)用。在監(jiān)測(cè)全球板塊運(yùn)動(dòng)、地極運(yùn)動(dòng)、地球自轉(zhuǎn)速率變化、潮汐、地震預(yù)報(bào)、地殼運(yùn)動(dòng)等方面GPS技術(shù)都發(fā)揮了巨大的作用，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，世界各國(guó)紛紛用GPS布設(shè)地殼運(yùn)動(dòng)和區(qū)域變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)。利用價(jià)值的不斷提高和日漸受人矚目的地位極大地推動(dòng)了GPS變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)速度與發(fā)展進(jìn)程，首選GPS 技術(shù)建立各類監(jiān)測(cè)網(wǎng)己經(jīng)形成了一種共識(shí)。

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

（一）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)。

（二）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)。

（三）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。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)不的監(jiān)測(cè)對(duì)象和監(jiān)測(cè)目的，基于GIS、RS、IN— SAR、攝影測(cè)量和特殊變形測(cè)量技術(shù)等研究建設(shè)技術(shù)先進(jìn)又實(shí)用的GPS在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)是GPS變形監(jiān)測(cè)技術(shù)總的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)鑒于GPS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中所需成本過(guò)于高昂，但因其在變形監(jiān)測(cè)中占據(jù)戰(zhàn)略地位，因此研究低成本的GPS集成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)對(duì)變形監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展具有重要意義。此外，提高GPS垂直位移的監(jiān)測(cè)精度也是一個(gè)重要課題。如果能夠?qū)⑸鲜鰡?wèn)題逐一妥善解決，相信能夠使GPS同時(shí)滿足三維位移的優(yōu)勢(shì)得到更加充分有效的發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)

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