GPS技術在變形監(jiān)測中的運用

吳利平

【摘 要】隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各種大型而復雜的工程日益增多，尤其是近幾年高層建筑的建設和使用，使得人們密切關注建筑物在運營過程中的安全問題，變形監(jiān)測成為大眾關注的熱點。因此，本文以“賀村中灘組團基坑監(jiān)測及樓房沉降觀測項目”為例，闡述了GPS測量技術在變形監(jiān)測中的應用，以及具體的實施方案，以期為我國GPS技術在變形監(jiān)測方面提供參考。

【關鍵詞】GPS變形監(jiān)測 誤差分析 實施方案

1 概述

變形監(jiān)測是監(jiān)測變形體安全性的重要手段，是利用專用儀器和方法對變形體的變形現(xiàn)象進行持續(xù)觀測、對其變形形態(tài)進行分析和變形的發(fā)展態(tài)勢進行預測等。任務是確定變形體在各種荷載和外力作用下的形狀、大小、及位置變化的空間狀態(tài)和時間特征。變形監(jiān)測工作的意義在于掌握變形體的穩(wěn)定性，為安全運行診斷提供必要的信息，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并采取措施。GPS技術作為一種全新的現(xiàn)代空間定位技術，已經(jīng)在測量各領域取代傳統(tǒng)的測量方法，變形監(jiān)測領域也不例外。GPS變形監(jiān)測的實現(xiàn)可以減輕外業(yè)工作量，提高工作效率，從而帶來直接的經(jīng)濟效益。因此，將GPS技術應用于變形監(jiān)測及其變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的研究具有重要的現(xiàn)實意義。本文結合實際案例闡述了GPS測量技術應在變形監(jiān)測中的運用，以及數(shù)據(jù)的處理方法等。

2 GPS變形監(jiān)測技術特點

目前，變形監(jiān)測常用的方法有：常規(guī)大地測量方法，基準線測量法，測量機器人技術，攝影測量法和GPS變形監(jiān)測技術等。

GPS作為一種全新的、極具潛力的空間定位技術，在變形監(jiān)測中得到了越來越廣泛的應用和推廣，與常規(guī)變形監(jiān)測技術相比，其突出的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：測站之間無需通視，可以全天候觀測；自動化程度高，高精度三維定位；抗干擾性能好、保密性強等優(yōu)勢。當然GPS運用在變形監(jiān)測中，也有它自身的局限性，首先：點位選擇自由度相對較低。為保證測量的正常進行和定位精度的需要，要求測站上空視野開闊且信號不受干擾，點位選取限制條件較多，因此監(jiān)測點位選擇和變動的余地較小。其次，變形監(jiān)測條件差。在利用GPS進行工程變形監(jiān)測時，監(jiān)測環(huán)境通常都比較差。再次，垂直位移監(jiān)測精度不夠，對監(jiān)測資料的分析表明，對于水平位移的監(jiān)測精度比較高，但對于垂直位移的監(jiān)測精度較低，一般要比水平位移的監(jiān)測精度低出兩倍之多。另外，函數(shù)關系復雜，誤差來源多，數(shù)據(jù)處理的難度較高等各種問題。其中任何一個環(huán)節(jié)處理不好，都將影響最終的監(jiān)測精度。

3 GPS誤差類型及處理方法

GPS技術應用于變形監(jiān)測測量，在操作過程中存在如上述所說的各種誤差，其中主要來源于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號的傳播過程和地面接收設備等。

3.1與衛(wèi)星有關的誤差

主要包括衛(wèi)星種差，衛(wèi)星軌道偏差等，對它們的處理方法主要如下：

衛(wèi)星鐘差：設置鐘差改正模型，使各衛(wèi)星間的同步差保持在20ns以內(nèi)，由此引起的等效距離偏差將不會超過6m。接收機鐘差一般用偽距單點定位確定或從RINEX觀測文件中獲取，進而對觀測值進行改正。在相對定位中，經(jīng)修正后的衛(wèi)星鐘殘差和接收鐘差可通過觀測值求差的方法消除。

衛(wèi)星軌道偏差：采用全球GPS跟蹤網(wǎng)所獲得的精密衛(wèi)星軌道，其軌道精度目前最高約為2cm。在大中尺度的衛(wèi)星定位網(wǎng)中可采用軌道改進法處理觀測數(shù)據(jù)，目前可取得優(yōu)于10-8的基線精度。另外，由于同一衛(wèi)星的位置誤差對不同觀測站的定位影響大致相同，利用若干測站對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差可明顯減弱衛(wèi)星軌道的影響，當基線較短時效果尤其明顯。

3.2衛(wèi)星信號的傳播誤差

電離層折射的影響：采用雙頻觀測，利用電離層模型加以修正，對距離較近的點可以利用同步觀測值求差的方法，升高衛(wèi)星高度角的截止限值等措施來減弱電離層折射的影響。

對流層折射的影響：采用對流層模型加以改正，引入描述對流層影響的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一并求解，對距離較近的點可以利用觀測求差方法，還可以采用隨機過程模擬和濾波方法進行參數(shù)估算及函數(shù)逼近方法模擬改正。

多路徑效應影響：減弱其影響的措施主要如下，安置接收機天線的環(huán)境，應避開較強的反射面，選擇造型適宜且屏蔽良好的天線，適當延長觀測時間，削弱多路徑效應的周期性影響，改善GPS接收機的電路設計等。

3.3與接收設備有關的誤差

觀測誤差：它屬于偶然誤差，適當增加觀測量，認真仔細地做好天線的置平、對中和高度的量取，都將減弱觀測誤差。

載波相位觀測的整周模糊度：可在解算時一般都要增加未知數(shù)。

天線的相位中心位置偏差：本部分偏差量可由改正公式進行修正。實際工作中，將天線按附有的方位標進行定向，并通過觀測值求差來削弱這種相位中心的變化對定向的影響。

4 GPS監(jiān)測實施方案

本文結合我單位的實際案例“賀村中灘組團基坑監(jiān)測及樓房沉降觀測項目”，采用靜態(tài)相對定位方式進行數(shù)據(jù)處理的周期性重復監(jiān)測方法，闡述了變形監(jiān)測的整個作業(yè)過程。項目占地面積近17萬平方米，建筑面積近45萬平方米?；娱_挖的最大深度為12米，屬于二級基坑。樓體地上最高28層。依據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》要求，本工程基坑監(jiān)測項目主要有：圍護墻（邊坡）頂部水平位移監(jiān)測，圍護墻（邊坡）頂部豎向位移監(jiān)測，深層水平位移監(jiān)測，周邊建筑及新建樓體的沉降觀測等。在此方法中，監(jiān)測網(wǎng)由基準點和監(jiān)測點構成?；鶞庶c用于建立監(jiān)測網(wǎng)的基準，即保證變形分析在同一基準下進行。

4.1點位布設

基準點的布設：基準點應布設在基坑開挖深度3倍以上的穩(wěn)定的地方。布設完后，使用B級GPS測量方法確定各個基準點的相對坐標，作為基坑水平位移監(jiān)測的起算數(shù)據(jù)。豎直方向利用測區(qū)附近的二等水準點起算并串測基準點。在以后的每次觀測中，都需要先驗測基準點，以確定起算數(shù)據(jù)的正確性。

監(jiān)測點的布設：監(jiān)測點直接布設在變形體上，用以測定變形體變形值。點位應設在能反映變形體特征的特征部位，不但要求牢固便于觀測而且要求形式美觀，結構合理，不破壞變形體的外觀與使用。應沿基坑周邊布置，周邊中部、陽角處應布置監(jiān)測點。監(jiān)測點水平間距不宜大于20m，每邊監(jiān)測點數(shù)目不宜少于3個。

4.2觀測方法

每一個周期測量監(jiān)測點之間的相對位置，計算兩個觀測周期之間相對位置的變化來測定變形，數(shù)據(jù)處理方式采用靜態(tài)相對定位GPS變形監(jiān)測的方法：首先依據(jù)首期GPS測量中變形監(jiān)測點及基準點上的觀測資料進行相對定位，進而求得變形監(jiān)測點的3維坐標（X0，Y0，Z0），并將其作為變形監(jiān)測中的參考標準。然后采用類似方法進行定期復測。若第i期復測求得的變形監(jiān)測點的坐標為（Xi，Yi，Zi）；然后根據(jù)坐標差（XΔ，YΔ，ZΔ）來確定監(jiān)測點的變形量。在本項目中根據(jù)北京市基坑監(jiān)測技術規(guī)范及北京市建設委員會對第三方基坑監(jiān)測的要求，監(jiān)測頻率如下表1實施，當出現(xiàn)意外時根據(jù)實際情況無條件提高監(jiān)測頻率。

土方開挖階段 開挖至設計標高 1次/1d

底板澆筑后時間（d） ≤7 1次/2d

7～14 1次/3d

14～28 1次/5d

>28 1次/7d

樓房沉降觀測 1次/1層

表1

5 數(shù)據(jù)處理

5.1 GPS觀測數(shù)據(jù)的預處理

目的是對數(shù)據(jù)進行平滑濾波檢驗，剔除粗差；統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件格式并將各類數(shù)據(jù)文件加工成相互兼容的標準文件，找出整周跳變點并修復觀測值，進行各種模型改正。

5.2 GPS觀測數(shù)據(jù)的測后處理

GPS觀測數(shù)據(jù)的測后處理，一般均借助相應的后處理軟件自動地完成，其內(nèi)容主要包括基線預處理及GPS網(wǎng)的平差。其中，基線處理是對已標準化的數(shù)據(jù)文件進行處理，解算出基線；GPS網(wǎng)平差：GPS網(wǎng)由基線組成，數(shù)據(jù)處理的成果是基線向量及相應的方差協(xié)方差。其網(wǎng)的平差包括基線向量的無約束平差、約束平差和與地面網(wǎng)的聯(lián)合平差三部分。

5.3 GPS變形監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

本項目采用的是靜態(tài)相對定位方式進行周期性重復監(jiān)測方法，在數(shù)據(jù)處理中采用經(jīng)典最小二乘平差法，其平差原則為

VTPV=min

（式中V為觀測量的改正數(shù)或觀測量殘差。）

6 結語

技術不斷進步，變形監(jiān)測技術將向高精度、自動化、智能化方向發(fā)展。一方面監(jiān)測儀器的性能（精確性、穩(wěn)定性、耐用性等）將不斷提高，從而提高監(jiān)測系統(tǒng)的整體可靠性；另一方面監(jiān)測儀器的自動化水平也將不斷提高，并向智能化方向發(fā)展。

參考文獻：

[1]黃聲亨，郭英起，易慶林.GPS在測量工程中的應用北京：測繪出版社.

[2]岳建平.變形監(jiān)測理論與技術研究進展，測繪通報，2007年第7期.