BDS+GPS技術(shù)支持下的超高層建筑施工投點(diǎn)監(jiān)測分析

王 勇，林財(cái)榮，郭際明，尹超凡，章 迪

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BDS+GPS技術(shù)支持下的超高層建筑施工投點(diǎn)監(jiān)測分析

王 勇1,2，林財(cái)榮3，郭際明1,2，尹超凡3，章 迪1,2

(1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 精密工程測量實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 3. 中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430079)

超高層建筑施工中常采用激光投點(diǎn)儀向上傳遞地面控制點(diǎn)作為測量基準(zhǔn)。為了避免投點(diǎn)誤差過大，本文采用BDS+GPS技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)監(jiān)測其投點(diǎn)精度，給出了超高層建筑BDS+GPS監(jiān)測相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理策略，對(duì)比分析了BDS、GPS及組合BDS+GPS 3系統(tǒng)之間，以及與激光投點(diǎn)前地面點(diǎn)坐標(biāo)之間的差異。結(jié)果表明，GPS和BDS+GPS組合系統(tǒng)定位精度相當(dāng)，BDS定位性能稍差，但滿足超高層監(jiān)測精度要求，利用北斗技術(shù)進(jìn)行超高層建筑基準(zhǔn)傳遞工作具有一定可行性。

超高層建筑；BDS；GPS；監(jiān)測

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市中修建的超高層建筑越來越多。超高層建筑施工過程中，需要將地面控制點(diǎn)逐層向上傳遞，目前主要是利用激光投點(diǎn)儀將控制點(diǎn)垂直投射到施工所在的頂部樓層。但激光投點(diǎn)儀的投射距離有限，對(duì)于超過200 m甚至更高的建筑，需要分段向上傳遞投點(diǎn)，這會(huì)造成投點(diǎn)誤差累積，且施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，投點(diǎn)過程中需要清除大量障礙物，嚴(yán)重影響作業(yè)效率，對(duì)于夜間工作也存在著安全隱患。

相對(duì)于利用激光投點(diǎn)儀進(jìn)行坐標(biāo)傳遞，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)具有操作簡單、精度高、工作效率高、工作時(shí)間不受限制等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。北斗導(dǎo)航定

位系統(tǒng)(BDS)是我國獨(dú)立研制的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，目前已成功發(fā)射23顆衛(wèi)星，在亞太地區(qū)已經(jīng)具備定位、導(dǎo)航及授時(shí)功能(PNT)[3-7]，但在工程領(lǐng)域，尤其是超高層建筑監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用還相對(duì)較少。

本文以武漢綠地中心超高層建筑項(xiàng)目為依托，采用BDS+GPS技術(shù)對(duì)激光投點(diǎn)位置進(jìn)行觀測和分析，研究了超高層建筑BDS+GPS相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，BDS、GPS、BDS+GPS 3種解算方式的定位結(jié)果經(jīng)垂線偏差改正之后，均可以滿足施工需要，一方面較好地對(duì)激光投點(diǎn)精度進(jìn)行了監(jiān)測，另一方面也驗(yàn)證了我國的BDS系統(tǒng)在超高層建筑施工監(jiān)測和測量基準(zhǔn)傳遞方面的可行性。

1 數(shù)據(jù)處理策略

1.1 事后RTK模式處理

超高層建筑由于風(fēng)和日照等作用可能存在擺動(dòng)，而事后靜態(tài)處理的前提是所觀測的建筑物在觀測時(shí)段內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)[8]。本文通過單歷元RTK模式進(jìn)行解算，可以得到監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)時(shí)間序列，能夠較好地評(píng)估樓層的穩(wěn)定性。以地面穩(wěn)定控制點(diǎn)作為基站，在監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)選擇合適的監(jiān)測點(diǎn)，利用武漢大學(xué)自主研制的GNSS RTK動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)解算，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)解算應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

(1) 由于超高層建筑監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)基線一般為短基線，故采用雙頻L1、L2無組合觀測值進(jìn)行解算，通過站星雙差模式，可以消除鐘差及絕大部分電離層誤差，考慮到樓層較高，對(duì)流層誤差難以完全通過雙差消除，本文對(duì)殘余對(duì)流層誤差采用參數(shù)估計(jì)進(jìn)一步削弱其影響[9-10]。

(2) 超高層樓頂觀測環(huán)境復(fù)雜，樓頂施工設(shè)備遮擋比較嚴(yán)重，解算時(shí)截止高度角設(shè)置為10°，考慮到超高層實(shí)際擺動(dòng)情況，在RTK解算過程中，采用單歷元獨(dú)立解算模式。

1.2 事后靜態(tài)處理

靜態(tài)數(shù)據(jù)處理主要包括基線解算和網(wǎng)平差兩部分，超高層樓頂監(jiān)測點(diǎn)平面坐標(biāo)的解算精度主要取決于基線解算的精度?；€解算采用武漢大學(xué)自主研制的軟件CosaBaseline及由美國麻省理工學(xué)院與斯克里普斯海洋研究所聯(lián)合開發(fā)的高精度科研軟件GAMIT。

(1) CosaBaseline是單條基線獨(dú)立解算，可以進(jìn)行BDS、GPS、BDS+GPS 3種方式的解算，數(shù)據(jù)處理中，衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為15°，觀測值采用L1、L2無組合觀測值。

(2) GAMIT是科研領(lǐng)域采用的高精度基線解算軟件，采用整體網(wǎng)解的方式，且對(duì)觀測數(shù)據(jù)中的粗差和周跳作了較好的預(yù)處理，具有較高的解算精度和可靠性，解算模式選擇適用于短基線的L1,L2_INDEPENDENT(雙頻觀測中獨(dú)立的L1、L2基線解)[11-13]，目前GAMIT還無法解算北斗數(shù)據(jù)，利用其對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到GPS基線解，作為參考依據(jù)。

網(wǎng)平差采用武漢大學(xué)自主研制的高精度數(shù)據(jù)處理軟件CosaGPS。首先進(jìn)行三維無約束平差，得到各點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)；然后進(jìn)行固定一點(diǎn)一方向二維平差，得到各點(diǎn)在施工坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo)。

1.3 垂線偏差改正

地面一點(diǎn)上的重力向量和相應(yīng)橢球面上的法線向量之間的夾角定義為該點(diǎn)的垂線偏差。超高層建筑施工是以垂線為依據(jù)，樓頂監(jiān)測點(diǎn)是由激光投點(diǎn)儀在地面沿重力方向垂直投射上去的，而基于GNSS觀測值平差得到的監(jiān)測點(diǎn)的平面坐標(biāo)是沿法線方向投影到地面施工坐標(biāo)系的高程投影面。由于超高層建筑頂部高程較大，垂線偏差影響不容忽視，因此需要對(duì)平差后的平面坐標(biāo)進(jìn)行垂線偏差改正[14-15]。

2 試驗(yàn)分析

2.1 數(shù)據(jù)采集方案

本文數(shù)據(jù)采集于正在施工的武漢綠地中心大樓，分別于2016年1月和6月采集2期數(shù)據(jù)，同時(shí)期的樓高分別為210和310 m，該超高層建筑建成后將達(dá)到636 m，是世界第三高樓。試驗(yàn)儀器采用天寶NetR9接收機(jī)和大地型天線Zephyr Geodetic model 2，同時(shí)接收北斗和GPS數(shù)據(jù)。試驗(yàn)觀測網(wǎng)如圖1所示，其中點(diǎn)D001、D005、D006是位于超高層建筑周圍穩(wěn)定點(diǎn)上的強(qiáng)制對(duì)中觀測墩；點(diǎn)BD08是位于超高層建筑樓頂?shù)谋O(jiān)測點(diǎn)，是激光投點(diǎn)儀投射點(diǎn)。觀測網(wǎng)中水平距離最長的基線為D005—D006，長度約為1100 m；水平距離最短的基線為BD08—D001，長度約為370 m。

圖1 觀測網(wǎng)

2.2 動(dòng)態(tài)處理結(jié)果分析

兩期數(shù)據(jù)單歷元RTK解算均選取地面控制點(diǎn)D005作為基準(zhǔn)站，超高層樓頂監(jiān)測點(diǎn)BD08作為監(jiān)測站，按照5 s的時(shí)間間隔對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，剔除浮點(diǎn)解并采用高階多項(xiàng)式對(duì)北(N)、東(E)坐標(biāo)時(shí)間序列進(jìn)行擬合，以擬合曲線作為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算兩期N、E坐標(biāo)的中誤差，即

(1)

將兩期解算與擬合相對(duì)應(yīng)的N、E坐標(biāo)求差，超過3倍中誤差的視為粗差并剔除。圖2為第一期、第二期監(jiān)測點(diǎn)BD08的N、E坐標(biāo)在剔除浮點(diǎn)解和粗差并減去平均值后的時(shí)間序列圖，圖中黑色曲線是采用高階多項(xiàng)式擬合的坐標(biāo)變化趨勢線。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)N、E坐標(biāo)變化時(shí)間序列

從圖2可以看出，兩期監(jiān)測點(diǎn)BD08在監(jiān)測時(shí)間內(nèi)，N、E坐標(biāo)整體上在均值上下約2 cm范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，第一期監(jiān)測點(diǎn)N、E坐標(biāo)平均值分別為-458.419 5、-14.297 1 m，中誤差分別為6.3、5.1 mm；擬合N、E坐標(biāo)平均值分別為-458.419 5、-14.297 1 m，中誤差分別為0.9、1.5 mm，擬合N、E坐標(biāo)最大值與最小值差值分別為4.7、5.2 mm。第二期監(jiān)測點(diǎn)N、E坐標(biāo)平均值分別為-458.424 5、-14.291 7 m，中誤差分別為8.0、7.0 mm；擬合N、E坐標(biāo)平均值分別為-458.424 9、-14.292 3 m，中誤差分別為2.6、3.2 mm，擬合N、E坐標(biāo)最大值與最小值差值分別為10.5、12.9 mm。

綜上所述，兩期監(jiān)測點(diǎn)N、E坐標(biāo)時(shí)間序列符合白噪聲規(guī)律，中誤差均在毫米級(jí)，擬合趨勢線整體上較為平穩(wěn)。因此可以認(rèn)為兩期觀測時(shí)間內(nèi)樓頂監(jiān)測點(diǎn)位置沒有變化，即超高層樓頂是穩(wěn)定的。

2.3 靜態(tài)處理結(jié)果分析

2.3.1 內(nèi)符合精度分析

將兩期超高層樓頂監(jiān)測點(diǎn)BD08利用CosaBaseline計(jì)算的BDS、GPS和組合BDS+GPS 3種模式的定位結(jié)果與GAMIT結(jié)果進(jìn)行比較分析，比較結(jié)果如圖3所示。從坐標(biāo)差值結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖中可以看出，兩期監(jiān)測點(diǎn)N、E坐標(biāo)與GAMIT結(jié)果差值均小于3 mm，其中第一期采用BDS計(jì)算的N坐標(biāo)差值最大，為-2.7 mm，其他坐標(biāo)差值均小于2 mm。整體來說，GPS和組合BDS+GPS兩種模式定位精度相當(dāng)，BDS模式穩(wěn)定性稍差于前兩者，3種模式解算結(jié)果整體上與GAMIT坐標(biāo)結(jié)果相吻合。

圖3 CosaBaseline 3種模式結(jié)果與GAMIT結(jié)果差值統(tǒng)計(jì)

2.3.2 外符合精度分析

將兩期超高層樓頂監(jiān)測點(diǎn)平差后的平面坐標(biāo)與對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)已知坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。超高層建筑所占面積相對(duì)較小，屬于局部區(qū)域，認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)垂線偏差相同，根據(jù)EGM2008模型計(jì)算得到該區(qū)域的垂線偏差的南北分量為1.1″，東西分量為-7.0″。將采用單BDS模式計(jì)算的監(jiān)測點(diǎn)BD08在垂線偏差改正前后的坐標(biāo)與對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)已知坐標(biāo)進(jìn)行求差，差值結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖4所示?？梢钥闯觯瑑善谖唇?jīng)垂線偏差改正的N坐標(biāo)與投點(diǎn)之前已知N坐標(biāo)的差值分別為-0.1、-4.5 mm，經(jīng)過垂線偏差改正后差值分別為-1.1、-3.0 mm；兩期未經(jīng)垂線偏差改正的E坐標(biāo)與投點(diǎn)之前已知E坐標(biāo)的差值分別為-14.7、-12.9 mm,均超過了1 cm，經(jīng)過垂線偏差改正后差值分別為-8.0、-3.4 mm。

圖4 垂線偏差改正前后北斗系統(tǒng)結(jié)果與已知坐標(biāo)差值統(tǒng)計(jì)

綜上所述，經(jīng)過垂線偏差改正后的坐標(biāo)與已知坐標(biāo)差值均在毫米級(jí)，滿足工程施工需求，說明利用北斗技術(shù)進(jìn)行超高層建筑基準(zhǔn)傳遞工作具有可行性。

3 結(jié)束語

本文通過單歷元RTK解算，驗(yàn)證了施工中武漢綠地中心超高層樓頂?shù)姆€(wěn)定性。利用BDS、GPS、組合BDS+GPS 3種模式計(jì)算了超高層樓頂監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)，并與GAMIT結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明BDS定位結(jié)果穩(wěn)定性稍差于GPS和組合BDS+GPS定位結(jié)果，但也滿足超高層樓頂監(jiān)測要求。此外，超高層樓頂監(jiān)測點(diǎn)平差后的GNSS平面坐標(biāo)是沿法線投影到地面控制施工控制網(wǎng)坐標(biāo)系所在的高程投影面，由于垂線偏差的影響，平差后的施工樓層監(jiān)測點(diǎn)平面坐標(biāo)與對(duì)應(yīng)的已知地面點(diǎn)平面坐標(biāo)之間存在明顯差異，需要對(duì)平差后的坐標(biāo)進(jìn)行垂線偏差改正，改正后坐標(biāo)與已知坐標(biāo)差異滿足工程施工要求，表明采用北斗技術(shù)進(jìn)行超高層建筑監(jiān)測和基準(zhǔn)傳遞工作具有可行性。

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Point Monitoring Analysis of Super High Rise Building Based on BDS+GPS Technology

WANG Yong1,2，LIN Cairong3，GUO Jiming1,2，YIN Chaofan3，ZHANG Di1,2

(1. School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 2. Key Laboratory of Precise Engineering and Industry Surveying of SBSM, Wuhan 430079, China; 3. The Second Construction Co. Ltd of China Construction Third Bureau, Wuhan 430079, China)

In the monitoring of super high-rise buildings, the ground control points are used to upward transfer as the measuring datum by laser shots. In order to avoid the excessive errors of the casting points, the BDS+GPS technology is adopted to monitor the points’ accuracy. This paper gives the corresponding strategies of data processing in high-rise building monitoring using BDS+GPS technology, with the comparative analysis of the difference among the BDS, GPS, combined BDS+GPS system and the ground point coordinates, which indicate that GPS and combined BDS+GPS have approximate accuracy, and BDS positioning performance is slightly worse. The BDS technology can meet the super high monitoring accuracy requirements, and super high-rise building datum transfer work has a certain feasibility of using BDS technology.

super high-rise building; BDS; GPS; monitoring

王勇，林財(cái)榮，郭際明,等.BDS+GPS技術(shù)支持下的超高層建筑施工投點(diǎn)監(jiān)測分析[J].測繪通報(bào)，2017(6)：5-8.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0178.

2016-11-03；

2017-01-12

國家自然科學(xué)基金(41474004)；中建三局集團(tuán)有限公司武漢綠地中心科研項(xiàng)目(WH-LDZX-ZY-078)

王 勇(1992—)，男，碩士生，主要從事高精度GNSS數(shù)據(jù)處理。E-mail：13006373891@163.com

P228

A

0494-0911(2017)06-0005-04