BDS+GPS技術(shù)支持下的超高層建筑施工投點監(jiān)測分析

王 勇，林財榮，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監(jiān)測分析

王 勇1,2，林財榮3，郭際明1,2，尹超凡3，章 迪1,2

(1. 武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079； 2. 精密工程測量實驗室，湖北 武漢 430079； 3. 中建三局第二建設(shè)工程有限責任公司，湖北 武漢 430079)

超高層建筑施工中常采用激光投點儀向上傳遞地面控制點作為測量基準。為了避免投點誤差過大，本文采用BDS+GPS技術(shù)進行組網(wǎng)監(jiān)測其投點精度，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，對比分析了BDS、GPS及組合BDS+GPS 3系統(tǒng)之間，以及與激光投點前地面點坐標之間的差異。結(jié)果表明，GPS和BDS+GPS組合系統(tǒng)定位精度相當，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)進行超高層建筑基準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，需要將地面控制點逐層向上傳遞，目前主要是利用激光投點儀將控制點垂直投射到施工所在的頂部樓層。但激光投點儀的投射距離有限，對于超過200 m甚至更高的建筑，需要分段向上傳遞投點，這會造成投點誤差累積，且施工現(xiàn)場環(huán)境復雜，投點過程中需要清除大量障礙物，嚴重影響作業(yè)效率，對于夜間工作也存在著安全隱患。

相對于利用激光投點儀進行坐標傳遞，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、工作時間不受限制等優(yōu)點[1-2]。北斗導航定

位系統(tǒng)(BDS)是我國獨立研制的衛(wèi)星導航定位系統(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、導航及授時功能(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)用還相對較少。

本文以武漢綠地中心超高層建筑項目為依托，采用BDS+GPS技術(shù)對激光投點位置進行觀測和分析，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，一方面較好地對激光投點精度進行了監(jiān)測，另一方面也驗證了我國的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

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

(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，對流層誤差難以完全通過雙差消除，本文對殘余對流層誤差采用參數(shù)估計進一步削弱其影響[9-10]。

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

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)測點平面坐標的解算精度主要取決于基線解算的精度?；€解算采用武漢大學自主研制的軟件CosaBaseline及由美國麻省理工學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是單條基線獨立解算，可以進行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GPS數(shù)據(jù)進行處理得到GPS基線解，作為參考依據(jù)。

網(wǎng)平差采用武漢大學自主研制的高精度數(shù)據(jù)處理軟件CosaGPS。首先進行三維無約束平差，得到各點的空間直角坐標；然后進行固定一點一方向二維平差，得到各點在施工坐標系中的平面坐標。

1.3 垂線偏差改正

地面一點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)測點是由激光投點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)測點的平面坐標是沿法線方向投影到地面施工坐標系的高程投影面。由于超高層建筑頂部高程較大，垂線偏差影響不容忽視，因此需要對平差后的平面坐標進行垂線偏差改正[14-15]。

2 試驗分析

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)，同時期的樓高分別為210和310 m，該超高層建筑建成后將達到636 m，是世界第三高樓。試驗儀器采用天寶NetR9接收機和大地型天線Zephyr Geodetic model 2，同時接收北斗和GPS數(shù)據(jù)。試驗觀測網(wǎng)如圖1所示，其中點D001、D005、D006是位于超高層建筑周圍穩(wěn)定點上的強制對中觀測墩；點BD08是位于超高層建筑樓頂?shù)谋O(jiān)測點，是激光投點儀投射點。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D005作為基準站，超高層樓頂監(jiān)測點BD08作為監(jiān)測站，按照5 s的時間間隔對GPS數(shù)據(jù)進行解算，剔除浮點解并采用高階多項式對北(N)、東(E)坐標時間序列進行擬合，以擬合曲線作為標準，計算兩期N、E坐標的中誤差，即

(1)

將兩期解算與擬合相對應(yīng)的N、E坐標求差，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BD08的N、E坐標在剔除浮點解和粗差并減去平均值后的時間序列圖，圖中黑色曲線是采用高階多項式擬合的坐標變化趨勢線。

圖2 監(jiān)測點N、E坐標變化時間序列

從圖2可以看出，兩期監(jiān)測點BD08在監(jiān)測時間內(nèi)，N、E坐標整體上在均值上下約2 cm范圍內(nèi)隨機波動。經(jīng)統(tǒng)計，第一期監(jiān)測點N、E坐標平均值分別為-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坐標最大值與最小值差值分別為4.7、5.2 mm。第二期監(jiān)測點N、E坐標平均值分別為-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N、E坐標時間序列符合白噪聲規(guī)律，中誤差均在毫米級，擬合趨勢線整體上較為平穩(wěn)。因此可以認為兩期觀測時間內(nèi)樓頂監(jiān)測點位置沒有變化，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BD08利用CosaBaseline計算的BDS、GPS和組合BDS+GPS 3種模式的定位結(jié)果與GAMIT結(jié)果進行比較分析，比較結(jié)果如圖3所示。從坐標差值結(jié)果統(tǒng)計圖中可以看出，兩期監(jiān)測點N、E坐標與GAMIT結(jié)果差值均小于3 mm，其中第一期采用BDS計算的N坐標差值最大，為-2.7 mm，其他坐標差值均小于2 mm。整體來說，GPS和組合BDS+GPS兩種模式定位精度相當，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

2.3.2 外符合精度分析

將兩期超高層樓頂監(jiān)測點平差后的平面坐標與對應(yīng)的地面點已知坐標進行對比分析。超高層建筑所占面積相對較小，屬于局部區(qū)域，認為該區(qū)域內(nèi)各點垂線偏差相同，根據(jù)EGM2008模型計算得到該區(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模式計算的監(jiān)測點BD08在垂線偏差改正前后的坐標與對應(yīng)的地面點已知坐標進行求差，差值結(jié)果統(tǒng)計如圖4所示?？梢钥闯?，兩期未經(jīng)垂線偏差改正的N坐標與投點之前已知N坐標的差值分別為-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坐標與投點之前已知E坐標的差值分別為-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)果與已知坐標差值統(tǒng)計

綜上所述，經(jīng)過垂線偏差改正后的坐標與已知坐標差值均在毫米級，滿足工程施工需求，說明利用北斗技術(shù)進行超高層建筑基準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種模式計算了超高層樓頂監(jiān)測點的坐標，并與GAMIT結(jié)果進行了比較，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)測點平差后的GNSS平面坐標是沿法線投影到地面控制施工控制網(wǎng)坐標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)測點平面坐標與對應(yīng)的已知地面點平面坐標之間存在明顯差異，需要對平差后的坐標進行垂線偏差改正，改正后坐標與已知坐標差異滿足工程施工要求，表明采用北斗技術(shù)進行超高層建筑監(jiān)測和基準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，林財榮，郭際明,等.BDS+GPS技術(shù)支持下的超高層建筑施工投點監(jiān)測分析[J].測繪通報，2017(6)：5-8.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0178.

2016-11-03；

2017-01-12

國家自然科學基金(41474004)；中建三局集團有限公司武漢綠地中心科研項目(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

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0494-0911(2017)06-0005-04