工程建筑物的GPS動態(tài)監(jiān)測研究

紀(jì)明東

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1 研究背景

現(xiàn)代工程建筑物在規(guī)范、造型、難度方面提出了更高的要求，工程建筑物變形監(jiān)測也成為了工程建設(shè)工作中的重中之重。在溫度變化、荷載變化以及強(qiáng)風(fēng)、地震等因素的影響下，許多大型工程建筑物諸如大橋、高層建筑物和大壩等都會產(chǎn)生震動和發(fā)生位移，嚴(yán)重的甚至?xí)械顾鹿实漠a(chǎn)生。這種情況之下，科學(xué)、有效、實(shí)時(shí)地監(jiān)測以及預(yù)報(bào)工程和結(jié)構(gòu)建筑物的變形狀況，對于工程建筑物的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營管理就顯得尤為重要，而這一工作便屬于變形監(jiān)測的范疇。

回顧國內(nèi)外變形監(jiān)測技術(shù)幾十年來發(fā)展的歷史，由于知識水平的局限性和技術(shù)條件的限制，在過去傳統(tǒng)的工程建筑物變形監(jiān)測方法主要是加速度計(jì)法、激光干涉儀法，位移傳感器測試法和全站儀測試法等。這些方法雖然能夠達(dá)到變形監(jiān)測的目的，但也存在一定的弊端：不能同時(shí)測定不同監(jiān)測點(diǎn)位移，位移量比較大時(shí)觀測困難；很難實(shí)時(shí)的得到觀測值；對于高大的建筑物，特別在強(qiáng)風(fēng)、大雨的條件下，跟蹤目標(biāo)困難等等?？偠灾S著工程建筑物在規(guī)范、造型、難度方面越來越高的要求，傳統(tǒng)的變形監(jiān)測技術(shù)手段已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工程建筑物動態(tài)監(jiān)測的需要，在這種情況下連續(xù)、實(shí)時(shí)和自動監(jiān)測的GPS動態(tài)監(jiān)測技術(shù)手段也應(yīng)運(yùn)而生。

2 研究意義

由于大型建(構(gòu))筑物在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要性，其安全問題受到普遍關(guān)注。現(xiàn)代工程建筑物在建設(shè)規(guī)模和難度方面越來越大，工程造價(jià)和預(yù)算也水漲船高，工程的安全性和精密度也越來越高。在這種前提下，一旦由于某些不確定性的因素而引起人員或者財(cái)產(chǎn)上的損害，其后果將不堪設(shè)想。因此，準(zhǔn)確地掌握各類工程的變形狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測和防治工程災(zāi)害的目的，顯得十分重要。工程建筑物GPS動態(tài)監(jiān)測的主要目的和意義具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 科學(xué)、準(zhǔn)確、及時(shí)的分析和預(yù)報(bào)建筑物的安全狀態(tài)

由于所處地理位置地質(zhì)構(gòu)造的變化、工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外界溫度條件、天氣因素、工程建筑物自重和振動等方面因素的影響，工程建筑物及其設(shè)備在施工建設(shè)和運(yùn)營管理階段都會發(fā)生一定程度的變形，如工程建筑物整體或局部的水平位移、垂直位移、滲透以及裂縫等。在合理的變形限度之內(nèi)，這些情況不影響工程建筑物的正常使用，但是如果超出了變形限度，那么就會影響工程建筑物的正常工作，嚴(yán)重的甚至?xí)鹂逅⒈懒训葮O端情況的發(fā)生。因此，科學(xué)、準(zhǔn)確、及時(shí)的分析和預(yù)報(bào)建筑物的安全狀態(tài)，對于大型工程建筑物的安全使用具有重要的意義。

(2) 驗(yàn)證設(shè)計(jì)原理，反饋施工質(zhì)量

回顧國內(nèi)外許多工程建設(shè)案例，有很多都因?yàn)樵O(shè)計(jì)原因或者是因?yàn)槭┕べ|(zhì)量不達(dá)標(biāo)而導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。變形監(jiān)測不僅能監(jiān)視建(構(gòu))筑物的安全狀態(tài)，而且其結(jié)果也是對設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，同時(shí)起到反饋施工質(zhì)量的重要作用，為改進(jìn)設(shè)計(jì)和科學(xué)研究提供重要的資料和依據(jù)。

(3) 研究變形規(guī)律，進(jìn)行合理分析和預(yù)報(bào)

各類工程建筑物變形有一定的規(guī)律，通過對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理可以對各類工程建筑物的變形規(guī)律做客觀系統(tǒng)的評價(jià)，更好的掌握各類工程建筑物的變形機(jī)制和原理，給出合理的解釋，建立合理的變形監(jiān)測預(yù)報(bào)模型。

3 GPS 動態(tài)監(jiān)測技術(shù)較傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法的優(yōu)點(diǎn)

在現(xiàn)代工程建筑物變形監(jiān)測方面，采用GPS動態(tài)監(jiān)測技術(shù)有許多傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢：

(1) 即使在惡劣的氣候條件的影響下，觀測仍可以正常進(jìn)行，觀測不受氣候條件的制約。

(2) 基準(zhǔn)站和監(jiān)測站之間無需保持通視，在布設(shè)變形監(jiān)測網(wǎng)時(shí)可以更加的自由和靈活。

(3) 既能夠采用人工手段進(jìn)行周期性監(jiān)測，也可以實(shí)現(xiàn)長期連續(xù)的實(shí)時(shí)自動監(jiān)測。采用后一種監(jiān)測方式時(shí)，從數(shù)據(jù)采集，處理分析到資料整理存檔都能夠全程自動化進(jìn)行。

(4) 與傳統(tǒng)的常規(guī)變形監(jiān)測方式相比較，其還擁有定位精度高，效率高等優(yōu)點(diǎn)。總而言之，GPS定位測量的這些優(yōu)點(diǎn)為對大型工程建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)，高精度的動態(tài)監(jiān)測提供了很好的技術(shù)條件。

4 國內(nèi)外研究與發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢

4.1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，變形監(jiān)測方法和技術(shù)正由傳統(tǒng)的單一監(jiān)測模式向點(diǎn)、線、面立體交叉的空間模式轉(zhuǎn)變。工程建筑物變形監(jiān)測的方法主要有常規(guī)大地測量方法，高精度地面監(jiān)測方法（如測量機(jī)器人）、地面攝影測量方法、GPS動態(tài)監(jiān)測及自動化系統(tǒng)、三維激光掃面技術(shù)和特殊的測量手段（應(yīng)變測量、準(zhǔn)直測量、傾斜測量）等。隨著測繪科學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)以及雷達(dá)激光技術(shù)等的發(fā)展革新，近些年來工程建筑物動態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域國際國內(nèi)研究的熱點(diǎn)也由傳統(tǒng)的變形監(jiān)測技術(shù)轉(zhuǎn)變到新興的GPS 技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)(INSAR)、計(jì)算機(jī)層析成像(CT)技術(shù)、激光掃描技術(shù)等，并且把這些技術(shù)廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測的各個(gè)領(lǐng)域。工程建筑物GPS動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，是目前廣泛采用的變形監(jiān)測新方法、新技術(shù)之一。全球定位系統(tǒng)GPS技術(shù)的應(yīng)用是測量技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性變革，它憑借測站之間不需要相互通視、測量速度快、不受天氣條件影響、可全天候作業(yè)、實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測、操作簡便可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測自動化等一系列優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)研究等眾多領(lǐng)域，是測繪科學(xué)技術(shù)和測量技術(shù)改革和創(chuàng)新的新的方向，其廣泛的適用性和優(yōu)異的性能，是傳統(tǒng)常規(guī)測量作業(yè)難以比擬的。GPS技術(shù)作為一種新的變形監(jiān)測方法，憑借其完善的硬件和軟件系統(tǒng)，特別是高采樣率GPS接收機(jī)的出現(xiàn)，在大型工程建筑物的動態(tài)特性研究和變形監(jiān)測方面已經(jīng)表現(xiàn)出了其獨(dú)特的優(yōu)越性能。

在工程測量方面，利用GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)布設(shè)精密工程控制網(wǎng)，在水電大壩動態(tài)監(jiān)測、大型高層建筑物安全預(yù)報(bào)分析、隧道貫通測量、城市和礦區(qū)地面沉降監(jiān)測方面得到了廣泛的應(yīng)用。利用GPS RTK 技術(shù)加密測圖控制點(diǎn)，也廣泛應(yīng)用于各種類型的比例尺地形圖的測繪工作和工程建設(shè)中的施工放樣工作中。

近些年來，一些大型工程建筑物已經(jīng)開展了成效顯著的GPS動態(tài)監(jiān)測試驗(yàn)與測試工作。在橋梁變形監(jiān)測方面，一些大跨度懸索橋或者斜拉橋（如廣東虎門大橋、浙江杭州灣大橋、香港青馬大橋）已經(jīng)嘗試安裝了GPS動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；大型工程建筑物安全預(yù)報(bào)分析方面，深圳帝王大廈的風(fēng)力振動特性采用了GPS進(jìn)行測量，加拿大加里(Calgary)塔在強(qiáng)風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)動態(tài)變形也采用了GPS動態(tài)監(jiān)測技術(shù)。正如Lοves所言，隨著GPS動態(tài)變形監(jiān)測技術(shù)能力的進(jìn)一步證實(shí)，這一技術(shù)可望被采納為測量結(jié)構(gòu)振動的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

4.2 發(fā)展趨勢

(1) 建立GPS實(shí)時(shí)在線動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)與GPS 全球定位技術(shù)相結(jié)合，對水電大壩、大型高層建筑物、大跨度橋梁和區(qū)域性地殼形變和地面沉降做實(shí)時(shí)動態(tài)的監(jiān)測，研究建立高效率的GPS動態(tài)監(jiān)測在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)是GPS動態(tài)監(jiān)測一個(gè)重要的發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)可以由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)組成，對于變形監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動化、智能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化的處理和分析，更加 注重時(shí)空模型和時(shí)頻分析，科學(xué)預(yù)報(bào)和分析工程建筑物和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變形狀況，從而達(dá)到減少災(zāi)害發(fā)生時(shí)帶來的財(cái)產(chǎn)和人員損失。

(2) 建立“3S”（GPS、GIS、RS）集成的變形監(jiān)測系統(tǒng)。隨著數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和空間定位技術(shù)、地球科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，“3S”（GPS、GIS、RS)技術(shù)已從各自獨(dú)立發(fā)展進(jìn)入相互集成融合的階段?！?S”技術(shù)的集成，可為研究、包括動態(tài)監(jiān)測信息在內(nèi)的各種災(zāi)變信息之間的相互關(guān)系提供技術(shù)支撐，這對地面沉降、山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)報(bào)具有非常重要的作用。

(3) 建立以數(shù)據(jù)庫、知識庫、方法庫和多媒體庫為主體的安全監(jiān)測專家系統(tǒng)。各類工程建筑物變形都有著一定的規(guī)律，通過對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理可以對各類工程建筑物的變形規(guī)律做客觀系統(tǒng)的評價(jià)，更好的掌握各類工程建筑物的變形機(jī)制和原理，給出合理的解釋。我們可以通過分析大量變形監(jiān)測案例，客觀分析整理出合理的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，建立安全監(jiān)測專家系統(tǒng)，這對各類工程建筑物變形狀況的安全預(yù)報(bào)和分析具有重要意義。

(4) 建立GPS與其他變形監(jiān)測技術(shù)集成的綜合變形監(jiān)測系統(tǒng)。由于各類變形監(jiān)測方法都有其優(yōu)點(diǎn)和不足，我們可以將各類方法整合起來形成優(yōu)勢互補(bǔ)，將GPS與其他變形監(jiān)測技術(shù)（如IN2SAR、攝影測量和特殊變形測量技術(shù)等）集成組合形成綜合變形監(jiān)測系統(tǒng)。這也為GPS等空間測地技術(shù)用于大型工程的變形監(jiān)測帶來了新的機(jī)遇，為推進(jìn)高精度變形監(jiān)測的研究注入新的活力。

5 結(jié)語

（1）GPS技術(shù)作為20世紀(jì)中后期興起了一門新的技術(shù)，其在工程建筑物動態(tài)監(jiān)測方面的發(fā)展?jié)摿薮?，尤其是通過GPS技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微波雷達(dá)技術(shù)等前沿技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用，相信不久的未來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)動態(tài)的監(jiān)控工程建筑物的安全狀況和變形特性將會成為可能。

（2）隨著“3S”技術(shù)（GPS、GIS、RS）的日益發(fā)展與完善，我們也可以建立3S集成技術(shù)，在今后進(jìn)行工程建筑物動態(tài)監(jiān)測方面綜合其他前沿的測繪科學(xué)與技術(shù)，取長補(bǔ)短、博采眾長，縮短專業(yè)測繪人員的工作量，真正意義上的實(shí)現(xiàn)人工智能測繪。

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