關(guān)于GPS空間定位在高層建筑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李川寧，馬霄鵬

（寧夏回族自治區(qū)地球物理地球化學(xué)勘查院，銀川750001）

1 引言

高層建筑項(xiàng)目的數(shù)量和規(guī)模與日俱增，在對(duì)其變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程當(dāng)中，需要加強(qiáng)對(duì)GPS技術(shù)的運(yùn)用，該技術(shù)不僅可以在土地滑坡、風(fēng)電場(chǎng)、航空攝影、超大堆積體儲(chǔ)量計(jì)算、車(chē)輛導(dǎo)航、線路勘測(cè)定位等方面起到實(shí)際作用，在城市工程項(xiàng)目測(cè)量過(guò)程當(dāng)中，特別是在變形測(cè)量工作開(kāi)展的過(guò)程中，合理應(yīng)用GPS技術(shù)能夠獲取相應(yīng)科學(xué)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。GPS技術(shù)除了具有高、精、準(zhǔn)、快、活的特點(diǎn)之外，還具有智能化特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足我國(guó)建筑工程項(xiàng)目施工質(zhì)量和施工水平升級(jí)之需，切實(shí)保障建筑工程項(xiàng)目的順利開(kāi)展和實(shí)施。

2 GPS技術(shù)概述

目前，高層建筑已成為城市建筑當(dāng)中的重要角色，針對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行分析，項(xiàng)目需要加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)工作，然而由于其本身結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，這樣就給工作人員開(kāi)展變形監(jiān)測(cè)工作造成了一定的困難，監(jiān)測(cè)工作開(kāi)展和實(shí)施的過(guò)程當(dāng)中需要強(qiáng)化對(duì)高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用。在某些方面逐步替代我國(guó)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，就測(cè)量地基沉降而言，雖然可以通過(guò)等級(jí)水準(zhǔn)、精密測(cè)角導(dǎo)線的幾何方式進(jìn)行測(cè)量，但常受通視條件、測(cè)量工作點(diǎn)遭到損毀、工作面內(nèi)交叉作業(yè)、施工環(huán)境的局限性等因素的影響，工作效率和有效工作量大幅降低。針對(duì)當(dāng)前高層建筑實(shí)際情況進(jìn)行分析，變形監(jiān)測(cè)工作相對(duì)復(fù)雜煩瑣。在實(shí)際工作的過(guò)程當(dāng)中，測(cè)量?jī)x器操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度偏大，應(yīng)用傳統(tǒng)方式難以切實(shí)保障自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的理想目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。在高層建筑變形監(jiān)測(cè)工作中大力推動(dòng)GPS技術(shù)的使用，可以針對(duì)水平位移情況進(jìn)行全面觀測(cè)，可以獲得誤差小于2mm 的精確數(shù)據(jù)，若在高層建筑變形監(jiān)測(cè)工作中結(jié)合其他新方法進(jìn)行應(yīng)用，可對(duì)于高層建筑的工期、成本、質(zhì)量安全有效控制，具有重大實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

GPS技術(shù)也被稱(chēng)為全球定位系統(tǒng)。對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量方式進(jìn)行分析，測(cè)量體系當(dāng)中的控制部分起主導(dǎo)作用，其能否全過(guò)程應(yīng)用，是否可以減輕外業(yè)工作負(fù)荷是廣大技術(shù)人員的探索目的。GPS技術(shù)主要包括常規(guī)大地測(cè)量法以及物理學(xué)傳感器的方法，其中，傳感器法能夠針對(duì)于局部變形情況進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方位具有一定的局限性。對(duì)于大地測(cè)量方式來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)大面積大范圍的測(cè)控，可配合傾斜攝影測(cè)量、高分遙感等技術(shù)完成云數(shù)據(jù)采集信息后的處理工作。目前，GPS技術(shù)的平面定位能力較強(qiáng)，對(duì)測(cè)區(qū)控制效果明顯，同時(shí)，具有較高精確度，可以全天候測(cè)量以及不受視線限制，得到了極為廣泛的運(yùn)用，但針對(duì)高程測(cè)量還需進(jìn)行水準(zhǔn)面精化，異常改正后的大地測(cè)量法可應(yīng)用在工程測(cè)量當(dāng)中，就其改正方法和適用條件而言，需具體情況具體分析。GPS技術(shù)和傳統(tǒng)建筑變形測(cè)量技術(shù)相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。首先，GPS技術(shù)操作較為便捷，不需要大量人力進(jìn)行操作；其次，測(cè)量時(shí)間較短，可以幾個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在同一時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，能夠顯著縮減測(cè)量的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)全目標(biāo)方位覆蓋，同時(shí)，可跨越線路障礙、降低作業(yè)施工風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省成本；最后，測(cè)量的過(guò)程當(dāng)中，不會(huì)受外界環(huán)境及天氣狀況的影響和限制，保障了測(cè)量工作順利開(kāi)展實(shí)施。當(dāng)前，在國(guó)土資源調(diào)查、時(shí)空建模、數(shù)字框架建立、智能化運(yùn)行當(dāng)中GPS技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

3 GPS技術(shù)的監(jiān)測(cè)模式

3.1 周期性監(jiān)測(cè)模式

在變形監(jiān)測(cè)的過(guò)程當(dāng)中應(yīng)用GPS技術(shù)是一種效果較好的方式，若是需要采用GPS靜態(tài)定位方法對(duì)建筑物進(jìn)行測(cè)量，通?？梢栽诠潭ㄓ^測(cè)點(diǎn)放置兩臺(tái)以上的GPS接收器，這樣可以實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)，工作人員采用這樣的方式可以對(duì)于數(shù)據(jù)采集平面精度要求較高的地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)，有利于提高高程改正值的確定精度，值得推廣和應(yīng)用。

3.2 連續(xù)性監(jiān)測(cè)模式

連續(xù)性監(jiān)測(cè)模式主要就是相關(guān)作業(yè)人員采用監(jiān)測(cè)儀器針對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集，這樣可以充分了解高層建筑物的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)的過(guò)程當(dāng)中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)往往都是連續(xù)不斷的。在不同的時(shí)間段，分辨率要求也是相對(duì)比較高的，由于受到了連續(xù)性監(jiān)測(cè)模式的影響，通過(guò)采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位以及靜態(tài)相對(duì)定位的方式針對(duì)高層建筑物開(kāi)展變形監(jiān)測(cè)工作，精度較高，誤差小于1mm。

4 GPS技術(shù)在高層建筑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

4.1 自動(dòng)化水平高

應(yīng)用GPS技術(shù)對(duì)高層建筑進(jìn)行監(jiān)測(cè)僅需要一名作業(yè)人員，在測(cè)量作業(yè)站當(dāng)中安裝天線，連接電源，啟動(dòng)接收機(jī)就可以開(kāi)始工作。變形監(jiān)測(cè)工作完成之后，相關(guān)的工作人員要關(guān)閉電源，并且回收接收機(jī)即可，同時(shí)，可以快速針對(duì)于變形監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有效地采集、儲(chǔ)存處理，為快速生成圖形創(chuàng)造條件。參見(jiàn)案例一、三。

4.2 誤差傳播可控性高，精度要求滿(mǎn)意度高（同等級(jí)別）

根據(jù)建筑物的基坑等級(jí)和主體總高，針對(duì)當(dāng)前高層建筑軸線距離以及接收機(jī)距離間隔進(jìn)行分析，若距離小于15km，精度可以達(dá)到毫米級(jí)別。5km 布設(shè)四點(diǎn)聯(lián)測(cè)樓體基準(zhǔn)線端點(diǎn)，逐層觀測(cè)、解算、校正。據(jù)雙頻機(jī)的標(biāo)稱(chēng)精度進(jìn)行選擇，基線向量最高可控制到3-5×ppm 內(nèi)，針對(duì)于變形監(jiān)測(cè)工作人員而言，可以采取科學(xué)合理的觀測(cè)方法以及運(yùn)用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件，這樣可以促使變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度達(dá)到2mm 級(jí)別，切實(shí)保障監(jiān)測(cè)的有效性和監(jiān)測(cè)的精度。參見(jiàn)案例二、三。

4.3 觀測(cè)系統(tǒng)（采集）復(fù)位迅速，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（后處理）修復(fù)功能強(qiáng)大

針對(duì)高層建筑開(kāi)展變形監(jiān)測(cè)工作的過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)采用GPS技術(shù)能夠有效地控制誤差，相關(guān)的作業(yè)人員在實(shí)際測(cè)量過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)切實(shí)保障天線始終處于穩(wěn)定的狀態(tài)，在這樣的情況下接收器接收數(shù)據(jù)的誤差極小，對(duì)于大面積同精度觀測(cè)，誤差傳播量級(jí)減緩且離散性分布趨于均勻化。參見(jiàn)案例三。

4.4 GPS測(cè)量步驟，施測(cè)效果對(duì)比表格，高層變形測(cè)量三維要素圖

案例一，1：5萬(wàn)重力。因在大面積丘嶺地區(qū)進(jìn)行物探勘測(cè)（導(dǎo)線、水準(zhǔn)測(cè)量）困難。首次應(yīng)用GPS靜態(tài)RTK 方法代替四等水準(zhǔn)、經(jīng)緯儀導(dǎo)線測(cè)量方式，采集物理工作點(diǎn)三維坐標(biāo)。

案例二，農(nóng)村土地確權(quán)。因云層掩蓋和精度要求，確權(quán)調(diào)查放棄衛(wèi)片使用。及時(shí)采取1：2000 航攝影，使用RTK 方法進(jìn)行航片像控點(diǎn)外業(yè)測(cè)量，室內(nèi)“空三加密”解算，完成正射影像（DOM）圖。

案例三，萬(wàn)豪大廈。因基準(zhǔn)線報(bào)廢（擾動(dòng)）、工作基點(diǎn)不通視（場(chǎng)地封閉）、垂準(zhǔn)線洞口不可用（被堆載物遮蓋），地上50m處停工。大膽設(shè)計(jì)、精心施測(cè)，應(yīng)用GPS技術(shù)進(jìn)行基線復(fù)位、基點(diǎn)上移、標(biāo)高面精確傳導(dǎo)，直到216m 處主體封頂，解決施工測(cè)量難題后，受到甲方認(rèn)可和同行業(yè)肯定。

圖1 GPS測(cè)量步驟

4.5 應(yīng)用前景廣

對(duì)某地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害已發(fā)生或未發(fā)生進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)具有時(shí)效性和預(yù)判性，相對(duì)宏觀平面控制點(diǎn)、微觀物理點(diǎn)在三維控制方面具有可控性和重復(fù)觀測(cè)性特點(diǎn)，便于確立深遠(yuǎn)部探測(cè)的信息回饋路徑，完善局部的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)的可追朔方式，定量分析，協(xié)助進(jìn)行物理“靶點(diǎn)”的分布規(guī)律和性質(zhì)的判定。在理論研究方面，準(zhǔn)確定位布設(shè)精密測(cè)量，更方便對(duì)移動(dòng)變化物體的數(shù)量和走勢(shì)進(jìn)行判斷，為基礎(chǔ)學(xué)科研究中偏離基礎(chǔ)點(diǎn)、線、面的位移量的測(cè)量提供科學(xué)依據(jù)。積極倡導(dǎo)“三新”、應(yīng)用“三S”，借助北斗超低延遲、機(jī)械遠(yuǎn)程把控功能，介入高分、遙感測(cè)繪平臺(tái)，融合各種觀測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)備通道兼容互換互聯(lián)，依托制造業(yè)發(fā)展帶動(dòng)相關(guān)儀器裝備更新?lián)Q代，推進(jìn)整裝開(kāi)發(fā)科研項(xiàng)目，提高地球資源利用率，實(shí)現(xiàn)并完成：一張圖、一張網(wǎng)、全覆蓋的愿景。伴隨“5G”時(shí)代的到來(lái)，科學(xué)技術(shù)在人類(lèi)命運(yùn)共同體的大環(huán)境中高速發(fā)展，GPS測(cè)量是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力解放并建立共享機(jī)制的手段之一，起到重要的紐帶作用。

表1 工程項(xiàng)目施測(cè)計(jì)劃與方法變更投入產(chǎn)出對(duì)比表（實(shí)例）

圖2 寧夏固原地區(qū)1:5萬(wàn)重力調(diào)查測(cè)區(qū)控制網(wǎng)布置圖

圖3 寧夏耕地分布圖

圖4 GPS定位-萬(wàn)豪大廈

GPS技術(shù)的應(yīng)用精度較高，誤差極小，在全球范圍內(nèi)GPS技術(shù)得到了極為廣泛的運(yùn)用。在高層建筑變形監(jiān)測(cè)工作的過(guò)程當(dāng)中，利用GPS技術(shù)能夠促使變形監(jiān)測(cè)工作強(qiáng)度降低，縮短監(jiān)測(cè)時(shí)間，使優(yōu)化技術(shù)方案和改善技術(shù)線路得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，提高了監(jiān)測(cè)的水平和效率。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)斗衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)射數(shù)量增加、組網(wǎng)精度提升，以及當(dāng)前建筑工程項(xiàng)目的使用功能日益加強(qiáng)，城市化進(jìn)程日益加快，城市高層建筑數(shù)量與日俱增。為了切實(shí)保障高層建筑的整體質(zhì)量水平，技術(shù)人員需要強(qiáng)化對(duì)變形監(jiān)測(cè)工作的創(chuàng)新性研究，充分應(yīng)用GPS技術(shù)是時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)，工作過(guò)程當(dāng)中應(yīng)取長(zhǎng)補(bǔ)短，保留原創(chuàng)性理論，運(yùn)用GPS技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)（傳統(tǒng)的測(cè)量工具不僅適應(yīng)度偏低，而且工作效率較為低下，同時(shí)，應(yīng)用成本較高），在拓展測(cè)量模型兼容性、碎片化信息數(shù)據(jù)處理、測(cè)量觀測(cè)系統(tǒng)的維護(hù)和修復(fù)、現(xiàn)狀產(chǎn)生過(guò)程的反演，以及事物發(fā)展機(jī)理的預(yù)判和決策、結(jié)論成果的驗(yàn)證復(fù)核、全過(guò)程“長(zhǎng)觀”監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面工作的開(kāi)展過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)資源綜合利用、共享測(cè)繪成果，為一張網(wǎng)、一張圖的數(shù)據(jù)信息積累和二次開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行持續(xù)探索，應(yīng)用專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的智慧服務(wù)于社會(huì)，GPS技術(shù)的應(yīng)用值得深入實(shí)踐和理論研究。