GPS測量及其變形監(jiān)測分析

張 輝

（安徽省核工業(yè)勘查技術(shù)總院，安徽 蕪湖 241002）

1 GPS在變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究背景概述

當(dāng)今社會(huì)發(fā)展越來越快，生產(chǎn)也正以飛速的形式發(fā)展，與此同時(shí)出現(xiàn)了各類大型的工程建筑，普通人們的生活水平也跟著不斷提高，這就意味著人們對(duì)生產(chǎn)安全以及生產(chǎn)效率方面的要求自然而然就會(huì)有所提高，從而變形監(jiān)測這一工作就變得具有很大的影響力[1]。就傳統(tǒng)測量方式來說，一方面它的工作量極其大，另一方面所測精度也不容易滿足要求，GPS測量是一種嶄新的當(dāng)代空間定位技術(shù)，它的這一優(yōu)勢使得在實(shí)際工作中作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的測量儀器[2]。應(yīng)用GPS測量時(shí)，各測站點(diǎn)間不必要求通視、定位精度高，全天候作業(yè)、給出三維坐標(biāo)、觀測時(shí)間不長，能夠測量到廣泛的領(lǐng)域，已作為當(dāng)代的主要測量手段，從而GPS技術(shù)在變形監(jiān)測中占有了舉足輕重的地位。

2 GPS技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 變形監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計(jì)步驟

①監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)：需要遵循必要、適量、最能反映變形體的變形和方便觀測的原則。②平面控制網(wǎng)在布設(shè)過程中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：首先應(yīng)該根據(jù)變形監(jiān)測對(duì)象的不同特征布設(shè)與其特點(diǎn)對(duì)應(yīng)且匹配的控制網(wǎng)。比如大型建筑物，首選應(yīng)當(dāng)安排三角網(wǎng)和邊角網(wǎng)的布網(wǎng)形式；而就小型建筑物而言，就應(yīng)該選用監(jiān)測基線或單點(diǎn)形式布網(wǎng)控制[3]。

2.2 控制網(wǎng)的建立

所謂的GPS控制網(wǎng)就是指利用全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位的技術(shù)建立起來。這樣建立起來的控制網(wǎng)有著不一般的特點(diǎn)，如下：①GPS控制網(wǎng)的建立所采用的方法正是相對(duì)定位的方法，顧名思義，按照相對(duì)定位的原理來說就是需要多臺(tái)接收機(jī)實(shí)行同步觀測，然后利用載波相位測量來定出所選測站點(diǎn)間的相對(duì)位置；②測站間無須通視，我們可以靈活的來選擇需要的一些測站點(diǎn)；③使用GPS工作時(shí)，在一天24小時(shí)內(nèi)都可以正常工作，也不管是刮風(fēng)還是下雨，都不會(huì)阻礙到觀測的進(jìn)行，自然也就不會(huì)打亂已有的安排，一切按規(guī)定好的計(jì)劃順利進(jìn)行；④采用GPSG觀測時(shí)，不用持續(xù)很長時(shí)間，觀測時(shí)間短，同樣可以得到比較好的觀測結(jié)果；⑤實(shí)際工作中，我們用GPS接收機(jī)來工作時(shí)，不需要人員來記錄數(shù)據(jù)，它可以自動(dòng)的把觀測數(shù)據(jù)記錄下來，省時(shí)省力，自動(dòng)化程度頗高。

至今為止我們一般都將GPS控制網(wǎng)劃分為兩大類：其中一類是比較高精度的控制網(wǎng)，它涉及的范圍比較大，一般來說的話都是國家或者是區(qū)域性的。這一類GPS控制網(wǎng)主要是用來作為最高級(jí)最為參考性的控制網(wǎng)，服務(wù)于一些科學(xué)方面的研究；還可以是用來研究地區(qū)性的一些板塊運(yùn)動(dòng)問題等。還有一類就是所涉及的范圍小一點(diǎn)的GPS控制網(wǎng)，我們稱之為局部性的GPS控制網(wǎng)，比如一些城市啊，或者礦區(qū)之類的控制網(wǎng)，然而，這類控制網(wǎng)與第一類控制網(wǎng)不同，在這類控制網(wǎng)中，我們所選的測站點(diǎn)之間的距離沒有像第一種那么遠(yuǎn)，一般幾公里或者數(shù)十公里就夠了，此類控制網(wǎng)主要用來服務(wù)于城市建設(shè)方面[4]。

一個(gè)完整的GPS控制網(wǎng)的建立有外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分。外業(yè)工作時(shí)，首先去野外踏勘選點(diǎn)、埋石建標(biāo)，之后是在所選的站點(diǎn)上進(jìn)行實(shí)際觀測工作；內(nèi)業(yè)工作時(shí)，主要是一些GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)方面的問題以及數(shù)據(jù)處理，最后寫總結(jié)報(bào)告。

2.3 GPS控制網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)GPS控制網(wǎng)時(shí)，應(yīng)該首先想到的是所涉及的該控制網(wǎng)的能夠滿足的大概應(yīng)用的范圍，采用分級(jí)布網(wǎng)的方案。對(duì)于一個(gè)GPS網(wǎng)來說，它本身是具有可靠性的，因此我們在實(shí)際工作中應(yīng)盡可能地提高可靠性，為此我們可以將每一級(jí)的GPS網(wǎng)都弄成是由獨(dú)立基線邊所組合而成的閉合網(wǎng)，包括一些三角形網(wǎng)，四邊形網(wǎng)，或者是多邊形網(wǎng)，甚至也允許是附和路線的存在，但是，GPS網(wǎng)中不允許存在支線[5]。

3 GPS變形監(jiān)測網(wǎng)的平差

3.1 GPS變形監(jiān)測網(wǎng)的平差基準(zhǔn)

在監(jiān)測網(wǎng)的平差計(jì)算過程中，首先必須確定計(jì)算的起算數(shù)據(jù)，未知參數(shù)的平差值要求必須先確定而不是通過觀測值算出，起算數(shù)據(jù)又稱為平差基準(zhǔn)。監(jiān)測網(wǎng)可選基準(zhǔn)有以下三種：①固定基準(zhǔn)；②擬穩(wěn)基準(zhǔn)；③重心基準(zhǔn)。首先，固定基準(zhǔn)選用原則為：在遠(yuǎn)離形變區(qū)域的監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)有穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)，則應(yīng)選用這些穩(wěn)定基點(diǎn)為平差基準(zhǔn)，基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)在平差前后數(shù)據(jù)保持不變。其次，監(jiān)測網(wǎng)如果有較其他點(diǎn)穩(wěn)定的基點(diǎn)，平差基準(zhǔn)則應(yīng)選用這些相對(duì)穩(wěn)定基點(diǎn)的重心坐標(biāo)，基準(zhǔn)點(diǎn)的重心坐標(biāo)在平差前后數(shù)據(jù)將保持不變。最后，如果監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)沒有穩(wěn)定或點(diǎn)穩(wěn)定性不明，無法確定選用基點(diǎn)時(shí)，將監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)所有點(diǎn)做為待定點(diǎn)，將監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)所有點(diǎn)的重心坐標(biāo)平差后作為監(jiān)測網(wǎng)基準(zhǔn)。

3.2 監(jiān)測網(wǎng)平差模型

靜態(tài)平差為現(xiàn)如今GPS變形監(jiān)測網(wǎng)平差方法采用最多的計(jì)算方法。GPS變形監(jiān)測網(wǎng)靜態(tài)模型原理：按照最小二乘原理進(jìn)行平差計(jì)算，計(jì)算過程為：

變形監(jiān)測過程紅中，觀測值的平差結(jié)果受平差方法及基準(zhǔn)選取的影響，而平差結(jié)果又直接影響位移分析的結(jié)果。因此，基準(zhǔn)的選擇及平差方法的選取方式及準(zhǔn)確性應(yīng)格外注意，因?yàn)槠涫亲冃伪O(jiān)測的重要指標(biāo)。

3.3 GPS高程的原理與擬合模型

GPS測量中的高程異常的問題主要通過GPS高程系統(tǒng)解決。我國采用的是正常高系統(tǒng)，GPS測量過程可直接獲得的數(shù)據(jù)為大地高。重力法與GPS水準(zhǔn)儀法是當(dāng)前我國解決高程異常中最常用的方法。GPS水準(zhǔn)法在測量精度上較重力法高，但在山區(qū)及水準(zhǔn)測量傳遞困難的地區(qū)重力發(fā)仍然是工作中首選。

變形監(jiān)測過程中，主要監(jiān)測手段是通過采集監(jiān)測單元的高程數(shù)據(jù)變化，判斷構(gòu)筑物是否有沉降情況的發(fā)生，通過GPS觀測獲取高程數(shù)據(jù)大大提高了測量效率。但是由于采用GPS測定的高程是大地高，而我國高程系統(tǒng)采用的是相對(duì)于大地水準(zhǔn)面的正常高。為了獲得我們常用的正常高結(jié)果，需要采用GPS測高結(jié)合水準(zhǔn)高程測量的方法進(jìn)行GPS高程擬合，求取高程異常數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得正常高。

圖1 高程系統(tǒng)之間的關(guān)系