基于CORS的南寧高層建筑自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【摘要】為解決南寧城市建設(shè)中高層建筑物三維形變累積可能引發(fā)的安全隱患，基于CORS技術(shù)設(shè)計(jì)了一種高層建筑自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，在對(duì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理技術(shù)、成果展示方式進(jìn)行系統(tǒng)性研究的基礎(chǔ)上，提出的CORS框架下的靜態(tài)濾波解算處理方法實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)的監(jiān)測(cè)精度，并以樓頂型CORS站點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了模擬監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的技術(shù)可行性和監(jiān)測(cè)精度。該系統(tǒng)能夠滿足建筑物高精度變形監(jiān)測(cè)要求，可為城市高層建筑自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)提供有效幫助。

【關(guān)鍵詞】高層建筑;CORS;變形監(jiān)測(cè);自動(dòng)化

【中圖分類號(hào)】P204

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

1 GNSS及CORS技術(shù)背景介紹

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，一座座的摩天大樓如雨后春筍般拔地而起，逐漸成為城市經(jīng)濟(jì)繁榮標(biāo)志性特征。世界高層建筑與都市人居學(xué)會(huì)在2018年公布的研究報(bào)告顯示在2017年建成摩天大樓最多的城市中，南寧以7座超200m、總建成高度超過(guò)1600m的摩天大樓數(shù)據(jù)排在深圳之后，位居世界第二，而在建的天龍財(cái)富中心等項(xiàng)目，還在不斷地刷新首府南寧的天際線。然而建筑物在施工建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中，不可避免會(huì)受地下水結(jié)構(gòu)、氣溫變化、材料折損、載荷、風(fēng)振、日照等因素影響，發(fā)生水平位移、垂直升降等形變，特別是高層、超高層建筑，因基礎(chǔ)深、力矩大等特性，更容易產(chǎn)生并累積三維形變，從而引發(fā)建筑物傾斜、垮塌等重大安全事故，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重后果。因此，對(duì)高層建筑實(shí)施全生命周期自動(dòng)化監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。全方位了解建筑物三維形變狀況不僅可以快速發(fā)現(xiàn)建筑安全隱患，及早采取人工干預(yù)措施，切實(shí)保障高層建筑的使用安全，而且還有助于深入了解建筑物變形誘因、變形機(jī)制及發(fā)展規(guī)律，檢驗(yàn)和發(fā)展建筑設(shè)計(jì)相關(guān)理論、方法，并為之后的反饋設(shè)計(jì)和方案優(yōu)化提供詳實(shí)科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

CNSS技術(shù)的出現(xiàn)與日益發(fā)展，以其全天候、高精度、自動(dòng)化特點(diǎn)，已經(jīng)成為變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域最先進(jìn)、最重要的技術(shù)方法。再加上GNSS接收機(jī)等硬件設(shè)備的更新?lián)Q代和成本持續(xù)下降，CNSS技術(shù)應(yīng)用性價(jià)比也越來(lái)越高。特別是連續(xù)運(yùn)行參考站（ CORS）的建設(shè)和普及，使得GNSS定位服務(wù)方式從以前慢速、事后發(fā)展到快速、實(shí)時(shí)，精度從厘米級(jí)、分米級(jí)發(fā)展到毫米級(jí)。CNSS技術(shù)逐漸成為高精度變形監(jiān)測(cè)的首選方式。南寧CORS自2008年開(kāi)始建設(shè)，經(jīng)過(guò)多年的持續(xù)建設(shè)，現(xiàn)在已經(jīng)形成了包含34座基準(zhǔn)站，實(shí)現(xiàn)南寧市全域覆蓋服務(wù)的測(cè)繪基準(zhǔn)體系，為全市提供權(quán)威、統(tǒng)一的坐標(biāo)框架，滿足各行業(yè)各部門(mén)不同精度的測(cè)繪地理信息應(yīng)用需求。南寧CORS系統(tǒng)高精度、高可靠性的實(shí)時(shí)空間定位服務(wù)可為城市高層建筑沉降、傾斜等變形監(jiān)測(cè)提供自動(dòng)化、智能化解決方案。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

高層建筑自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由GNSS位移監(jiān)測(cè)站設(shè)備以及位移監(jiān)測(cè)云平臺(tái)組成。其中GNSS設(shè)備負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，位移監(jiān)測(cè)云平臺(tái)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)設(shè)備控制、數(shù)據(jù)處理、以及信息發(fā)布。平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1所示：

2 技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)采集

研制集CNSS、天線、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊、防雷裝置、含蓄電池及充放電控制器的防雨機(jī)箱、觀測(cè)墩于一體的位移監(jiān)測(cè)站（見(jiàn)圖2），具備便捷安裝、無(wú)人值守、全天候觀測(cè)特點(diǎn)。利用CNSS收發(fā)，4G通信傳輸、嵌入式模塊控制等技術(shù)，可在云服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置、儀器控制以及高精度數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)厘米級(jí)、毫米級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

基于CORS網(wǎng)的高層建筑形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法需綜合考慮項(xiàng)目精度、成本等多種因素進(jìn)行選擇。可以采取連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站與監(jiān)測(cè)目標(biāo)聯(lián)測(cè)，以組網(wǎng)解算的方式獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)毫米級(jí)精度三維坐標(biāo)，該方法特點(diǎn)是針對(duì)較大區(qū)域形變監(jiān)測(cè)，但對(duì)觀測(cè)設(shè)備性能要求高。本文選取基于南寧CORS框架下的靜態(tài)濾波解算處理方法，優(yōu)點(diǎn)是處理速度快、對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備要求不高，監(jiān)測(cè)精度能達(dá)到亞厘米甚至是毫米級(jí)別。數(shù)據(jù)處理流程如下：GNSS靜態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸和格式轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入基線解算處理模塊，經(jīng)實(shí)時(shí)周跳處理、接收機(jī)天線相位中心改正、Kalman濾波參數(shù)估計(jì)、系統(tǒng)變形參數(shù)的自動(dòng)探測(cè)與提取后，輸出最終變形監(jiān)測(cè)成果。

2.2.1實(shí)時(shí)周跳處理。周跳是載波相位測(cè)量中因衛(wèi)星信號(hào)的失鎖而導(dǎo)致的整周計(jì)數(shù)的跳變。周跳的產(chǎn)生破壞了高精度載波觀測(cè)值平緩變化的規(guī)律性，而一周的周跳在載波上將產(chǎn)生約0.2米的系統(tǒng)性粗差。因此，正確地探測(cè)并恢復(fù)周跳，是實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本系統(tǒng)采用TECR+MW方法。利用電離層變化率和寬巷組合進(jìn)行實(shí)時(shí)周跳探測(cè)。具體公式如下：

2.2.2相位中心改正。接收機(jī)天線相位中心的偏差主要包括兩部分，一是天線相位中心偏差PCO;二是與信號(hào)高度角、方位角、信號(hào)強(qiáng)度相關(guān)的天線相位中心變化PCV。根據(jù)IGS的分析，忽略接收機(jī)相位中心改正將會(huì)造成毫米級(jí)甚至厘米級(jí)的定位偏差，且高程方向影響尤為顯著。對(duì)于同一型號(hào)的接收機(jī)天線相位中心偏差可以通過(guò)差分予以消除，對(duì)于不同型號(hào)的接收機(jī)天線相位中心偏差，則需要使用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行改正。改正公式如下：

IGS發(fā)布的相位偏差改正文件（ICS_08.atx）中獲取。

2.2.3 Kalman濾波參數(shù)估計(jì)。Kalman濾波一種線性最小方差估計(jì)，它引入了狀態(tài)空間的概念，利用狀態(tài)方程根據(jù)前一時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)和當(dāng)前時(shí)刻的觀測(cè)值遞推估計(jì)新的狀態(tài)估值，可以實(shí)現(xiàn)從一組有限的，包含噪聲的，對(duì)物體位置的觀察序列預(yù)測(cè)出物體的位置的坐標(biāo)及速度。對(duì)于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)而言，Kalman濾波參數(shù)估計(jì)是一種非常有效的數(shù)據(jù)處理方法。其公式如下：

狀態(tài)更新：

2.2.4形變參數(shù)的自動(dòng)探測(cè)與提取。高精度形變監(jiān)測(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)Kalman濾波除噪、自動(dòng)閥值分類以及基于假設(shè)檢驗(yàn)方法的形變位移參數(shù)自動(dòng)探測(cè)后，可提取出相應(yīng)的位移形變特征信息。將其分解為與變形監(jiān)測(cè)目標(biāo)顯著相關(guān)的位移變化、速度等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)信息，并作為最終的三維形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于高層建筑形態(tài)分析、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。高層建筑變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)建筑物目標(biāo)點(diǎn)位移、速度等時(shí)空運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo);需要以下四個(gè)過(guò)程：一是奇異值檢驗(yàn)，采用基于Kalman濾波殘差等外部信息進(jìn)行粗差探測(cè)與剔除，盡可能的去除噪聲影響，保留監(jiān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息;二是自適應(yīng)分類，采用基于假設(shè)檢驗(yàn)理論的數(shù)據(jù)分析方法，設(shè)計(jì)與高層變形特征相對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)量，判定某一歷元是否發(fā)生形變;三是形變探測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)形變后，記錄形變發(fā)生時(shí)刻以及形變量;四是參數(shù)估計(jì)，通過(guò)Kalman濾波算法將形變監(jiān)測(cè)值轉(zhuǎn)化為表征高層建筑物形態(tài)的時(shí)空運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，包括位移參數(shù)、速度參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)最終變形監(jiān)測(cè)結(jié)果的輸出。

2.3 數(shù)據(jù)發(fā)布

位移監(jiān)測(cè)云平臺(tái)采取基于REST風(fēng)格的Web服務(wù)發(fā)布技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)發(fā)布，主要包括監(jiān)測(cè)目標(biāo)實(shí)時(shí)三維位移形變圖、形變速率圖、3D時(shí)序圖、形變數(shù)據(jù)表等。

3 案例測(cè)試

本文選取南寧市CORS網(wǎng)中馬山站2019年12月1日- 15日的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了案例測(cè)試。馬山站位于縣自然資源局辦公大樓樓頂，采用徠卡CRIO型GNSS接收機(jī)，AR25型扼流圈天線，可實(shí)時(shí)獲取三星系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。經(jīng)靜態(tài)濾波處理后，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示，數(shù)據(jù)成果表明監(jiān)測(cè)期內(nèi)站點(diǎn)坐標(biāo)在東西方向（E）、南北方向（N）有Smm左右的位置偏移，而在高程方向（U）比較穩(wěn)定，沒(méi)有顯著坐標(biāo)變化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于CORS的高層建筑自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理技術(shù)、成果展示方式進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，提出的CORS框架下的靜態(tài)濾波解算處理方法實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)的監(jiān)測(cè)精度，并在馬山站案例測(cè)試中得到有效驗(yàn)證。隨著GNSS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，CORS基準(zhǔn)站網(wǎng)將在更多城市得到推廣應(yīng)用，基于CORS網(wǎng)的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將在高層建筑監(jiān)測(cè)領(lǐng)域擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。

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[作者簡(jiǎn)介]肖震（1987-），男，廣西南寧人，中級(jí)工程師，從事GNSS數(shù)據(jù)處理以及CORS運(yùn)維管理工作。