1、1GPS 技术在高层建筑物变形监测中的应用摘要: GPS 卫星定位技术是近年来发展速度较快的一种定位技术，具有诸多的优点，目前在城市建筑物变形监测中有所应用。本文结合笔者多年的实践经验，介绍了 GPS 变形监测技术，重点就 GPS 动态变形监测系统的设计工作进行探讨，并结合工程实例进一步阐述了 GPS 技术在建筑物变形监测中的应用，以期指导实践。 关键词:GPS 技术；变形监测；功能设计；案例分析 中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号： 变形监测是监测城市变形体安全性的重要举措，主要是利用专业的仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测，并分析变形体变形形态和预测变形的发展趋势。在
2、工程测量中，变形体主要包括桥梁、隧道、高层建筑物和矿区等。GPS 技术作为一项全新的卫星导航和定位系统，在许多测量领域已替代了传统的光学和电子测量方法。在建筑物变形监测方面，GPS 技术具有高精度、速度快、操作方便、全天候和实时监测等优点，能够减小变形监测的外业工作量，大大提高工作效率，并对建筑物变形形态进行远程网络实时监控，目前该项技术在城市变形体变形监测中得到广泛的应用。 1 GPS 变形监测数据处理技术 21.1 GPS 变形监测网 GPS 观测结果是 3 维坐标，有三个位置基准、三个方位基准和一个尺度基准。因此，在基准设计时，如果采用固定基准点作为 GPS 网点起算数据，则至少需要三个
3、或三个以上的稳定基准点，主要是为了保证变形监测的可靠性。基准点应选在周围没有较强的反射面，且交通方便、远离大功率的发射电台及高压线、视野开阔易于保存的地方。 1.2 GPS 监测网基准点位移及观测粗差 对于周期性重复观测的 GPS 变形监测网，采用固定基准进行变形分析是最为理想的，但如果基准点发生了位移，如不加处理就会导致变形分析结果的失真。另外，由于受到周跳、整周模糊度解算误差，以及多路径效应的影响，基线向量中可能含有粗差。地面起始点坐标引起的系统误差在基线解算中，需要一个起算点，起算点的精度将影响基线解算的精度，因此，很有必要获得高精度的基准点坐标及监测点坐标。当基准起算点坐标出现误差时，
4、将导致整个 GPS 变形监测网基线向量解产生系统性误差。试验表明，这种系统误差主要反映整网基线向量的系统性旋转和尺度变化。 GPS 网进行网平差后，利用网中稳定的非起算点进行监测点位移量的差分改正，以提高监测精度和可靠性。 如图 1 所示，P1 和 P2 为变形区域外固定点，以 P1 点为基准点进行平差计算可得 P2，P3 两点相对于初值的差值 P2，P3，由于 P1 为稳定点，故可用 P2 的值对 P3 的变形量进行差分改正，其大小为 3式中:Sp1p3 和 Sp1p2 分别为 P1，P3 以及 P2，P3 间的基线长度，由于非起算点的稳定性同监测点一样是通过某一基准点一起处理而同时得到的，
5、因而两者之间存在误差相关性，进行差分改正，恰好滤掉位移量中的误差部分。 图 1 监测点差分改正图 1.3 GPS 变形监测数据处理 本文采用整体方差分析法和卡尔曼滤波方法对变形观测数据进行分析与预测。在变形分析中，变形量的统计检验主要包括:变形量的显著性检验、相关性检验和可测性检验等。两期变形监测网的坐标差不一定反映了被监测物体的真实变形值，它可能是由观测的偶然误差引起的，需要对变形量的显著性进行检验。变形误差椭圆是变形量显著性检验的一种直观方法，以 2 维平面方向变形量为例。假设一二期观测成果中，某一监测点的协方差分别为: 两期成果的坐标差 X=X2X1 协方差为: 则变形量的误差椭圆由下列
6、元素组成: 在变形监测点的变形分析中，可认为所得的变形观测数据中包含有反映监测点实际变形的信息，另外还包含有随机干扰噪声，这种随机干扰噪声包含动态噪声和观测噪声。为此，本文利用卡尔曼滤波的理论对4变形观测数据进行处理，并以此为基础对监测点的变形作出一些预报。状态方程和观测方程分别为: 当变形量较小时，将监测点的变形量 XK 和变形速度 UK 看作状态向量，则: 卡尔曼滤波的步骤如下: 第一步，由计算预报值: 第二步，由 P(i/i)计算预报误差方差阵: 第三步，计算增益矩阵: 第四步，计算预报残差: 第五步，计算滤波值: (11) 第六步，计算滤波误差方差矩阵: 2 GPS 动态变形监测系统设
7、计 2.1 系统组成 为了实现变形监测的各项功能，GPS 监测系统主要是由 GPS 测量系统、5通信网络和 GPS 控制中心分析和管理系统三部分组成，系统包括各种硬件、管理控制软件、通信传输、网络系统、数据库、数据处理等部分。其总体结构如图 2 所示。 图 2 监测系统结构 2.2 系统软件功能设计 在软件方面，监测系统主要包括系统监控模块、位移监控模块及通讯设计三个模块。 1)系统监测模块 基准站控制模块，包括基准站工作方式的控制。 监测站控制模块，包括监测站参数的输入和实时修改参数的功能。数据接收管理模块，包括监测站实时差分 RTK 数据、原始数据接收和管理。 文件管理模块，包括监测站 R
8、TK 结果数据文件和原始观测文件。 系统安全性监测模块，包括系统通信状态、监测站工作状态和位移状态三个模块。 2)位移监控模块 图形显示模块，包括监测点各分量的计算和实时显示。 GPS 后护理模块，包括静态及动态后处理软件等。 报警模块，包括监测点位移超限、通信线路故障等报警。 3)通讯设计模块 6整个网络采用星型拓扑结构，各节点通过光缆连接到监控中心，由于节点间相互独立，整个网络具有较高的可靠性和可操作性;网络通讯协议采用 NetBEUI 协议，它支持 TCP/IP 协议;监控中心服务器采用WindowsNT 网络操作系统，并负责内部的 IP 地址过滤、访问控制、资源共享和网络管理。 2.3
9、 系统数据库实现与应用 数据库是系统数据存储和交换的主要承载体，是系统的核心，它在整个系统中担负着数据管理的任务。数据库管理即对数据进行录入、查询、删除和打印等操作。数据库设计必须具备数据录入、数据查询、数据存储和数据删除等功能(如图 3 所示)。表 1 是系统中典型的数据表结构。 图 3 数据库结构 表 1 监测点形变量表 2.4 案例分析 某大桥受季风影响，常年平均风速很大，加上周日及季节温差大，各种恶劣的因素将对施工期大桥建设带来十分不利的影响，尤其对大桥的超高索塔、超长钢箱梁悬臂和斜拉索的影响将更加明显。为此，研究和开发大桥索塔 GPS 实时动态监测控制系统，加强对索塔施工过程的控制和
10、重要环节的监测，分析不同条件下索塔的变形规律，评价索塔安全，正确指导施工。 7为使系统满足索塔动态监测的需要，正确反映索塔的运动规律，监测系统必须达到一定的监测精度与采样频率。对于监测精度，从技术角度上分析，索塔的变形是以厘米级为单位的，要求所采用的监测技术和仪器能够满足厘米级的精度。GPS 实时动态监测技术应用于索塔监测，不仅可以满足监测精度，更重要的是它具有自动化、实时性高等优点，在自然条件极为复杂的桥梁索塔监测中将发挥重要作用。 结合 GPS 变形监测系统的观测数据，采用回归分析和卡尔曼滤波的方法进行变形量的分析和预测。回归结果的复相关系数为 0.99，而在卡尔曼滤波中根据先验信息，取
11、，Q=0.2 两种方法的估计值和残差值见表 2，残差平方和分别为 0.207 和0.418，并且最大估计偏差分别为 0.22mm 和 0.35mm，可见两种方法进行监测点的变性分析和预测都是可行的。 表 2 不同方法的比较(单位:mm) 变形监测系统得到的变形观测值，里面可能包含系统误差，也可能是由于基准点的位移引起的，如何顾及变形值的关联信息，同时对变形值进行分析，本文给出了整体方差法以及显著性检验的方法，确保变形值的准确性和有效性，采用回归分析法和卡尔曼滤波的方法进行变形预测。实例计算结果表明该方法是可行和有效的。 3 结束语 为了更好的发挥 GPS 变形监测的效果，工程人员应利用不同条件下8更多的实测数据进行测试来发现问题，进一步完善 GPS 变形监测数据处理系统，以满足生产的需要；同时随着时间的推移，GPS 监测数据积累会愈加丰富，如何对这些数据进行有效的管理和分析，并且从中获取有用的信息也成为了工程人员需要解决的难题。 参考文献 1 王中元;周天强;张鹏飞.高层建筑物 GPS 动态变形监测数据处理J.测绘科学.2012 年第 01 期 2 申小平;?豪荣;唐钱龙.GPS 定位技术在建筑物变形监测中的应用J.土工基础.2012 年第 02 期
