GPS 在变形监测中的应用
摘要：GPS 技术由于可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数 , 目前在各类变形监测中已得到了广泛的应用 , 包括城市地面沉降变形监测、大坝变形监测、桥梁变形监测、滑坡监测、高层建筑物变形监测、矿区变形监测等。本文即详细阐述了GPS 技术在变形监测中的具体应用。
关键词：GPS；变形监测；自动化；误差；建筑物监测一、GPS 变形监测的优势
（一）测站间无需保持通视
由于 GPS 定位时测站间无需保持通视，从而可使变形监测网的布设更为自由、方便，并可省去不少中间传递过渡点，节省大量费用。
（二）能同时测定点的三维位移
采用传统方法进行变形监测时，平面位移通常是采用正锤线、倒锤线、边角导线、方向交会、距离交会和全站仪极坐标法等方法来测定的，而垂直位移则一般采用精密水准测量、液体静力水准测量、倾斜仪等手段来测定。水平位移和垂直位移的分别测定不仅增加了工作量，而且监测的时间和点位也不一定一致，从而增加了变形分析的难度。
（三）全天候观测
GPS 测量不受气候条件的限制，在风雪雨雾中仍能进行正常观测。
配备防雷电设施后变形监测系统就能实现全天候观测。这一点对于防汛抗洪、滑坡、泥石流等地质灾害监测等应用领域来讲显得特别重要。
（四）易于实现全系统的自动化
由于 GPS 接收机的数据采集工作是自动进行的，而且又为用户预留了必要的接口，故用户可以较为方便地把 GPS 变形监测系统建成无人值守的自动监测系统，实现从数据采集、传输、处理、分析、报警到入库的全自动化。有必要时，用户可以很方便地从控制中心的办公室中来观看每台 GPS 接收机的板面信息，也可以在办公室中发布命令来更改数据采样率、时段长度和截止高度角等设置。这对于长期连续运行的监测系统是很重要的，可降低监测成本，提高监测资料的可靠性。
（五）可消除或削弱系统误差的影响
在变形监测中关心的是在两期变形监测中所求得的变形监测点的坐标之间的差异，而不是变形监测点本身的坐标。两期变形监测中所含的共同的系统误差虽然会分别影响两期的坐标值，但却不会影响所求得的变形量。也就是说在变形监测中，接收机天线的对中误差、整平误差、定向误差、量取天线高的误差等并不会影响变形监测的结果，只要天线在监测过程中能保持固定不动即可。
二、GPS 变形监测方案的选择与设计
（一）变形监测模式
根据被监测对象的特点，有 3 种不同作业和监测模式 : 周期性重复测量、固定连续 GPS 测站阵列和实时动态监测。
周期性重复测量在建筑物的变形监测中是最常用的，每一个周期测量测点之间的相对位置 ( 类似于控制测量 ) ，通过计算两个观测周期之间相对位置的变化来测定变形，采用静态相对定位的方式获得基线向量，然后采用网平差，并对观测质量进行分析和控制，以获得监测点的坐标；最后，根据监测点的两期坐标差采用统计检验的方法来确定该坐标量是否为变形量。
在一个变形监测工程中，我们首先要根据所要监测的建筑物或构筑物的自然条件及其变化，建筑物本身的原因，以及勘测、设计、施工和运营等各方面的原因，来确定它的监测模式，分析建筑物发生变形的主要原因，预测该建筑物的变形规律，以便设计最好的监测方法。
（二）GPS 变形监测网的设计
在进行 GPS 变形监测时，首先要符合《全球定位系统 GPS 测量规范 ( 规程 )》，还要根据国家标准《工程测量规范》变形观测的等级划分及精度。建 ( 构 ) 筑物的安全监测，其观测中误差一般应小于允许变形值 1/10~1/20。
变形监测网中的基准点应埋设在建 ( 构 ) 筑物变形影响之外，观测方便并且不受施工影响的地方。监测点应布设在被监测对象内有代表性的、变形敏感部位的地点，使监测点的变化能真正反映建 ( 构 ) 筑物的变形状况。实地埋设基准点与监测点时一定注意避免点附近有雷达站、电台、高大建筑物及大面积的水域等，以减少噪声与地面反射的影响。
（三）观测方案的设计
GPS 变形监测网基准点和监测点选定后，观测方案的拟定对整个GPS 网的精度起到重要的作用，试验表明，较好的观测方案有 :
1、多台 GPS 接收机的同步观测方案。如果实际情况允许，最好做到每点 1 机进行同步观测。
2、多期观测应做到每期观测时 GPS 接收机台数不变，接受机的型号不变。
3、每期观测时应选择最佳卫星分布且卫星较多的时段，如能够注意到相同或相似的分布状态则更好。
4、基准点间以及基准点与变形点之间距离不宜超出 5km。有条件的地方最好引入高级 GPS 点的 WGS-84 坐标作为 GPS 变形监测网的位置基准，提高基线解算的精度。
三、GPS 变形监测的应用
工程形变的种类很多，主要有大坝的变形、高层建筑物的变形和沉陷、矿区的地面沉降等等。
（一）GPS 在大坝监测自动化系统中的应用
大坝变形监测包括水平位移、垂直位移 ( 沉陷 )、挠度、倾斜、表面接缝和裂缝监测。水库或水电站的大坝由于水负荷的重压可能引起变形，需要对大坝的变形进行连续而精密的监测。GPS 精密定位技术与经典测量方法相比，不仅可以满足大坝变形监测工作的精度要求 (1。
0~0。1)×10-6，而且更有助于实现监测工作的自动化。
到目前为止国内应用 GPS 测量大坝变形并实现自动化且较成功的有湖北清江隔河岩水电站，该系统主要由 5 个坝顶测点和左右岸两个基准点组成， 1998 年 3 月正式投入试运行。系统采用 Ash-techZO12CGRS型双频 GPS 接收机及带防护罩天线，软件采用改进后的 GAMIT 软件和精密星历进行基线向量解算，由 GPSADT 软件进行网平差计算。其中 7 台GPS 接收机 365 天 24 小时连续观测。在 1998 年长江流域特大洪水期间，隔河岩大坝超量拦洪蓄水，避免了清江洪峰河长江洪峰相遇，对于减轻长江中下游的防汛抗洪压力以及最终未实施荆江分洪起到了重要作用。
（二）GPS 用于地面沉陷的监测
地下煤炭、石油和天然气的开采，引起了许多矿区的地面沉降 ; 由于过量地抽取地下水，也使许多城市的地面，产生了显著的沉陷。矿区地面形变测量包括矿区地表移动、露天矿边坡移动测量等。其测量的最终目的是通过不同观测时间测定的地面点的水平位置和高程，进行分析对比，得出地面点位的水平位移与沉降数据，进行变形分析与预测。使用 GPS 测量技术对上述沉降现象进行监测是经济而有效的。GPS 测量不要求相互通视，且速度快，作业灵活，显著地提高作业效率。监测地面的垂直位移，无需将 GPS 测量的大地高程进行系统的转换，不仅简化了计算工作，同时也保障了观测精度。
（三）GPS 用于高层建筑物监测
高层建筑物动态特征的监测对其安全运营、维护及设计至关重要，尤其要实时或准实时监测高层建筑物受地震、台风等外界因素作用下的动态特征，如高层建筑物摆动的幅度 ( 相对位移 ) 和频率。传统的高层建筑物的变形监测方法 ( 采用加速度传感器、全站仪和激光准直等 ) 因受其能力所限，在连续性、实时性和自动化程度等方面已不能满足大型构筑物动态监测的要求。
近年来，随着 GPS 硬件和软件技术的发展，特别是高采样频率 ( 如10Hz 甚至 20Hz)GPS 接收机的出现，以及 GPS 数据处理方法的改进和完善等，为 GPS 技术应用于实时或准实时监测高层建筑物的动态特征提供了可能。目前，GPS 定位技术在这一领域的应用研究已成为热点之一，以高层建筑物动态特征的监测为例，设计了振动实验以模拟高层建筑物受地震和台风等外界因素作用下的动态特征，并采用动态 GPS 技术对此进行监测。
参考文献
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