變形時(shí)時(shí)存在于我們的生活中，而與我們息息相關(guān)的是各種工程變形危害，如橋梁的垮塌、建筑物的傾斜、街道路面的沉降，嚴(yán)重地危害了人們生命和財(cái)產(chǎn)的安全。變形監(jiān)測，就是利用測量儀器與專用儀器和方法對變形體的變形現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)視觀測，確定在各種荷載和外力作用下，變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態(tài)和時(shí)間特征，掌握建筑物和地質(zhì)構(gòu)造的穩(wěn)定性，為安全診斷提供必要的信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)采取措施并解決問題，達(dá)到保證人們生命和財(cái)產(chǎn)安全的目的。

工程概況

炎黃二帝塑像坐落在黃河南岸的向陽山（始祖山）上。該工程主體包括塑像、廣場、紀(jì)念壇三大部分，工程建設(shè)按中國傳統(tǒng)手法，布置為中軸線，軸與磁北交角為北偏東22°。塑像高為106米，由上部頭胸和像身組成。炎黃二帝廣場寬300米、長500米，從塑像前一直延伸到黃河老灘，總面積15萬平方米。紀(jì)念壇是廣場上最主要的建筑物，占地面積為8 100平方米（90米×90米），壇分三層，呈金字塔狀，頂層面積約570平方米。紀(jì)念壇兩側(cè)廣場綠化帶中設(shè)計(jì)兩座紀(jì)念館——《炎黃子孫姓氏源流館》和《炎黃子孫在海外館》。

炎黃二帝塑像變形監(jiān)測現(xiàn)狀及問題

炎黃二帝塑像上部頭胸部分由鋼筋砼框架構(gòu)支撐外殼、外殼采用條石雕砌，其下部以山體為像身。因其面朝黃河，每日經(jīng)歷風(fēng)蝕和游客的登臨，在其運(yùn)營管理中急需進(jìn)行變形監(jiān)測工作，以便科學(xué)、準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)測該工程的變形狀況，分析變形給塑像造成的影響，采取相應(yīng)措施，杜絕或減小可能發(fā)生的災(zāi)害。

在開展炎黃二帝塑像的變形監(jiān)測工作中遇到了一些需要解決的具體的實(shí)際性問題。為了保持塑像的藝術(shù)性和整體工程的協(xié)調(diào)性，旅游景區(qū)要求不得在廣場上和紀(jì)念壇四周布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，不得在頭胸上布設(shè)工作基點(diǎn)，經(jīng)過實(shí)地踏勘發(fā)現(xiàn)，適合布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)的位置距離塑像最近有1.2公里，最遠(yuǎn)有2.4公里遠(yuǎn)；適合布設(shè)工作基點(diǎn)的只有在肩部兩側(cè)平臺(tái)，而平臺(tái)的工作基點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)又處于不通視狀態(tài)。

基于此種現(xiàn)狀，傳統(tǒng)的變形監(jiān)測方法（地面監(jiān)測方法）不適合對此項(xiàng)工程進(jìn)行變形監(jiān)測，需采用新技術(shù)與新方法進(jìn)行工程的變形監(jiān)測，如GPS技術(shù)。

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測與利用GPS技術(shù)的變形監(jiān)測的比較

1.傳統(tǒng)變形監(jiān)測

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測主要是采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測距儀、全站儀等常規(guī)測量儀器測定點(diǎn)的變形值。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在能夠提供變形體整體的變形狀態(tài)；靈活性大，能適用于不同的監(jiān)測精度要求、不同形式的變形體和不同的外界條件。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在觀測時(shí)間長，外業(yè)工作量大，布點(diǎn)受地形條件影響大，不易實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測和自動(dòng)化監(jiān)測；受地形和外界條件等的限制，其工作效率和精度往往受到很大的影響。

2.GPS變形監(jiān)測

GPS技術(shù)在變形監(jiān)測方面對大型建筑物位移實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有受外界影響小、自動(dòng)化程度高、速度快、精度較高等優(yōu)點(diǎn)。其特點(diǎn)如下：

（1）測站間無需同時(shí)通視。傳統(tǒng)的作業(yè)方法需要兩點(diǎn)間同視進(jìn)行定向控制，而GPS只需保證測站上空開闊即可。

（2）可同時(shí)提供監(jiān)測點(diǎn)的三維位移信息。

（3）可以全天候監(jiān)測。GPS測量不受氣候條件限制，不論起霧刮風(fēng)還是雨雪天氣，均可正常監(jiān)測，GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)長期的全天候觀測。

（4）監(jiān)測精度高。GPS可以提供1×10-6甚至更高的相對定位精度。

GPS技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測中的精度可行性

武漢大學(xué)測繪學(xué)院對校園內(nèi)的GPS衛(wèi)星跟蹤站與四號(hào)樓間進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中GPS跟蹤站上的接收機(jī)天線始終保持固定不動(dòng)。四號(hào)樓樓頂?shù)腉PS接收機(jī)天線安置在一個(gè)活動(dòng)的儀器平臺(tái)上。平臺(tái)可以在兩個(gè)互相垂直（東西和南北方向）的導(dǎo)軌上移動(dòng)。移動(dòng)量通過平臺(tái)上的測微器精確測定（讀至0.01 mm，其精度可保證優(yōu)于0.1 mm），因而天線的位移值可視為已知值。然后通過與GPS定位結(jié)果進(jìn)行比較來檢核其精度，評(píng)定利用GPS定位技術(shù)進(jìn)行變形觀測的能力。試驗(yàn)時(shí)每隔5小時(shí)左右移動(dòng)一次平臺(tái)。數(shù)據(jù)處理采用改進(jìn)后的GAMIT軟件和精密星歷進(jìn)行，并分別計(jì)算了5小時(shí)解，2小時(shí)解和1小時(shí)解。5小時(shí)解、2小時(shí)解、1小時(shí)解的測試分別進(jìn)行了10組。其結(jié)果列于下頁表1。

從表1可看出，若用一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)來進(jìn)行變形監(jiān)測，利用5小時(shí)GPS觀測值求出監(jiān)測點(diǎn)位移分量中誤差約為±0.4 mm；利用2小時(shí)GPS觀測值求出監(jiān)測點(diǎn)平面位移分量中誤差約為±0.6 mm，利用1小時(shí)GPS觀測值求出監(jiān)測點(diǎn)平面位移分量中誤差約為±1.0 mm。若利用兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，其監(jiān)測精度可進(jìn)一步提高。測試結(jié)果表明，只要采取一定的措施，利用GPS技術(shù)進(jìn)行各種工程變形監(jiān)測是可行的。

炎黃二帝巨型塑像的GPS變形監(jiān)測

1.基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)和觀測

經(jīng)過實(shí)地踏勘，雕像北方為黃河淤積灘地，地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定，無法布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，故在雕像東、西、南三個(gè)方向各埋設(shè)一對GPS基準(zhǔn)點(diǎn)，要求GPS點(diǎn)標(biāo)石為天線墩類型，設(shè)立強(qiáng)制對中裝置，觀測方法和精度按照C級(jí)GPS網(wǎng)的要求進(jìn)行?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)除了為工作基點(diǎn)提供可靠的檢核依據(jù)外，還可以為景區(qū)的規(guī)劃與建設(shè)提供基礎(chǔ)控制成果。基準(zhǔn)點(diǎn)的網(wǎng)圖如圖1：

2.工作基點(diǎn)的布設(shè)和施測

按照景區(qū)要求，依據(jù)實(shí)際情況，最后選取雕像肩部兩側(cè)平臺(tái)及炎、黃二帝頭像中間的平臺(tái)，分三處埋設(shè)16個(gè)固定的工作基點(diǎn)，基點(diǎn)要求高出地面35 mm，標(biāo)志中心嵌入不同顏色金屬（不銹鋼或鋼）制作成的直徑小于0.5 mm的中心點(diǎn)，同時(shí)標(biāo)志還滿足水準(zhǔn)測量的要求。工作基點(diǎn)的觀測方法和精度按照D級(jí)GPS網(wǎng)的要求進(jìn)行周期性監(jiān)測。

當(dāng)工作基點(diǎn)的位移分量出現(xiàn)較大變化時(shí)，通過基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行檢校。校核無誤，則視為塑像產(chǎn)生了一定的變形，對工作基點(diǎn)保持連續(xù)性變形監(jiān)測；同時(shí)，以工作基點(diǎn)為末級(jí)控制點(diǎn)，架設(shè)全站儀，按照地面變形監(jiān)測的要求，對炎黃二帝巨型塑像頭部和臉部進(jìn)行細(xì)化監(jiān)測，以求得變形體的細(xì)部變化。

綜上所述，在變形監(jiān)測中采用GPS技術(shù)，不僅解決了基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)在布設(shè)中的通視問題，更解決了監(jiān)測誤差隨定位時(shí)間而積累，致使觀測精度低下的問題，同時(shí)還為塑像四周的規(guī)劃和建設(shè)提供了統(tǒng)一的三維空間大地坐標(biāo)系，對于變形監(jiān)測是一種行之有效的好方法。在大型工程的變形監(jiān)測中應(yīng)用GPS技術(shù)，不僅能大幅降低監(jiān)測成本，節(jié)省大量的人力和物力；而且還能保證監(jiān)測精度，提高工作效率。