劉愉能

【摘要】本文對(duì)GPS技術(shù)在高層建筑變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的監(jiān)測(cè)模式、測(cè)量方法、數(shù)據(jù)處理做了介紹和分析，最后指出GPS技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的發(fā)展前景將更加廣闊。

【關(guān)鍵詞】GPS；高層建筑；變形監(jiān)測(cè)

GPS定位技術(shù)作為一種新的測(cè)量技術(shù)已逐漸在越來(lái)越多的領(lǐng)域取代了常規(guī)測(cè)量?jī)x器。由于GPS測(cè)量具有高精度三維定位能力，在變形監(jiān)測(cè)方面，與傳統(tǒng)方法相比較，應(yīng)用GPS不僅具有精度高、速度快、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，而且利用GPS技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)及數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)進(jìn)行集成，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

1、GPS變形監(jiān)測(cè)模式

近年來(lái)，隨著建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的高層建筑應(yīng)運(yùn)而生。由于高層建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和重要性，使得對(duì)高層建筑進(jìn)行必要的變形監(jiān)測(cè)顯得十分有必要。GPS定位技術(shù)作為一種新的測(cè)量技術(shù)已逐漸在越來(lái)越多的領(lǐng)域取代了常規(guī)測(cè)量?jī)x器。由于GPS測(cè)量具有高精度三維定位能力，在變形監(jiān)測(cè)方面，與傳統(tǒng)方法相比較，應(yīng)用GPS不僅具有精度高、速度快、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，而且利用GPS技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)及數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)進(jìn)行集成，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

GPS用于變形監(jiān)測(cè)的模式有兩種：周期性、連續(xù)性。周期性監(jiān)測(cè)模式是最常用的觀(guān)測(cè)模式，與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)類(lèi)似，通常用于建筑物的變形速率極為緩慢，在局部空間域和時(shí)間域可以將變形量忽略不計(jì)的情況，其監(jiān)測(cè)頻率可為數(shù)月、一年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。一般采用GPS靜態(tài)觀(guān)測(cè)進(jìn)行測(cè)量；連續(xù)性變形監(jiān)測(cè)是采用固定GPS監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，獲得變形數(shù)據(jù)系列，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是長(zhǎng)期連續(xù)的，而且具有很高的時(shí)間分辨率，然后利用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。GPS連續(xù)性監(jiān)測(cè)模式，根據(jù)監(jiān)測(cè)目的、變形體的性質(zhì)和精度要求的不同，其數(shù)據(jù)處理方法可采用靜態(tài)相對(duì)定位和動(dòng)態(tài)相對(duì)定兩種進(jìn)行觀(guān)測(cè)。而對(duì)于高層建筑的監(jiān)測(cè)，一般采用連續(xù)性模式。

2、GPS高層建筑監(jiān)測(cè)方法

2.1 監(jiān)測(cè)面設(shè)置

監(jiān)測(cè)面應(yīng)設(shè)置兩個(gè)，其一為基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)面，即設(shè)置在建筑物的基礎(chǔ)或地面第一層上，用于監(jiān)測(cè)建筑物底部的水平變形和沉降變形，且可確定建筑物基礎(chǔ)幾何中心的坐標(biāo)變化；幾何中心的坐標(biāo)用重心坐標(biāo)表示：

外業(yè)觀(guān)測(cè)則采用傳統(tǒng)測(cè)量方法，如水準(zhǔn)法和導(dǎo)線(xiàn)法。其二為整體形變監(jiān)測(cè)面，用于確定建筑物的整體形變狀態(tài)，整體形變狀態(tài)即用形變模型描述。

2.2測(cè)點(diǎn)布設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)：基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)應(yīng)在兩個(gè)或兩個(gè)以上，以便傳遞坐標(biāo)、增加測(cè)量結(jié)果的可靠性和消除某些系統(tǒng)誤差；布設(shè)時(shí)應(yīng)避開(kāi)信號(hào)干擾源，要便于觀(guān)測(cè)和易于長(zhǎng)期保存。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)：監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)選在能直觀(guān)反映建筑物沉降情況的部位，如建筑物四角沉降縫兩側(cè)、荷載有變化的部位、大型設(shè)備基礎(chǔ)、柱子基礎(chǔ)和地質(zhì)條件變化處等。

2.3 GPS測(cè)量設(shè)置

觀(guān)測(cè)儀器采用雙頻接收機(jī)，觀(guān)測(cè)時(shí)段的時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)為30～120min，衛(wèi)星的高度角限值設(shè)為15°，儀器對(duì)中采用強(qiáng)制對(duì)中。開(kāi)機(jī)后應(yīng)查看接收衛(wèi)星個(gè)數(shù)，確保同步觀(guān)測(cè)衛(wèi)星數(shù)。因儀器不能直接查看衛(wèi)星序號(hào)、信嘈比、適時(shí)定位結(jié)果、GPS點(diǎn)位幾何圖形強(qiáng)度因子PDOP值等，故每天觀(guān)測(cè)完成后，應(yīng)及時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸出來(lái)，及時(shí)進(jìn)行基線(xiàn)處理。如果基線(xiàn)處理不合格，應(yīng)及時(shí)返工。

模擬高層建筑物形變監(jiān)測(cè)特定環(huán)境的實(shí)驗(yàn)表明，按靜態(tài)測(cè)量模式可獲得較好的定位結(jié)果，因此，為獲得較精確的形變監(jiān)測(cè)結(jié)果，應(yīng)按靜態(tài)測(cè)量模式觀(guān)測(cè)。采用靜態(tài)GPS測(cè)量法對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，由于各監(jiān)測(cè)點(diǎn)只對(duì)上一次測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算各點(diǎn)的位移量，在同以時(shí)間段內(nèi)各點(diǎn)間的相對(duì)關(guān)系并不重要，因此各監(jiān)測(cè)點(diǎn)間可以不必組成GPS網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)組網(wǎng)觀(guān)測(cè)計(jì)算即可。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀(guān)測(cè)方法、數(shù)據(jù)處理方法、精度要求按基準(zhǔn)網(wǎng)的要求執(zhí)行。

3、GPS數(shù)據(jù)處理

3.1 GPS觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

GPS觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理的目的是：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波檢驗(yàn)，剔除粗差；統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件格式并將各類(lèi)數(shù)據(jù)文件加工成相互兼容的標(biāo)準(zhǔn)化文件（如GPS衛(wèi)星軌道方程的標(biāo)準(zhǔn)化，衛(wèi)星時(shí)鐘鐘差標(biāo)準(zhǔn)化，觀(guān)測(cè)值文件標(biāo)準(zhǔn)化等），找出整周跳變點(diǎn)并修復(fù)觀(guān)測(cè)值；對(duì)觀(guān)測(cè)值進(jìn)行各種模型改正。

（1）GPS衛(wèi)星軌道方程的標(biāo)準(zhǔn)化

將已知的多組不同歷元的星歷參數(shù)所對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星位置表達(dá)為時(shí)間的多項(xiàng)式形式，利用多項(xiàng)式擬合法即可求解多項(xiàng)式參數(shù)。解出的系數(shù)記入標(biāo)準(zhǔn)化星歷文件，用他們來(lái)計(jì)算任一時(shí)刻的衛(wèi)星位置。多項(xiàng)式的階數(shù)一般采用8～10就足以保證米級(jí)軌道擬合精度

（2）觀(guān)測(cè)值文件的標(biāo)準(zhǔn)化

不同的接收機(jī)提供的數(shù)據(jù)記錄有不同的格式。所以在平差之前，觀(guān)測(cè)文件必須規(guī)格化、標(biāo)準(zhǔn)化。具體的有記錄格式標(biāo)準(zhǔn)化，記錄項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化，采樣密度標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)單位的標(biāo)準(zhǔn)化。

3.2 GPS觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)后處理

GPS 觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)后處理，一般均借助相應(yīng)的后處理軟件自動(dòng)地完成，其內(nèi)容主要包括基線(xiàn)預(yù)處理及 GPS 網(wǎng)的平差。

（1）基線(xiàn)解算

基線(xiàn)處理是對(duì)已標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行處理，解算出基線(xiàn)?；€(xiàn)解算的過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)平差的過(guò)程，平差所采用的觀(guān)測(cè)值主要是雙差觀(guān)測(cè)值。基線(xiàn)解算時(shí)的平差分以下三個(gè)階段進(jìn)行：

①初始平差。根據(jù)雙差觀(guān)測(cè)方程，組成誤差方程和法方程后，求解待定的未知參數(shù)及其精度信息；通過(guò)初始平差，解算出整周未知數(shù)參數(shù)和基線(xiàn)向量的實(shí)數(shù)解或浮動(dòng)解。

②整周未知數(shù)的確定。根據(jù)初始平差結(jié)果，使用搜索法將整周未知數(shù)固定成整數(shù)。

③確定基線(xiàn)向量的固定解。將確定了的整周未知數(shù)作為已知值，僅將待定點(diǎn)的坐標(biāo)作為未知參數(shù)再次進(jìn)行平差，解算出基線(xiàn)向量的整數(shù)解（即固定解），基線(xiàn)解算是自動(dòng)完成的。

（2）GPS網(wǎng)平差

GPS網(wǎng)由基線(xiàn)組成，數(shù)據(jù)處理的成果是基線(xiàn)向量及相應(yīng)的方差協(xié)方差。其網(wǎng)的平差包括基線(xiàn)向量的無(wú)約束平差、約束平差和與地面網(wǎng)的聯(lián)合平差三部分。

①GPS基線(xiàn)向量網(wǎng)無(wú)約束平差。GPS地面網(wǎng)一般由若干三角形或多邊形組成，其中存在一定量的多余基線(xiàn)，環(huán)路中存在閉合差。GPS網(wǎng)無(wú)約束平差的目的在于處理閉合不符值，檢查網(wǎng)本身的內(nèi)部符合精度以及基線(xiàn)向量之間有無(wú)明顯系統(tǒng)誤差和粗差。

②GPS基線(xiàn)向量網(wǎng)的約束平差。該平差又稱(chēng)為非自由網(wǎng)平差。平差時(shí)以國(guó)家大地坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系的某些點(diǎn)的坐標(biāo)、邊長(zhǎng)和方位角為約束條件，顧及GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行平差計(jì)算。

③GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)聯(lián)合平差。該平差方法是在GPS網(wǎng)中，除了GPS基線(xiàn)向量觀(guān)測(cè)值和約束數(shù)據(jù)以外，還有地面常規(guī)測(cè)量值如邊長(zhǎng)、方向和高差等，將這些數(shù)據(jù)與 GPS數(shù)據(jù)一起進(jìn)行平差。非自由網(wǎng)平差和聯(lián)合平差一般在國(guó)家或地方坐標(biāo)系中進(jìn)行，平差完成后網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)已屬于國(guó)家坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系。而無(wú)約束平差是在WGS-84基準(zhǔn)下進(jìn)行的。平差可以以三維模式進(jìn)行，也可以二維模式進(jìn)行，當(dāng)進(jìn)行二維平差時(shí)，應(yīng)首先將三維GPS向量坐標(biāo)及協(xié)方差陣轉(zhuǎn)換至二維平差計(jì)算面。

GPS網(wǎng)平差之后，利用網(wǎng)中穩(wěn)定的非起算點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量的差分改正，以提高監(jiān)測(cè)精度和可靠性。

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