GPS在工程变形监测中的应用

GPS在工程变形监测中的应用 The Application of GPS in Engineerings Distortion Measuring 王敏 （咸阳师范学院 旅游与资源环境学院 陕西 咸阳） Xian Yang Normal University School of Natural Resources and Environment and Tourism 摘要：与传统的工程变形监测方法相比，GPS测量技术在连续性、实时性和自动化程度等方面有明显优势。在分析了GPS在变形监测方面的特点的基础上，探讨了GPS在大坝、地面沉降、高层建筑物等工程变形观测中的应用。Compared with to traditional methods of engineerings distortion measuring，GPS has obvious superiorities to them in continuity,real time and the degree of automation.Based on analyzing the characteristics of the application of GPS in engineerings distortion measuring,the applications of GPS in dyke monitoring,ground subsiding and tall building distortion measuring are studied.关键词：GPS测量技术；变形监测；应用 GPS measurement technology；distortion measuring；application GPS是一种全天候、高精度的连续定位系统，并且具有速度快、费用低、方法灵活多样和操作简便等优良特性而被广泛应用于控制测量、工程测量和变形监测中。GPS用于变形监测具有精度高、不受气候条件及通视条件限制、高度自动化等优点。特别是在变形监测中,摈弃了经典测量中观测方法复杂,数据处理分析较难的问题。本文通过叙述GPS技术的特点及思路，分析GPS测量在工程变形监测中的应用。1. GPS变形监测的特点 1.1测站间无需保持通视 由于GPS定位时测站间无需保持通视, 可用于规则、不规则或不可接触物体的变形监测,从而可使变形监测网的布设更为方便、自由，使中间传递过渡点省去了不少,并且节省了大量的费用。 1.2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倒锤线、正锤线、全站仪极坐标法、距离交会、边角导线和方向交会等方法来测定的，而垂直位移则一般采用倾斜、液体静力水准测量、精密水准测量等手段来测定。垂直位移和水平位移的分别测定不仅增加了工作量，而且监测的点位和时间也不一定一致，从而增加了变形分析的难度。 1.3 全天候观测 GPS测量配备防雷电设施后变形监测系统就能实现全天候观测，不受气候限制，尤其还能在风雨雾雪中进行正常观测。对于泥石流、滑坡、防汛抗洪等地质灾害监测等应用领域来讲这一点就显得尤为重要。 1.4全系统的自动化易于实现 用户要把GPS变形监测系统建成无人值守的自动监测系统，就要实现从数据报警、分析、处理、采集、传输到入库的全自动化。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。这对于长期连续运行的GPS测量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。 1.5系统误差可以被削弱或消除 在变形监测中重要的不是变形监测点自己本身的坐标，而是在两期变形监测中之间所求得的变形监测点的坐标的差异。两期变形监测中所含的共同的系统误差不会影响所求得的变形量，只会影响两期的坐标值，也就是说在变形监测中，接收机天线的量取天线高的误差、定向误差、整平误差、对中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就可以。同样GPS变形监测中的起始坐标的误差，数据处理中所用的定位软件本身的不完善以及卫星信号在大气层中的传播误差中的公共部分的影响也可以得以消除或消弱。 1.6可直接用大地高进行垂直形变测量 在GPS测量中高程系统一直是一个棘手的问题。因为GPS定位只能测定大地高，而在地形测量、工程测量及日常生活中，大部分用户需要的是正常高或正高。 2. GPS形变监测网的设计首先，要根据变形监测的任务，依据现有规范（规程），在形变区域设计出一定精度和密度的GPS基准点、变形观测点，构成监测网形，进行精度估算，选择最佳网形，制定观测纲要。 2.1 GPS形变监测网技术设计的依据（1） 全球定位系统（GPS）测量规范，1992年由国家测绘局编制发布。（2） 全球定位系统城市测量技术规范，1997年由国家建设部编制发布。（3） 工程测量规范，1993年由国家技术监督局、建设部联合编制发布。（4） 其他规程如煤矿测量规程，1989年由国家能源部制定发布。 2.2 GPS形变监测网的精度与密度 在工程测量规范中水平位移监测网和垂直位移监测网按常规测量方法的主要技术要求如表1和表2所列。GPS测量规范和规程中关于GPS网的主要技术要求如表3所示。表1 水平位移监测网的主要技术要求 等级 平均边/m 测角中误差/()最弱边相对中误差相邻基准点的点位中误差/mm 一等 300 0.7 1/25万 1.5 二等 300 1.0 1/12万 3.0 三等 350 1.8 1/7万 6.0 四等 400 2.5 1/4万 12.0表2 垂直位移监测网的主要技术要求等级使用水准仪型号水准尺每千米高差全中误差/mm每站高差中误差/mm往返较差、环闭合差/mm检测已测高差较差/mm相邻基准点高差中误差/mm一DS05因瓦10.070.15n0.2n0.3二DS05因瓦10.130.30n0.5n0.5三DS05或DS1因瓦20.300.60n0.8n1.0四DS1或DS3因瓦或双面60.701.40n2.0n2.0 表3 GPS网的主要技术要求等级平均距离/km固定误差a/mm比例误差b(110-6)最弱边相对中误差A300 5 0.1 B70 8 1二9 10 21/12万三5 10 51/8万四2 10 101/4.5万 2.3 GPS形变监测网的基准设计 地面形变监测网的基准设计包括位置基准、方位基准和尺度基准的设计。基准设计是一项可以反映工程变形体监测成果是否准确、可靠的工作。由于受仪器和地形条件等其它因素的限制，监测网的基准点不能离开变形监测区域太远，而且还顾及离变形监测太近时，对于自身变形的影响，常规的变形监测的手段没有办法进行测量，变形数值不能准确地反映。同时，由于GPS技术的不断完善，高精度的仪器的面世，为了保证了数据的可信度，完全可以将基准点选在变形区外。 2.4 GPS形变监测网形设计 在GPS形变监测网设计中，因GPS同步观测不要求点间通视，其网形设计有较大的灵活性。根据不同的精度要求，GPS网的网形布设通常有点连式、边连式和边点混合连接等几种基本方式。3. GPS变形监测的应用 工程形变的种类很多，主要有高层建筑物的变形和沉陷、大坝的变形、矿区的地面沉降等等。工程形变监测是以毫米乃至亚毫米精度为目的的工程测量工作，随着GPS系统的不断完善，软件性能的不断改进，GPS已可用于精密工程变形监测。 1、GPS用于高层建筑物监测 高层建筑物动态特征的监测对其维护及设计、安全运营至关重要，尤其要准实时或实时监测高层建筑物受台风、地震等外界因素作用下的动态特征，如传统的高层建筑物的变形监测方法因受其能力所限，在连续性和自动化程度、实时性等方面已不能满足大型构筑物动态监测的要求。目前,随着软件技术和GPS硬件的发展，同时GPS数据处理方法也跟着完善和改进等，为GPS技术应用于准实时或实时监测高层建筑物的动态特征提供了依据。 2、GPS在大坝监测自动化系统中的应用 大坝变形监测包括垂直位移、倾斜、水平位移、挠度、裂缝监测和表面接缝。水电站的大坝或水库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。经典测量方法与GPS精密定位技术相比，不仅有助于实现监测工作的自动化，而且更能满足大坝变形监测工作的精度要求。 3、GPS用于地面沉陷的监测 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。在能源工业中，由于天然气和石油、地下煤炭的开采,引起了许多矿区的地面沉降；矿区地面形变测量包括露天矿边坡移动测量、矿区地表移动等。其测量的最终目的是通过不同观测时间测定的地面点的高程和水平位置，进行分析对比,得出地面点位的沉降数据与水平位移,进行预测与变形分析。GPS测量不要求相互通视，作业灵活，且测量速度快，作业效率显著地提高了。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。监测地面的垂直位移，将GPS测量的大地高程不用进行系统的转换，这不但简化了计算工作，而且也保障了观测精度。 4. 结语 由于GPS测量具有无需通视、高效、快速、全天候、可实现无人值守等特点，近年来，GPS在形变监测中已获得越来越广泛的应用。与传统的水准测量方法相比,GPS技术显著的提高了作业效率,降低了劳动强度。GPS在形变监测中的应用对弥补传统的变形监测方法的缺陷具有重要意义。随着GPS技术的进一步发展,在变形监测方面的应用前景将会更加广阔。参考文献 1 李天文. GPS原理及应用M. .科学出版社.2010.2 李明峰，冯宝红，刘三枝. GPS定位技术及其应用M. 国防工业出版社.2006.