GPS在变形监测程中的应用

1、GPS在变形监测中的应用河南工程学院刘小强摘要：对GPS技术在变形监测中的应用、主要的GPS变形监测数据处理方法、周期性监 测和连续性监测模式以及GPS变形监测存在的问题进行了全面的阐述。关键词：GPS测量；变形监测；连续监测系统；整周模糊度一、引言现实世界中许多灾害的发生与变形有着极为密切的联系，例如地震、溃坝、滑坡以及桥 梁的垮塌等等，都是典型的变形破坏现象。因而，变形监测研究在国内外受到了广泛的重视。 随着各种大型建筑的大量涌现以及滑坡等地质灾害的频繁发生，变形监测研究的重要性更加 突出，推动着变形监测理论和技术方法的迅速发展。随着科学技术的进步和对变形监测的要求的不断提高，变形监测技术

2、也在不断地向前发 展。GPS作为20世纪的一项高新技术，由于具有定位速度快、全天候、自动化、测站之间 无需通视、可同时测定点的三维坐标及精度高等特点，对经典大地测量以及地球动力学研究 的诸多方面产生了极其深刻的影响，在工程及灾害监测中的应用也越来越广泛。二、GPS技术在变形监测中的应用随着GPS接收机硬件性能的提高和软件处理技术的进步，GPS相对定位的精度从以 前的1。-7提高到10-9量级。进入90年代以来，由于GPS定位技术具有测站间无须通视、 观测不受气候条件限制，可同时测定点的三维坐标，自动化程度高等特点，GPS技术逐渐 成为变形监测中的一种重要手段。应用GPS技术进行板块运动和地壳形

3、变监测为描述地球 动力状态的一些物理模型提供了直接的经验。比如80年代的监测手段SLR （卫星激光测 距）和VLBI（甚长基线干涉），GPS作业具有极大的灵活性，得到了广泛的应用。如：在 美国加利福尼亚州，从1990年开始，南加州的地震中心小组便沿着州内震断层布设了站间 距10-15km的许多个GPS跟踪站阵列，根据这些GPS跟踪站测得的变形量为地震预报 提供信息。我国也成功建立了国家地壳形变GPS监测网、青藏高原地壳运动GPS观测网 等。GPS用于短距离变形监测的精度可达亚毫米级，从而为大型建筑物（如大坝、桥梁、 大型厂房等）及滑坡崩塌等高精度变形监测提供了一种新的手段。早在1988年9月，

4、美 国工程兵测绘研究所就已经将GPS用于大型建筑物的形变监测，研制了一种利用GPS载 波相位观测值近似实时监测大型建筑物的连续监测系统CDMS。在我国，清江隔河岩大坝 外观GPS监测系统也是一次成功的应用。GPS用于变形监测的作业主要方法有经典静态测量方法和动态测量方法。经典静态测 量方法用于缓慢变形场合，如地壳板块运动，城市地表沉降等。对于缓慢变形场合，常用静 态基线解算方法，如FARA（Fast Ambiguity Resolution Approach）法等。对于动态变形监测 常用OTF（On The Fly）方法或模糊度函数法求解整周模糊度。有关的研究表明：将GPS用 于动态变形监测的

5、水平精度不低于常规方法，但高程分量比常规方法低，不过其效率是常规 方法无法比拟的。三、GPS变形监测数据处理方法在GPS监测系统中，数据处理的主要工作是观测资料的解算，如GPS差分求解、GPS 监测网平差等，以提供高精度、高可靠性的相对位置信息。而数据分析的重点则包括变形基 准的确定，正确区分变形与误差，提取变形特征，并解释其变形成因。根据变形体的研究范围，可将变形监测研究对象分为全球性变形研究；区域性变形研究； 工程和局部性变形研究3类。根据被监测对象的特点，存在3种不同的作业和监测模式：周期性重复测量、固定连 续GPS测站阵列和实时动态监测。其中，周期性重复监测是最常用的一种监测模式，一般

6、 采用静态相对定位方式进行数据处理。每一期观测值相当于进行一次相对定位，通过计算两 期间监测点的位置变化（坐标差）来测定变形量。对于小范围内的监测网，有时也采用快速 静态定位方式进行数据处理。固定连续GPS测站阵列是在一些重点或关键地区（如滑坡危 险地段）或敏感工程建筑物（如大坝）布设永久GPS监测站，在这些测站上进行连续观测， 数据传输到数据处理中心进行处理。由于研究的是缓慢变形，因此几分钟甚至几十分钟的数 据可以作为一组，采用静态相对定位方式进行处理。实时动态监测模式主要是实施监测工程 建筑物的动态变形，如大桥在载荷作用下的快速变形。这种监测的特点是数据采样密度高， 而且要计算出每个历元的

7、位置。目前，数据处理主要采用OTF处理方式：观测开始后用几 分钟的观测数据解算整周模糊度，然后用求得的整周模糊度解算每一历元监测点的位置。随着GPS技术在变形监测中的广泛应用，数据处理的方法也日趋多样化。如：静态数 据处理方法；单历元解算方法；动态卡尔曼滤波方法；谱分析方法：小波变换方法；神经网 络方法等。四、GPS变形监测模式GPS用于变形监测的作业方式可分为周期性和连续性两种模式。1.周期性监测模式当形变体的变形速率相当缓慢（如地壳运动，处于缓慢变形阶段的滑坡体位移等），在局 部时间域和空间域内可以认为稳定不动时，可利用GPS进行周期性变形监测，监测频率视 具体情况可为数月、一年或甚至数年

8、之久。此时采用GPS静态相对定位方法测量，将2台 以上GPS接收机安置在观测点上同步观测一段时间，观测时段长度和时段个数依监测精度 的要求而定。一般采用边连接方式构成监测网，数据处理与分析在事后进行，用后处理软件 进行基线解算，经过平差计算求得观测点的三维坐标。这种方法尤其适用于长边监测网，边 长相对精度可高达10 9。2.连续性监测模式连续性变形监测指的是采用固定监测仪器进行长时间的数据采集，获得变形数据系列， 此时监测数据是连续的，具有较高的时间分辨率。根据变形体的不同特征，GPS连续性监 测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测，一般要求变形响应的实 时性。例如，大坝在

9、超水位蓄洪时，必须时刻监视其变形状况，要求监测系统具有实时的数 据传输和数据处理与分析能力。对于桥梁的静动载试验和高层建筑物的振动测量等，其监测 的主要目的在于获取变形信息及其特性，数据处理与分析可以在事后进行。对于建在活动的 滑坡体上的城区、厂房，需要实时了解其变化状态，以便及时采取措施，保证人民生命财产 的安全，可采用全天候实时监测方法，即建立GPS自动化监测系统。系统的精度可按要求 设定，目前最高监测精度可达到亚毫米级。系统的响应速度快，从控制中心敲击键盘开始， 几分钟内可以了解到监测点位置的实时变化情况。在动态监测方面，过去一般采用加速度计、激光干涉仪等测量设备测定建筑结构的振动 特性

10、，但是，随着建筑物高度的增加，以及对监测工作的连续性、实时性和自动化程度的要 求的提高，常规测量技术已越来越受到局限。GPS作为一种新方法，随着其硬件和软件的 发展与完善，在大型结构物动态特性和变形监测方面已显示出独特的优越性。近几年来，国 内外利用GPS在这方面进行了一些试验研究工作。例如，利用GPS技术对加拿大卡尔加里 （Calgary）塔在强风作用下的结构动态变形进行了测定；国内对一些大跨度悬索桥和斜拉桥 （如广东虎门大桥）已尝试安装GPS实时动态监测系统，深圳帝王大厦的风力振动特性采用了 GPS进行测量。为了获得监测对象的动态特征，需要进行连续的、高频率的数据采样。高 采样率卫星接收机

11、（20Hz、10Hz、5Hz）的出现，使之成为研究各种工程建（构）筑物的动态变 形特征的新方法。五、GPS变形监测存在的问题GPS应用于变形监测，已取得许多试验研究成果。但在现阶段，在高山峡谷、地下、 建筑物密集地区和密林深处，由于卫星信号被遮挡及多路径效应的影响，其监测精度和可靠 性不高或无法进行监测。应用GPS技术，也只能获取形变体上部分离散点的位移信息。，目 前GPS监测水平位移的精度较高，而监测垂直位移的精度较低（约比水平位移的监测精度低 2倍），这种状况使得高精度变形监测中还难以利用GPS同时精确测定平面和垂直位移。由 于GPS存在这些不足之处，它不能完全替代其它变形监测技术，而应在

12、必要时采用由GPS 与其它技术（GIS、RS、INSAR、近景摄影测量和特殊变形测量技术等）集成组合而成的变 形监测系统。目前，GPS动态变形监测数据处理主要采用的是整周模糊度动态解算方法 （AmbiguityReso-lution OnTheFly，简称0TF法），但该法只能达到厘米级精度，不能满 足高精度动态变形监测的需要。另外，对于动态变形监测，由于监测点在很短时间内的变形 是微小的，表现为一种弱信号，而误差却成为强噪声，如何从受强噪声干扰的序列观测数据 中提取微弱的特征信息，以提高变形监测的精度，是GPS动态监测系统应解决的一个关键 技术问题。目前，这一问题通常是采用数据平滑或Kalman滤波的方法在时域内进行处理。 对于变形的频率和幅值等主要变形特征的分析，则通常采用频谱分析法将时域内的数据序列 通过Fourier级数转换到频域内进行分析。但由于这些方法本身存在的缺陷，对于非平稳、 非等时间间隔观测信号的变形特征提取存在局限性。参考文献何秀凤，华锡生等.GPS 一机多天线变形监测系统.水电自动化与大坝监测，2002王琪，游新兆，王启梁.用全球定位系统（GPS）监测青藏高原地壳形变J.地震地质，1996杨光，何秀风，华锡生，等.GPS 一机多天线在小浪底大坝变形监测中的应用J.水电自动化与大坝 监测