GPS在变形监测方面的应用

GPS在变形监测方面的应用

唐彬元杨珍

青海省地矿测绘院81000

摘要：伴随着科学技术的不断进步的同时，也促进了变形监测手段的快速更新。而今，全球定位系统GPS，以其连续、实时、高精度以及全天侯测量等独特的优点，在各类变形监测技术中得以广泛应用。本文就GPS变形监测技术在当前的运用现状及其发展趋势展开探讨，并对其存在的问题做了总结分析。

关键词：GPS技术；变形监测；精度

全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）是军事部门应用的一套导航与定位系统，最先使用的是在上世纪七十年代的美国，美国在这一系统的研制和使用方面，一直处于世界领先地位。可以说，在卫星导航和全球定位方面，GPS目前仍然处于非常先进的水平，通过卫星定位，并借助无线电传输，可以实现全方位、不间断的精度导航，在三维空间内，实现对目标的追踪。GPS系统还有着十分优秀的抗干扰能力和保密性，近些年来其应用范围不断扩展，已经从最初的军事领域，向民用领域转换。GPS定位技术的日益成熟，为测绘定位技术带来了很大的影响。在测角、测距以及水平测量方面，GPS定位系统的优势正在日益显现。

一、GPS变形监测概述

变形监测指的是对工程建筑物的地基沉降情况、发生位移以及整体的倾斜度等的变形状况进行监测。其关键也在于捕捉变形的敏感部位，以及各观测周期间的变形观测点的变形信息。变形监测过程中，如果其观测的变形在一定的限度之内，则被推断为正常变形情况，但是如果其变形超过了界定限度，就影响了建筑物的正常使用，预示将有可能带来安全危害。故在这样的情况下我们可知道，变形观测是具有高精度要求的。但是其高精度主要取决于建筑物设计中允许变形值的大小及其观测的目的。

二、GPS变形监测的优势

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，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。

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。

3.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。

4.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。

5.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。

三、GPS变形监测的应用

1.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。

2.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。

3.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。

四、GPS变形监测中存在的问题

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。另外，根据一些滑坡GPS监测资料的分析结果，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，它不能完全替代其他变形监测技术，而应在必要时采用由GPS与其他技术（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（AmbiguityResolutionOnOTheOFly，简称OTF法），但该法只能达到cm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。

五、GPS用于变形监测的发展趋势

1.建立GPS变形监控在线实时分析系统对于大坝、大型桥梁、高层建（构）筑物、滑坡和地区性地壳变形监测，研究建立技术先进而又实用的GPS变形监控在线实时分析系统是一个重要的发展趋势。这种系统由数据采集、数据传输和数据处理与分析等几个主要部分组成，可以使监测数据得到及时地分析和处理，从而实时地评价变形的现状和预测其发展趋势，为灾害发生的可能性分析与预报提供科学依据。

2.建立“3S”集成变形监测系统。“3S”指的是全球卫星定位系统GPS、地理信息系统GIS、遥感技术RS，这三项先进高科技技术统称为“3S”技术。当下，随着科学技术的飞速发展，各种研发的高新技术不断被应用到各种领域当中，其中“3S”技术的强大作用是毋庸置疑的。并且也由于当前计算机技术及无线电讯技术的高速发展，使得“3S”技术能够有效融合到变形监测中去实现更大的作用与价值，更好地服务于监测工作中。

3.建立GPS与其他变形监测技术集成组合的综合变形监测系统为克服GPS技术用于变形监测的不足和局限性，根据形监测的对象和目的，将GPS与其他变形监测技术（如IN-SAR、摄影测量和特殊变形测量技术等）集成组合变形监测系统，可实现不同监测技术之间的优势互补。

参考文献：

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