1、<p>　　GPS技術(shù)在高層建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用</p><p>　　摘要: GPS衛(wèi)星定位技術(shù)是近年來發(fā)展速度較快的一種定位技術(shù)，具有諸多的優(yōu)點，目前在城市建筑物變形監(jiān)測中有所應(yīng)用。本文結(jié)合筆者多年的實踐經(jīng)驗，介紹了GPS變形監(jiān)測技術(shù)，重點就GPS動態(tài)變形監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計工作進(jìn)行探討，并結(jié)合工程實例進(jìn)一步闡述了GPS技術(shù)在建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用，以期指導(dǎo)實踐。 </p><p>

2、;　　關(guān)鍵詞:GPS技術(shù)；變形監(jiān)測；功能設(shè)計；案例分析 </p><p>　　中圖分類號：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： </p><p>　　變形監(jiān)測是監(jiān)測城市變形體安全性的重要舉措，主要是利用專業(yè)的儀器和方法對變形體的變形現(xiàn)象進(jìn)行持續(xù)觀測，并分析變形體變形形態(tài)和預(yù)測變形的發(fā)展趨勢。在工程測量中，變形體主要包括橋梁、隧道、高層建筑物和礦區(qū)等。GPS技術(shù)作為一項全新的衛(wèi)星導(dǎo)航和定

3、位系統(tǒng)，在許多測量領(lǐng)域已替代了傳統(tǒng)的光學(xué)和電子測量方法。在建筑物變形監(jiān)測方面，GPS技術(shù)具有高精度、速度快、操作方便、全天候和實時監(jiān)測等優(yōu)點，能夠減小變形監(jiān)測的外業(yè)工作量，大大提高工作效率，并對建筑物變形形態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控，目前該項技術(shù)在城市變形體變形監(jiān)測中得到廣泛的應(yīng)用。 </p><p>　　1 GPS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理技術(shù) </p><p>　　1.1 GPS變形監(jiān)測網(wǎng) <

4、/p><p>　　GPS觀測結(jié)果是3維坐標(biāo)，有三個位置基準(zhǔn)、三個方位基準(zhǔn)和一個尺度基準(zhǔn)。因此，在基準(zhǔn)設(shè)計時，如果采用固定基準(zhǔn)點作為GPS網(wǎng)點起算數(shù)據(jù)，則至少需要三個或三個以上的穩(wěn)定基準(zhǔn)點，主要是為了保證變形監(jiān)測的可靠性。基準(zhǔn)點應(yīng)選在周圍沒有較強(qiáng)的反射面，且交通方便、遠(yuǎn)離大功率的發(fā)射電臺及高壓線、視野開闊易于保存的地方。 </p><p>　　1.2 GPS監(jiān)測網(wǎng)基準(zhǔn)點位移及觀測粗差 </

5、p><p>　　對于周期性重復(fù)觀測的GPS變形監(jiān)測網(wǎng)，采用固定基準(zhǔn)進(jìn)行變形分析是最為理想的，但如果基準(zhǔn)點發(fā)生了位移，如不加處理就會導(dǎo)致變形分析結(jié)果的失真。另外，由于受到周跳、整周模糊度解算誤差，以及多路徑效應(yīng)的影響，基線向量中可能含有粗差。地面起始點坐標(biāo)引起的系統(tǒng)誤差在基線解算中，需要一個起算點，起算點的精度將影響基線解算的精度，因此，很有必要獲得高精度的基準(zhǔn)點坐標(biāo)及監(jiān)測點坐標(biāo)。當(dāng)基準(zhǔn)起算點坐標(biāo)出現(xiàn)誤差時，將導(dǎo)致整個

6、GPS變形監(jiān)測網(wǎng)基線向量解產(chǎn)生系統(tǒng)性誤差。試驗表明，這種系統(tǒng)誤差主要反映整網(wǎng)基線向量的系統(tǒng)性旋轉(zhuǎn)和尺度變化。 </p><p>　　GPS網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)平差后，利用網(wǎng)中穩(wěn)定的非起算點進(jìn)行監(jiān)測點位移量的差分改正，以提高監(jiān)測精度和可靠性。 </p><p>　　如圖1所示，P1和P2為變形區(qū)域外固定點，以P1點為基準(zhǔn)點進(jìn)行平差計算可得P2，P3兩點相對于初值的差值ΔP2，ΔP3，由于P1為穩(wěn)定點，故

7、可用ΔP2的值對P3的變形量進(jìn)行差分改正，其大小為 </p><p>　　式中:Sp1p3和Sp1p2分別為P1，P3以及P2，P3間的基線長度，由于非起算點的穩(wěn)定性同監(jiān)測點一樣是通過某一基準(zhǔn)點一起處理而同時得到的，因而兩者之間存在誤差相關(guān)性，進(jìn)行差分改正，恰好濾掉位移量中的誤差部分。 </p><p>　　圖1監(jiān)測點差分改正圖 </p><p>　　1.3 GPS

8、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理 </p><p>　　本文采用整體方差分析法和卡爾曼濾波方法對變形觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與預(yù)測。在變形分析中，變形量的統(tǒng)計檢驗主要包括:變形量的顯著性檢驗、相關(guān)性檢驗和可測性檢驗等。兩期變形監(jiān)測網(wǎng)的坐標(biāo)差不一定反映了被監(jiān)測物體的真實變形值，它可能是由觀測的偶然誤差引起的，需要對變形量的顯著性進(jìn)行檢驗。變形誤差橢圓是變形量顯著性檢驗的一種直觀方法，以2維平面方向變形量為例。假設(shè)一二期觀測成果中，某一監(jiān)測

9、點的協(xié)方差分別為: </p><p>　　兩期成果的坐標(biāo)差ΔX=X2－X1協(xié)方差為: </p><p>　　則變形量的誤差橢圓由下列元素組成: </p><p>　　在變形監(jiān)測點的變形分析中，可認(rèn)為所得的變形觀測數(shù)據(jù)中包含有反映監(jiān)測點實際變形的信息，另外還包含有隨機(jī)干擾噪聲，這種隨機(jī)干擾噪聲包含動態(tài)噪聲和觀測噪聲。為此，本文利用卡爾曼濾波的理論對變形觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

10、，并以此為基礎(chǔ)對監(jiān)測點的變形作出一些預(yù)報。狀態(tài)方程和觀測方程分別為: </p><p>　　當(dāng)變形量較小時，將監(jiān)測點的變形量XK和變形速度UK看作狀態(tài)向量，則: </p><p>　　卡爾曼濾波的步驟如下: </p><p>　　第一步，由計算預(yù)報值: </p><p>　　第二步，由P(i/i)計算預(yù)報誤差方差陣: </p>

11、<p>　　第三步，計算增益矩陣: </p><p>　　第四步，計算預(yù)報殘差: </p><p>　　第五步，計算濾波值: </p><p><b>　　(11) </b></p><p>　　第六步，計算濾波誤差方差矩陣: </p><p>　　2 GPS動態(tài)變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 <

12、;/p><p><b>　　2.1系統(tǒng)組成 </b></p><p>　　為了實現(xiàn)變形監(jiān)測的各項功能，GPS監(jiān)測系統(tǒng)主要是由GPS測量系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)和GPS控制中心分析和管理系統(tǒng)三部分組成，系統(tǒng)包括各種硬件、管理控制軟件、通信傳輸、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理等部分。其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。 </p><p><b>　　圖2監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu) &

13、lt;/b></p><p>　　2.2系統(tǒng)軟件功能設(shè)計 </p><p>　　在軟件方面，監(jiān)測系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)監(jiān)控模塊、位移監(jiān)控模塊及通訊設(shè)計三個模塊。 </p><p><b>　　1)系統(tǒng)監(jiān)測模塊 </b></p><p>　?、倩鶞?zhǔn)站控制模塊，包括基準(zhǔn)站工作方式的控制。 </p><p&

14、gt;　?、诒O(jiān)測站控制模塊，包括監(jiān)測站參數(shù)的輸入和實時修改參數(shù)的功能。 </p><p>　?、蹟?shù)據(jù)接收管理模塊，包括監(jiān)測站實時差分RTK數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)接收和管理。 </p><p>　?、芪募芾砟K，包括監(jiān)測站RTK結(jié)果數(shù)據(jù)文件和原始觀測文件。 </p><p>　?、菹到y(tǒng)安全性監(jiān)測模塊，包括系統(tǒng)通信狀態(tài)、監(jiān)測站工作狀態(tài)和位移狀態(tài)三個模塊。 </p>

15、<p><b>　　2)位移監(jiān)控模塊 </b></p><p>　?、賵D形顯示模塊，包括監(jiān)測點各分量的計算和實時顯示。 </p><p>　?、贕PS后護(hù)理模塊，包括靜態(tài)及動態(tài)后處理軟件等。 </p><p>　?、蹐缶K，包括監(jiān)測點位移超限、通信線路故障等報警。 </p><p><b>　　

16、3)通訊設(shè)計模塊 </b></p><p>　　整個網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各節(jié)點通過光纜連接到監(jiān)控中心，由于節(jié)點間相互獨立，整個網(wǎng)絡(luò)具有較高的可靠性和可操作性;網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議采用NetBEUI協(xié)議，它支持TCP/IP協(xié)議;監(jiān)控中心服務(wù)器采用WindowsNT網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，并負(fù)責(zé)內(nèi)部的IP地址過濾、訪問控制、資源共享和網(wǎng)絡(luò)管理。 </p><p>　　2.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)與應(yīng)用 &

17、lt;/p><p>　　數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和交換的主要承載體，是系統(tǒng)的核心，它在整個系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)管理的任務(wù)。數(shù)據(jù)庫管理即對數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入、查詢、刪除和打印等操作。數(shù)據(jù)庫設(shè)計必須具備數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)刪除等功能(如圖3所示)。表1是系統(tǒng)中典型的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)。 </p><p><b>　　圖3數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu) </b></p><p>　

18、　表1監(jiān)測點形變量表 </p><p><b>　　2.4案例分析 </b></p><p>　　某大橋受季風(fēng)影響，常年平均風(fēng)速很大，加上周日及季節(jié)溫差大，各種惡劣的因素將對施工期大橋建設(shè)帶來十分不利的影響，尤其對大橋的超高索塔、超長鋼箱梁懸臂和斜拉索的影響將更加明顯。為此，研究和開發(fā)大橋索塔GPS實時動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)，加強(qiáng)對索塔施工過程的控制和重要環(huán)節(jié)的監(jiān)測，分析不

19、同條件下索塔的變形規(guī)律，評價索塔安全，正確指導(dǎo)施工。 </p><p>　　為使系統(tǒng)滿足索塔動態(tài)監(jiān)測的需要，正確反映索塔的運動規(guī)律，監(jiān)測系統(tǒng)必須達(dá)到一定的監(jiān)測精度與采樣頻率。對于監(jiān)測精度，從技術(shù)角度上分析，索塔的變形是以厘米級為單位的，要求所采用的監(jiān)測技術(shù)和儀器能夠滿足厘米級的精度。GPS實時動態(tài)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于索塔監(jiān)測，不僅可以滿足監(jiān)測精度，更重要的是它具有自動化、實時性高等優(yōu)點，在自然條件極為復(fù)雜的橋梁索塔監(jiān)測

20、中將發(fā)揮重要作用。 </p><p>　　結(jié)合GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)，采用回歸分析和卡爾曼濾波的方法進(jìn)行變形量的分析和預(yù)測?；貧w結(jié)果的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.99，而在卡爾曼濾波中根據(jù)先驗信息，取 </p><p><b>　　，Q=0.2 </b></p><p>　　兩種方法的估計值和殘差值見表2，殘差平方和分別為0.207和0.418，并且

21、最大估計偏差分別為0.22mm和0.35mm，可見兩種方法進(jìn)行監(jiān)測點的變性分析和預(yù)測都是可行的。 </p><p>　　表2不同方法的比較(單位:mm) </p><p>　　變形監(jiān)測系統(tǒng)得到的變形觀測值，里面可能包含系統(tǒng)誤差，也可能是由于基準(zhǔn)點的位移引起的，如何顧及變形值的關(guān)聯(lián)信息，同時對變形值進(jìn)行分析，本文給出了整體方差法以及顯著性檢驗的方法，確保變形值的準(zhǔn)確性和有效性，采用回歸分析法

22、和卡爾曼濾波的方法進(jìn)行變形預(yù)測。實例計算結(jié)果表明該方法是可行和有效的。 </p><p><b>　　3結(jié)束語 </b></p><p>　　為了更好的發(fā)揮GPS變形監(jiān)測的效果，工程人員應(yīng)利用不同條件下更多的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行測試來發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)一步完善GPS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)的需要；同時隨著時間的推移，GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)積累會愈加豐富，如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理

23、和分析，并且從中獲取有用的信息也成為了工程人員需要解決的難題。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 王中元;周天強(qiáng);張鵬飛.高層建筑物GPS動態(tài)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[J].測繪科學(xué).2012年第01期 </p><p>　　[2] 申小平;?豪榮;唐錢龍.GPS定位技術(shù)在建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].土工基