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GPS在高层建筑变形监测中的应用

来源：尚车旅游网

第30卷　第2期2009年3月

技术与创新管理

Vol.30　No12Mar12009

TECHNOLOGYANDINNOVATIONMANAGEMENT

【技术应用与研究】

GPS在高层建筑变形监测中的应用

赵宜行

(西安科技大学测绘学院,陕西西安710054)

摘　要:GPS技术以其连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点,在变形监测的应用越来越发挥着传统测量无法比拟的作用。对GPS技术在高层建筑变形监测应用中的监测模式、测量方法、数据处理及其待解决的一些问题做了介绍和分析,最后指出了GPS技术在变形监测中应用的发展前景将更加广阔。关键词:GPS技术;高层建筑;变形监测

中图分类号:P228.4　　　文献标识码:A　　　文章编号:1672-7312(2009)02-0240-03

OnGPSApplicationintheHigh2riseBuildingDeformationMonitoringZHAOYi2hang

(CollegeofGeomatics,SurveyDepartment,Xi′anUniversityofScienceandTechnology,Xi′an710054,China)

Abstract:GPStechnologyplaysamoreincomparablerolethantraditionalmeasurementintheapplicationofdeformationmonitoringforitsadvantagesofcontinuous,real2time,high2precisionandall2weathermeasurements,higherdegreeofauto2mationandsoon.Thepaperintroducesandanalyzesthemonitoringmode,measurementmethods,dataprocessingandsomeoftheproblemstobesolvedinGPStechnologyinthehigh2risebuildingdeformationmonitoringapplication,andthencon2cludesthatthedevelopmentprospectsofGPStechnologydeformationmonitoringapplicationsinthefuturewillbeevenbrighter.

Keywords:GPStechnology;high2risebuilding;deformationmonitoring

1　引　言

随着国民经济建设的发展,高层建筑物的形体日益复杂,施工工艺不断改进,对建筑物的形变监测提出了新的和更高要求。高层建筑物结构体型的复杂化造成了不利的监测环境,而施工工艺的改进对形变监测工作提出了快速、高精度的要求。面对新的要求,传统监测方法已显得难有所为,利用新的技术手段和研究新的监测方法尤显必要,因此变形监测技术在不断地向前发展。

全球定位系统(GPS)作为20世纪一项高新技术,具有速度快、全天候、自动化、测站间无需通视、可同时测定点的三维坐标及精度高等优点,因而获3

得了广泛应用。

2　GPS变形监测技术

常规的监测技术是应用水准测量的方法,监测

地基的沉降;应用三角测量(或角度交会)的方法监测地基的位移和整体的倾斜。由于被监测物体通常都是几何尺寸巨大,监测环境复杂,监测技术要求较高。因此应用常规技术不仅观测时间长、劳动强度大,而且难以实现自动化监测。而利用GPS定位技术、不需要通视、可全天候工作定位精度也高。研究表明,利用GPS进行水平位移观测可获得小于±2mm精度的位移矢量,高程的测量也可获得不大于

±10mm的精度。

收稿日期:2008-06-23

作者简介:赵宜行(1983-),男,江西南昌人,在读硕士研究生,主要从事GPS变形监测技术的研究.

第2期

2.1　GPS变形监测模式

赵宜行:GPS在高层建筑变形监测中的应用・241・

方法(RealTimeKinematic),是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术。其原理是:在基准站上安置一台GPS接收机,对所有可见GPS卫星进行连续观测,并将观测数据通过无线电传输设备,实时地发送给在各监测点上移动观测(1～3秒钟)的GPS接收机,移动GPS接收机在接收GPS信号的同时,通过无线电接收设备基准的观测数据,再根据差分定位原理,实时计算出监测点三维坐标及精度,精度可达2～5cm。基准点与监测点有5颗以上共视GPS卫星精度可达1～2cm。

静态和动态各有优缺点,根据实际需要选择。一般基准网应采用静态测量方法,当基准网的边长超过10km,要考虑基准网的起算点与国际IGS站联测,基线向量解算时采用精密星历,保证基线解算的精度。对监测点进行测量时,可采用快速静态测量法。在桥梁监测时,可选择实时动态测量,如果距离近,基准点与监测点有5颗以上共视GPS卫星时,精度可达1～2cm。

GPS用于变形监测的作业模式可概括为周期性

和连续性两种。当变形体的变形速率相当缓慢,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、一年或甚至更长时间。连续性变形监测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。

周期性监测模式一般采用静态相对定位测量方法。连续性监测模式,适用于对自动化要求高,数据采集周期短的监测项目,在数据处理方法上,可选择静态相对定位和动态相对定位两种方法。在一些高层建筑物等工程的动态监测中,可运用GPS连续监测模式。该模式实现24小时的连续观测,使监测、监控、决策实现远距离控制,但该模式要求GPS接受设备必须永久固定在变形点上成本较高。为解决连续性监测模式高成本问题,研究低成本的GPS一机多天线在线实时监测分析是很有实际意义的,利用若干GPS天线和具有若干通道的微波开关,相应的微波开关控制电路及1台GPS接收机组成一机多天线系统。

2.2　GPS在变形监测中的测量方法

3　GPS测量数据处理

GPS数据处理过程可划分为基线解算和网平差

两个阶段。

GPS基准网的基线解算,应采用GAMIT或Bernese软件和IGS精密星历。平差计算应采用PowerADJ科研办软件。目前国际上著名的高精度GPS软件有:瑞士Bernese大学的Bernese软件,美

按监测对象及要求不同,GPS在变形监测中可选择静态测量法,快速静态测量法和动态测量法三种。

1)静态测量法:静态测量法,就是把多于3台GPS接收机同时安置在观测点上同步观测一定时

国的GAMIT/GLOBK软件,德国GFZ的EPOS.V3,美国JPL的GIPSY软件等。这些软件对高精度GPS的数据处理分为两个主要方面:一是对GPS原始数据进行处理获得同步观测网的基线解;二是对各同步网进行整体平差和分析,获得GPS网的整体解。这些软件数据处理的重点都在于同步网的基线处理,而在网平差分析方面,特别是多个子网的系统误差分析、粗差分析及随机误差处理方面,大都没有好的处理方法。国内著名的GPS平差软件有:原武汉测绘科技大学研制的GPSADJ系列平差处理软件及同济大学的TGPPS静态定位后处理软件,这些软件主要用于完成商用GPS基线处理软件结果的三维和二维平差。

使用数据处理软件进行GPS网平差,需要按以

下几个步骤进行(见图1):

1)提取基线向量,构建GPS基线向量网;2)三维无约束平差;

段,一般为1小时至2小时不等,用边连接方法构网,用后处理软件解算基线,经平差计算求定观测点三维坐标。这种方法定位精度高,适用于长边,测边相对精度可达10。

2)快速静态测量法:这种方法尤其适用于对监测点的观测。其工作原理是:把两台GPS接收机安置在基准点上固定不动连续观测,另1～4台接收机在监测点上移动,每次观测5～10分钟(采样间隔为2秒),经事后处理,解算出各监测点的三维坐标,根据各次观测解算出的三维坐标精度为:水平位移±3～±5mm,垂直位移±5～±8mm。若距离大于3km,水平精度为5mm+1ppm・D,垂直精度为8mm+1ppm・D。

3)动态测量法:该方法又分:准动态测量方法和实时动态测量法。实时动态测量方法又叫RTK

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3)约束平差/联合平差;4)质量分析与控制。

定整周模糊度对提高GPS定位的作业效率具有极其重要的作用。

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(AmbiguityResolutionOn2The2Fly,简称OTF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。

图1　GPS网平差的总体流程4.3　多路径效应的影响

4　GPS变形监测待解决的问题

4.1　GPS变形监测技术的不足

GPS技术用于高层建筑变形监测存在如下不足

在GPS测量中,如果测站周围的反射物所反射的卫星信号(发射波)进入接收机天线,这就将和直接来自卫星的信号(直接波)产生干涉,从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称做多路径效应。具体的GPS高层建筑变形监测中的多路径影响主要有GPS接收机旁边高物的多路径影响和高层建筑屋顶的多路径影响。由于多路径效应是GPS测量中一种重要的误差源,将严重损害GPS测量的精度,因此必须对多路径效应的影响进行处理。具体的处理方法可以有施测器材方面的和数据处理方面的。在施测器材方面可以采用好的接收机,好的天线和给接收机加抑流圈,适当减小多路径效应的影响;在数据处理方面,由于多次观测中的多路径效应的影响会出现复现性,因此可以在数据处理时针对其复现性进行建摸,并将其剔除,从而适当削弱多路径效应的影响。

之处:GPS接收机在高山峡谷、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;GPS用于动态变形监测时,由于GPS动态测量的精

度只能达到厘米级,对微变形量,GPS测量误差成为强噪声,从受强噪声干扰的序列观测数据中提取微弱的变形信息,是GPS动态监测应解决的一个关键技术问题;GPS与一般全站仪、测斜仪等监测设备相比,设备成本较高,一般要3台以上GPS接收机;GPS误差源多,与传统大地测量手段相比,GPS定位结果和观测值之间的函数关系复杂,误差源多,数据处理过程中任一环节处理不好都将影响最终的监测精度。

4.2　整周模糊度的解算问题

5　结　语

虽说GPS定位技术还有一些待解决的问题,但是其在高层建筑变形监测中的应用还是具有可行性。而且随着社会的飞速发展,各种大型的高层建筑物越来越多,其变形监测的工作也变得越来越重要。但是若用传统的测量方法不(下转第253页)

模糊度的解算就是快速可靠地确定GPS载波相位测量中的初始整周模糊度,这是把GPS载波相位测量用于动态测量的关键问题之一,同时模糊度的正确求解是获得高精度GPS基线向量解的先决条件。在一般精度的GPS定位中,定位所需的时间实际上就是正确整周模糊度所需要的时间。快速确

第2期贺秀英:电子资源冲击下的高校图书馆信息资源配置・253・

足读者的信息需求。在信息资源优化配置方面应注意对网络信息资源的开发和利用,一是根据学校的学科设置,对网络中具有较高参考价值的信息资源进行深加工、分类标引、设置栏目、使大量随机无序的信息资源转变为有序的可利用的资源;二是建立专业站点导航,目前因特网上至少含有600个大型图书馆,400个联网的学术文献库2000多种网上杂志,900多种新闻媒体的网络版,总计约100多万个信息源,图书馆应充分重视对这些资源的利用,建立专业数据指引库,尽可能详尽地提供网络导航服务。

对图书馆个体而言,在文献购置实践中,文献采购人员要与读者的合作、与本馆其他部门的合作、与其他图书馆及信息管理部门合作、与提供商的合作;只有在充分调研的基础上,通过提供商的免费试用,读者积极反馈试用意见,图书馆统计和分析试用情况等步骤,才具有一种文献的取舍依据。

通过联合开发和协调购置,根据我省高等教育发展情况,高校教师、科研人员对外文资源的需求情况、外文资源的出版情况和学科特色等,确定我省高校系统每年应该收藏多少种类的文献,逐步建立和完善资源共享途径,深化资源购置协调工作,最终建立本地区的外文资源保障系统。这种外文资源保障系统除了有本地区的特色外,还有地理距离的优势。参考文献:

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(上接第242页)

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仅工作量大,而且其精度也很难达到,而GPS定位技术此时在高层建筑变形监测中显示出传统监测技术所无法比拟的优越性。相信随着GPS技术方法的不断完善,定能使其优越性得到更好的发挥,并且其在变形监测中的应用前景也将更加广阔。参考文献:

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