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摘 要：当建筑的变形超过自身允许变形范围后，就会带来灾难性的后果。特别是高层建筑物、大坝、桥梁等大型构筑物，如果它们受到不可逆的损害或自然灾害后，将带来巨大的经济损失和社会影响。因此，对建筑物特别是大型建筑物的变形进行监测是十分必要的。
关键词：GPS技术建筑变形 监测
中图分类号：P228.4文献标识码： A 文章编号：
前言
随着科学技术的进步和对变形监测的要求的不断提高，变形监测技术也在不断地向前发展。GPS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。
一、GPS 在变形监测中的应用现状
经过近十年的迅速发展,GPS观测边长相对精度已经能够达到10-9,比传统大地测量精度提高了3个量级。GPS 技术在变形监测方面主要应用于以下领域:
1利用GPS 技术解决了常规观测中需要多种观测的问题,观测结果能充分反映滑坡的全方位活动性,是监测滑坡变形、掌握滑坡发育规律的切实可行的技术;2利用GPS 技术可对大型建筑物位移实时监测,具有受外界影响小、自动化程度高、速度快、精度较高等优点,可以全天候测量被测物体各测点的三维位移变化情况,找出被测物体三维位移的特性规律,为大型建筑物的安全营运、维修养护提供重要的参数和指导;
3利用GPS 精密定位技术不仅可以满足水库大坝外观变形监测工作的精度要求,而且有助于实现监测工作的自动化。
4 GPS 技术还应用于地面、海上勘探平台及高层建筑物等的沉陷观测中。
二、GPS技术应用的优点
1自动化程度高
用GPS接收机进行测量时,仅需一人将天线准确地安置在测站上,两侧天线高,接通电源,启动接收单元,仪器即自动开始工作。在结束测量时,只需关闭电源,受接收机便完成野外数据采集。若在一个测站上需要作长时间的连续测量,还可实行无人值守的数据采集,通过数据传输,将所采集的定位数据传输到数据处理中心,实现自动化的GPS测量和计算。
2定位精度高
短距离(15公里以内)精度可达毫米级,中、长距离(十几公里甚至几百公里)相对精度可达到10.7～10.8。现在大型建筑物、构筑物变形监测,在采用特殊的观测措施、精密星历和适当的数据处理模型和软件后,平面精度可达亚毫米级,高程精度可稳定在1mm左右。
3可以实现全天候的实时动态观测
实时动态(Real Time Kinematic,简称RTK)测量技术,是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS(RTD GPS)测量技术,它是GPS测量技术发展中的一个新突破。该技术可通过实时计算定位结果,便可监测基准站与用户站观测成果的质量和解算结果的收敛情况,从而可实时地判定解算结果是否成功。应用GPS定位、导航,不受天气的影响,可以全天候地工作。这一特点保证了变形监测的连续性和自动化。对于巨型水库大坝、重要精密的构筑物等,需要实时掌握其稳定状态,采用GPS技术进行实时动态监测,是非常有效的。
4可消除或削弱系统误差的影响
在变形监测中我们关注的是两期的变形量,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。即在变形监测中,接收机天线的对中误差、正平误差、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。
5可直接用大地高进行垂直变形测量
由于GPS定位系统测定的是大地高,而在垂直位移监测中我们关注的只是高程变化因而完全可以在大地高系统中进行监测。目前IGS提供的精密星历足以保证大地高系统的稳定性,从而避免在高程系统的转换过程中精度的损失。
6应用前景广阔
由于GPS技术不仅具有以上优点,而且具有全球、无误差积累等优点。使观测工作效率大大提高,同时也节省了大量的人力和物力。因此,GPS定位技术在变形监测中迅速得到了推广,成为一种新的很有前途的变形监测方法。
三、GPS变形监测技术的发展趋势
全球定位系统GPS经过近十年的迅速发展成熟,它可以用比较低的投入就能达到比较满意的观测精度。目前GPS观测边长相对精度已经能够达到10 - 9的相对精度,比传统大地测量精度提高了三个量级,短边和点位精度也达到毫米级。 GPS技术在变形监测方面主要是应用于以下几个领域:
1滑坡变形监测,利用GPS技术解决了常规观测中需要多种观测的问题,观测结果能充分反应滑坡的全方位活动性,对监测滑坡变形、掌握滑坡发育的规律切实可行;
2大型構筑物位移实时监测,该技术具有受外界影响小、自动化程度高、速度快、精度较高等优点,可以全天候测量被测物体各测点的三维位移变化情况,找出被测物体三维位移的特性规律,为大型建筑物的安全营运、维修养护提供重要的参数和指导作用。
3水库大坝外观变形监测,GPS精密定位技术不仅可以满足大坝变形监测工作的精度要求,而且更有助于实现监测工作的自动化。另外,GPS技术还用于地面沉陷、海上勘探平台沉陷及高层建筑物等的沉陷观测。因此,可以说GPS技术在工程变形监测系统、工程施工的自动控制系统是未来应用研究的重要方向之一。
另外GPS与INSAR集成组合产生了GPS/ INS系统,实现了两者的优势互补,从离散点位测定进入到四维形变场( x,y,z,t)的整体动态精确测定,不仅使GPS变形监测技术范围更加广阔,还使大地测量学又派生了一个新的分支——“影像大地测量学(Imageodesy) ”。现在GPS监测技术不仅可以应用于水库大坝、各种滑坡的外观形变监测等精密形变监测中,而且现在GPS等空间测地技术已经开始研究板块运动、亚板块运动等问题,这在过去是不敢想象的。GPS等空间测地技术的应用大范围、整体性地进行地壳运动观测,将使地壳形变观测在空间域的控制能力和分辨能力极大地提高,这给GPS等大型工程的变形监测发展带来了新的机遇,也为推进高精度变形监测的研究注入了新的活力。
在1993年Rock Santerre和Gerhard Beutler还提出了一机多天线概念,但是这种想法只是改进接收机内部结构,是不能降低硬件设备的费用,而且天线的数量非常有限。所谓一机多天线就是一个GPS接收机与多个简单的GPS天线连接,只用一个接收机处理各天线接收传送下来的GPS观测信号。1999年DingXL提出了另一种完全不同的一机多天线的思想并成功研制了一机多天线GPS变形监测系统，既不改变目前已有的GPS接收机结构,而通过一个附加的GPS信号分时器来实现一机多天线。这一思想在设计上是多天线阵列与接收机的连接使用一个时分单通连接开关即GPS多天线转换开关GMS(GPSMulti antenna Switch)能与任意多个GPS天线相连,由于GMS从一天线转换置下一天线在返回到该天线时,接收机记录数据表现为失锁,同时这种转换是瞬时完成的当监测区域不大时,重捕获的时间只需数秒,所以在两根天线之间转换时,应作为一个采样历元的间隔停留,以便处理软件识别和区分来自不同天线的数据。当实践证明,采用一机多天线GPS系统,不仅大大节省硬件设备费用的投入,而且能够有效地应用于局部变形监测之中。
结束语
GPS 技术应用于变形监测领域,已经有了广阔的空间,但是目前的高精度的GPS 数据处理软件的专业化太强,需要很高的专业技术,在普通的应用中有很大的限制。因此,GPS 定位技术作为一种新的很有前途的变形监测方法,它的发展空间还很大,将会越来越趋向于自动化、智能化、经济化等。
参考文献
[1] 薛永安. GPS变形监测数据处理方法研究与软件研制[D]. 太原理工大学 2006
[2] 吴江淮. 建筑物静态变形监测数据分析与处理[D]. 同济大学 2007
[3] 彭广亮. 变形监测数据处理与分析方法研究[D]. 辽宁工程技术大学 2007
[4] 陈亮亮. GPS监测建筑物变形及监测系统模型的建立[D]. 南昌大学 2007
关键词：GPS技术建筑变形 监测
中图分类号：P228.4文献标识码： A 文章编号：
前言
随着科学技术的进步和对变形监测的要求的不断提高，变形监测技术也在不断地向前发展。GPS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。
一、GPS 在变形监测中的应用现状
经过近十年的迅速发展,GPS观测边长相对精度已经能够达到10-9,比传统大地测量精度提高了3个量级。GPS 技术在变形监测方面主要应用于以下领域:
1利用GPS 技术解决了常规观测中需要多种观测的问题,观测结果能充分反映滑坡的全方位活动性,是监测滑坡变形、掌握滑坡发育规律的切实可行的技术;2利用GPS 技术可对大型建筑物位移实时监测,具有受外界影响小、自动化程度高、速度快、精度较高等优点,可以全天候测量被测物体各测点的三维位移变化情况,找出被测物体三维位移的特性规律,为大型建筑物的安全营运、维修养护提供重要的参数和指导;
3利用GPS 精密定位技术不仅可以满足水库大坝外观变形监测工作的精度要求,而且有助于实现监测工作的自动化。
4 GPS 技术还应用于地面、海上勘探平台及高层建筑物等的沉陷观测中。
二、GPS技术应用的优点
1自动化程度高
用GPS接收机进行测量时,仅需一人将天线准确地安置在测站上,两侧天线高,接通电源,启动接收单元,仪器即自动开始工作。在结束测量时,只需关闭电源,受接收机便完成野外数据采集。若在一个测站上需要作长时间的连续测量,还可实行无人值守的数据采集,通过数据传输,将所采集的定位数据传输到数据处理中心,实现自动化的GPS测量和计算。
2定位精度高
短距离(15公里以内)精度可达毫米级,中、长距离(十几公里甚至几百公里)相对精度可达到10.7～10.8。现在大型建筑物、构筑物变形监测,在采用特殊的观测措施、精密星历和适当的数据处理模型和软件后,平面精度可达亚毫米级,高程精度可稳定在1mm左右。
3可以实现全天候的实时动态观测
实时动态(Real Time Kinematic,简称RTK)测量技术,是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS(RTD GPS)测量技术,它是GPS测量技术发展中的一个新突破。该技术可通过实时计算定位结果,便可监测基准站与用户站观测成果的质量和解算结果的收敛情况,从而可实时地判定解算结果是否成功。应用GPS定位、导航,不受天气的影响,可以全天候地工作。这一特点保证了变形监测的连续性和自动化。对于巨型水库大坝、重要精密的构筑物等,需要实时掌握其稳定状态,采用GPS技术进行实时动态监测,是非常有效的。
4可消除或削弱系统误差的影响
在变形监测中我们关注的是两期的变形量,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。即在变形监测中,接收机天线的对中误差、正平误差、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。
5可直接用大地高进行垂直变形测量
由于GPS定位系统测定的是大地高,而在垂直位移监测中我们关注的只是高程变化因而完全可以在大地高系统中进行监测。目前IGS提供的精密星历足以保证大地高系统的稳定性,从而避免在高程系统的转换过程中精度的损失。
6应用前景广阔
由于GPS技术不仅具有以上优点,而且具有全球、无误差积累等优点。使观测工作效率大大提高,同时也节省了大量的人力和物力。因此,GPS定位技术在变形监测中迅速得到了推广,成为一种新的很有前途的变形监测方法。
三、GPS变形监测技术的发展趋势
全球定位系统GPS经过近十年的迅速发展成熟,它可以用比较低的投入就能达到比较满意的观测精度。目前GPS观测边长相对精度已经能够达到10 - 9的相对精度,比传统大地测量精度提高了三个量级,短边和点位精度也达到毫米级。 GPS技术在变形监测方面主要是应用于以下几个领域:
1滑坡变形监测,利用GPS技术解决了常规观测中需要多种观测的问题,观测结果能充分反应滑坡的全方位活动性,对监测滑坡变形、掌握滑坡发育的规律切实可行;
2大型構筑物位移实时监测,该技术具有受外界影响小、自动化程度高、速度快、精度较高等优点,可以全天候测量被测物体各测点的三维位移变化情况,找出被测物体三维位移的特性规律,为大型建筑物的安全营运、维修养护提供重要的参数和指导作用。
3水库大坝外观变形监测,GPS精密定位技术不仅可以满足大坝变形监测工作的精度要求,而且更有助于实现监测工作的自动化。另外,GPS技术还用于地面沉陷、海上勘探平台沉陷及高层建筑物等的沉陷观测。因此,可以说GPS技术在工程变形监测系统、工程施工的自动控制系统是未来应用研究的重要方向之一。
另外GPS与INSAR集成组合产生了GPS/ INS系统,实现了两者的优势互补,从离散点位测定进入到四维形变场( x,y,z,t)的整体动态精确测定,不仅使GPS变形监测技术范围更加广阔,还使大地测量学又派生了一个新的分支——“影像大地测量学(Imageodesy) ”。现在GPS监测技术不仅可以应用于水库大坝、各种滑坡的外观形变监测等精密形变监测中,而且现在GPS等空间测地技术已经开始研究板块运动、亚板块运动等问题,这在过去是不敢想象的。GPS等空间测地技术的应用大范围、整体性地进行地壳运动观测,将使地壳形变观测在空间域的控制能力和分辨能力极大地提高,这给GPS等大型工程的变形监测发展带来了新的机遇,也为推进高精度变形监测的研究注入了新的活力。
在1993年Rock Santerre和Gerhard Beutler还提出了一机多天线概念,但是这种想法只是改进接收机内部结构,是不能降低硬件设备的费用,而且天线的数量非常有限。所谓一机多天线就是一个GPS接收机与多个简单的GPS天线连接,只用一个接收机处理各天线接收传送下来的GPS观测信号。1999年DingXL提出了另一种完全不同的一机多天线的思想并成功研制了一机多天线GPS变形监测系统，既不改变目前已有的GPS接收机结构,而通过一个附加的GPS信号分时器来实现一机多天线。这一思想在设计上是多天线阵列与接收机的连接使用一个时分单通连接开关即GPS多天线转换开关GMS(GPSMulti antenna Switch)能与任意多个GPS天线相连,由于GMS从一天线转换置下一天线在返回到该天线时,接收机记录数据表现为失锁,同时这种转换是瞬时完成的当监测区域不大时,重捕获的时间只需数秒,所以在两根天线之间转换时,应作为一个采样历元的间隔停留,以便处理软件识别和区分来自不同天线的数据。当实践证明,采用一机多天线GPS系统,不仅大大节省硬件设备费用的投入,而且能够有效地应用于局部变形监测之中。
结束语
GPS 技术应用于变形监测领域,已经有了广阔的空间,但是目前的高精度的GPS 数据处理软件的专业化太强,需要很高的专业技术,在普通的应用中有很大的限制。因此,GPS 定位技术作为一种新的很有前途的变形监测方法,它的发展空间还很大,将会越来越趋向于自动化、智能化、经济化等。
参考文献
[1] 薛永安. GPS变形监测数据处理方法研究与软件研制[D]. 太原理工大学 2006
[2] 吴江淮. 建筑物静态变形监测数据分析与处理[D]. 同济大学 2007
[3] 彭广亮. 变形监测数据处理与分析方法研究[D]. 辽宁工程技术大学 2007
[4] 陈亮亮. GPS监测建筑物变形及监测系统模型的建立[D]. 南昌大学 2007