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GPS技术在高层建筑物变形监测中的应用 G P S 技术 在 高层 建筑 物变 形 监测 中的 应 用王 煜昭深 圳市岩土综合勘察设计有 限 公司 广 东 深 圳 518172 518172 518172 518172摘 要: GPS 卫星 定位 技术 是近 年来 发展 速度 较快 的一 种定 位技 术, 具 有 诸多 的优 点, 目 前在城 市建 筑物 变形 监测 中有 所应 用。 本 文 结合 笔者 多年 的实 践经 验, 介 绍了 GPS 变形 监测 技术, 重 点就 GPS 动态 变形 监测 系统 的设 计工 作进 行探 讨, 并 结合 工程 实例 进一 步阐 述了 GP S技术 在建 筑物 变形 监测 中的 应用 ,以 期指 导实 践。关 键词 :GPS 技术 ;变 形监 测; 功能 设计 ;案 例分 析中图 分类 号: P228.4 文献 标识 码: A 文章 编号 :变形 监测 是监 测城 市变 形体 安全 性的 重要 举措 , 主 要是 利用 专业 的仪 器和 方法 对变 形 体的变 形现 象进 行持 续观 测, 并分 析变 形体 变形 形态 和预 测变 形的 发展 趋势 。在 工程 测量 中,变形 体主 要包 括桥 梁、 隧 道、 高 层建 筑物 和矿 区等 。 GPS 技术 作为 一项 全新 的卫 星导 航和 定位系 统, 在 许 多测 量领 域已 替代 了传 统的 光学 和电 子测 量方 法。 在 建 筑物 变形 监测 方面 , G PS技术 具有 高精 度、 速 度 快、 操 作 方便 、 全 天 候和 实时 监测 等优 点, 能 够 减小 变形 监测 的外 业工作 量, 大 大 提高 工作 效率 , 并 对 建筑 物变 形形 态进 行远 程网 络实 时监 控, 目 前 该项 技术 在城市 变形 体变 形监 测中 得到 广泛 的应 用。1 GP S 变 形监测数据处理技术1.1 GP S 变 形监测网GPS 观测 结果是 3 维坐 标, 有 三 个位 置基 准、 三 个 方位 基准 和一 个尺 度基 准。 因 此 , 在基准 设计 时, 如 果 采用 固定 基准 点作为 GPS 网点 起算 数据 , 则 至 少需 要三 个或 三个 以上 的 稳定基 准点 , 主 要 是为 了保 证变 形监 测的 可靠 性。 基 准 点应 选在 周围 没有 较强 的反 射面 , 且 交通方 便、 远离 大功 率的 发射 电台 及高 压线 、视 野开 阔易 于保 存的 地方 。1.2 GP S 监 测网基准点位移及观测粗差对于 周期 性重 复观 测的 GPS 变形 监测 网, 采 用 固定 基准 进行 变形 分析 是最 为理 想的 , 但如果 基准 点发 生了 位移 ,如 不加 处理 就会 导致 变形 分析 结果 的失 真。 另外 ,由 于受 到周 跳、整周 模糊 度解 算误 差, 以 及 多路 径效 应的 影响 , 基 线 向量 中可 能含 有粗 差。 地 面 起始 点坐 标引起 的系 统误 差在 基线 解算 中, 需 要 一个 起算 点, 起 算 点的 精度 将影 响基 线解 算的 精度 , 因此, 很 有 必要 获得 高精 度的 基准 点坐 标及 监测 点坐 标。 当 基 准起 算点 坐标 出现 误差 时, 将 导致整个 GPS 变形 监测 网基 线向 量解 产生 系统 性误 差。 试 验 表明 , 这 种 系统 误差 主要 反映 整 网基线 向量 的系 统性 旋转 和尺 度变 化。GPS 网进 行网 平差 后, 利 用网 中稳 定的 非起 算点 进行 监测 点位 移量 的差 分改 正, 以 提 高监测 精度 和可 靠性 。如图 1 所示 , P 1 和 P 2 为变 形区 域外 固定 点,以 P1 点为 基准 点进 行平 差计 算可得 P 2 , P3两点相对于初值的差值 P2 , P3 ,由于 P 1 为稳定点,故可用 P2 的值对 P3 的变形量进行差分 改正 ,其 大小 为式中:S p 1 p 3 和 S p 1 p 2 分别为 P1 ,P3 以及 P2 , P3 间的基线长度,由于非起算点的稳定性同监测 点一 样是 通过 某一 基准 点一 起处 理而 同时 得到 的, 因 而 两者 之间 存在 误差 相关 性, 进 行差分 改正 ,恰 好滤 掉位 移量 中的 误差 部分 。图 1 监 测点差分改正图1.3 GP S 变 形监测数据处理本文 采用 整体 方差 分析 法和 卡尔 曼滤 波方 法对 变形 观测 数据 进行 分析 与预 测。 在 变 形 分析中 ,变 形量 的统 计检 验主 要包 括 : 变形 量的 显著 性检 验、 相关 性检 验和 可测 性检 验等 。两期变 形监 测网 的坐 标差 不一 定反 映了 被监 测物 体的 真实 变形 值, 它 可 能是 由观 测的 偶然 误 差引起 的, 需 要 对变 形量 的显 著性 进行 检验 。 变 形 误差 椭圆 是变 形量 显著 性检 验的 一种 直观 方法,以 2 维平 面方 向变 形量 为例 。假 设一 二期 观测 成果 中, 某一 监测 点的 协方 差分 别为 :两期 成果 的坐 标差 XX2 - X1 协方 差为 :则变 形量 的误 差椭 圆由 下列 元素 组成 :在变 形监 测点 的变 形分 析中 , 可 认为 所得 的变 形观 测数 据中 包含 有反 映监 测点 实际 变 形的信 息, 另外 还包 含有 随机 干扰 噪声 ,这 种随 机干 扰噪 声包 含动 态噪 声和 观测 噪声 。为 此,本文 利用 卡尔 曼滤 波的 理论 对变 形观 测数 据进 行处 理, 并 以 此为 基础 对监 测点 的变 形作 出 一些预 报。 状态 方程 和观 测方 程分 别为 :当变 形量 较小 时, 将监 测点 的变 形量 XK 和变 形速度 UK 看作 状态 向量 ,则 :卡尔 曼滤 波的 步骤 如下 :第一 步, 由计 算预 报值 :第二 步,由 Pi/i 计算 预报 误差 方差 阵 :第三 步, 计算 增益 矩阵 :第四 步, 计算 预报 残差 :第五 步, 计算 滤波 值 :11第六 步, 计算 滤波 误差 方差 矩阵 :2 GP S 动 态变形监测系统设计2.1 系 统组成为了 实现 变形 监测 的各 项功 能, GPS 监测 系统 主要 是由 GPS 测量 系统 、通 信网 络和 GPS控制 中心 分析 和管 理系 统三 部分 组成 , 系 统 包括 各种 硬件 、 管 理 控制 软件 、 通 信 传输 、 网 络系统 、数 据库 、数 据处 理等 部分 。其 总体 结构 如图 2 所示 。图 2 监 测系统结构2.2 系 统软件功能设计在软 件方 面, 监测 系统 主要 包括 系统 监控 模块 、位 移监 控模 块及 通讯 设计 三个 模块 。1系统 监测 模块基准 站控 制模 块, 包括 基准 站工 作方 式的 控制 。监测 站控 制模 块, 包括 监测 站参 数的 输入 和实 时修 改参 数的 功能 。数据 接收 管理 模块 ,包 括监 测站 实时 差分 RTK 数据 、原 始数 据接 收和 管理 。文件 管理 模块 ,包 括监 测站 RTK 结果 数据 文件 和原 始观 测文 件。系统 安全 性监 测模 块, 包括 系统 通信 状态 、监 测站 工作 状态 和位 移状 态三 个模 块。2位移 监控 模块图形 显示 模块 ,包 括监 测点 各分 量的 计算 和实 时显 示。GPS 后护 理模 块, 包括 静态 及动 态后 处理 软件 等。报警 模块 ,包 括监 测点 位移 超限 、通 信线 路故 障等 报警 。3通讯 设计 模块整个 网络 采用 星型 拓扑 结构 ,各 节点 通过 光缆 连接 到监 控中 心, 由于 节点 间相 互独 立,整个 网 络 具 有 较 高 的 可 靠 性 和 可 操 作 性 ; 网络 通 讯 协 议 采 用 NetBEUI 协议 , 它 支 持 TCP/IP协议 ;监控 中心 服务 器采用 WindowsNT 网络 操作 系统 , 并 负 责内 部的 IP 地 址 过 滤 、 访 问 控 制 、资源 共享 和网 络管 理。2.3 系 统数据库实现与应用数据 库是 系统 数据 存储 和交 换的 主要 承载 体, 是 系 统的 核心 , 它 在 整个 系统 中担 负着 数据管 理的 任务 。 数 据 库管 理即 对数 据进 行录 入、 查 询 、 删 除 和打 印等 操作 。 数 据库 设计 必 须具备 数据 录入 、 数 据 查询 、 数 据 存储 和数 据删 除等 功能 如图 3 所示 。 表 1 是系 统中 典型 的数据 表结 构。图 3 数 据库结构表 1 监 测点形变量表2.4 案 例分析某大 桥受 季风 影响 , 常 年 平均 风速 很大 , 加 上 周日 及季 节温 差大 , 各 种 恶劣 的因 素将 对施工 期大 桥建 设带 来十 分不 利的 影响 , 尤 其 对大 桥的 超高 索塔 、 超 长 钢箱 梁悬 臂和 斜拉 索 的影响 将更 加明 显。 为 此 , 研 究 和开 发大 桥索塔 GPS 实时 动态 监测 控制 系统 , 加 强 对索 塔施 工过程 的控 制和 重要 环节 的监 测, 分 析 不同 条件 下索 塔的 变形 规律 , 评 价 索塔 安全 , 正 确 指 导施工 。为使 系统 满足 索塔 动态 监测 的需 要, 正 确 反映 索塔 的运 动规 律, 监 测 系统 必须 达到 一 定的监 测精 度与 采样 频率 。 对 于 监测 精度 , 从 技 术角 度上 分析 , 索 塔 的变 形是 以厘 米级 为单 位的, 要 求所 采用 的监 测技 术和 仪器 能够 满足 厘米 级的 精度 。 GPS 实时 动态 监测 技术 应用 于 索塔监 测, 不 仅 可以 满足 监测 精度 , 更 重 要的 是它 具有 自动 化、 实 时 性高 等优 点, 在 自 然条 件极为 复杂 的桥 梁索 塔监 测中 将发 挥重 要作 用。结合 GPS 变形 监测 系统 的观 测数 据, 采 用 回归 分析 和卡 尔曼 滤波 的方 法进 行变 形量 的 分析和 预测 。回 归结 果的 复相 关系 数为 0.99 ,而 在卡 尔曼 滤波 中根 据先 验信 息, 取, Q0.2两种 方法 的估 计值 和残 差值 见表 2,残 差平 方和 分别为 0.207 和 0.418 ,并 且最 大估 计偏差 分别为 0 .22mm 和 0.35mm ,可 见两 种方 法进 行监 测点 的变 性分 析和 预测 都是 可行 的。表 2 不 同方法的比较 单 位 :mm变形 监测 系统 得到 的变 形观 测值 , 里 面 可能 包含 系统 误差 , 也 可 能是 由于 基准 点的 位 移引起 的, 如 何 顾及 变形 值的 关联 信息 , 同 时 对变 形值 进行 分析 , 本 文 给出 了整 体方 差法 以 及显著 性检 验的 方法 , 确 保 变形 值的 准确 性和 有效 性, 采 用 回归 分析 法和 卡尔 曼滤 波的 方法 进行变 形预 测。 实例 计算 结果 表明 该方 法是 可行 和有 效的 。3 结 束语为了 更好 的发挥 GPS 变形 监测 的效 果, 工 程 人员 应利 用不 同条 件下 更多 的实 测数 据进 行测试 来发 现问 题, 进 一 步完善 GPS 变形 监测 数据 处理 系统 , 以 满 足生 产的 需要 ; 同 时 随着 时间的 推移 , GPS 监测 数据 积累 会愈 加丰 富, 如 何对 这些 数据 进行 有效 的管 理和 分析 , 并 且 从中获 取有 用的 信息 也成 为了 工程 人员 需要 解决 的难 题。参 考文献1 王中元;周天强 ;张鹏飞.高层建筑物 GPS 动态变形监测数据处理 J. 测绘科学.2012 年第 01 期2 申小 平 ; ?豪 荣 ; 唐钱 龙 .GPS 定位 技 术 在 建 筑 物 变 形 监 测 中 的 应 用 J. 土工 基 础 .2012年第 02 期