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GPS技术在高层建筑物变形监测中的应用
GPS技术在高层建筑物变形监测中的应用

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GPS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，GPS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。
1GPS变形监测数据处理技术
1.1GPS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。
1.2GPS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，P1和P2为变形区域外固定点，以P1点为基准点进行平差计算可得P2，P3两点相对于初值的差值ΔP2，ΔP3，由于P1为稳定点，故可用ΔP2的值对P3的变形量进行差分改正，其大小为

式中:Sp1p3和Sp1p2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
1.3GPS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ΔX=X2－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P(i/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:

2GPS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
①基准站控制模块，包括基准站工作方式的控制。
②监测