GPS在变形监测中的应用

GPS在变形监测中的应用
摘要：随着科技的不断发展，测绘技术也在发生着日新月异的变化。

其中全球定位系统（GPS）一经出现便以其连续、实时、定位精度高、全天候作业和自动化程度高等优点对整个测绘行业产生了革命般的影响。

目前GPS技术已经被广泛的应用于大坝变形监测、滑坡变形监测、矿区变形监测、桥梁变形监测和高层建筑物变形监测等各个变形监测领域中。

本文将就GPS在变形监测中的应用及其优缺点等进行介绍。

关键词：GPS；变形监测；应用。

引言：GPS出现后解决了常规变形监测中需要多种观测的问题，并且该技术可对大型建筑物位移进行监测,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。

因此GPS技术被广泛应用于了变形监测工作中。

一、常规的变形监测技术
在GPS出现之前，变形监测工作主要是靠常规的变形监测技术进行。

常规的变形监测技术是指采用水准仪、全站仪、经纬仪和测距仪等常规的测量设备对点点进行测量以获取其变形值。

这种测量方法可以适用于不同精度的监测要求、不同的监测环境和各种变形体；并且能够提供绝对的变形信息。

但是相对于优点，其缺点也相当明显：外业工作量大, 布点受地形条件影响, 不易实现自动化监测。

二、摄影测量技术在变形监测工作中的应用
摄影测量技术也是在近几十年兴起的技术，其包括地面摄影测量技术和航空摄影测量技术两种。

对于摄影测量技术，近十几年来兴起的近景摄影测量技术设计被广泛的应用到了变形监测工作中。

与其它的测量手段相比，近景摄影测量是通过摄影测量的手段对监测目标进行摄像，并根据像片所提供的信息来判断被监测目标是否发生了变形。

相对于其他的桥梁变形监测方法，近景摄影测量具有以下优点：1.可以在瞬间记录下监测目标的信息，得到瞬时的相对点位信息。

2.对于不同的作业目的可以采用不同作业方法，具有很大的灵活性。

3.在具有同步装置的条件下可以对动态目标进行测量。

4.对控制点的布设和精度要求较高，但是和传统的大地测量方法相比，外业工作量被大大减小。

5.相片可以长期的保存，有助于检查、分析和对比。

近几年发展起来的数字摄影测量技术, 也在建筑物及
滑坡等变形监测中得到了成功的应用,并显示出良好的应用前景。

此外, 空中摄影测量技术亦在较大范围的地面变形监测中得到了应用。

但由于摄影距离不能过远, 且大多数的测量部门不具备摄影测量所需的仪器设备, 摄影测量技术在变形监测中的应用尚不普及。

三、GPS在变形监测工作中的应用
随着世界上各个国家对于全球定位系统的研究，如今GPS的基线精度已经达到了109 。

目前GPS在变形监测工作中的应用主要体现在以下方面：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.该技术具有速度快、自动化程度高、精度高、实时监测和受外部影响小等优点，可以对大型建筑物进行实时监测，全天候的测量目标物体各监测点的位移变化情况，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.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。

基于GPS技术的变形监测理论与方法，是当前广泛采用的变形监测新方法、新技术之一。

GPS卫星定位技术相比于传统的测绘作业方法与模式有着显著的特点和优越性，其优越的性能及广泛的适用性，是常规测量作业难以比拟的。

GPS 以其全天候、高精度、高效率、实时动态等优点，成为当今极为重要的监测手段之一。

如今，GPS技术已广泛应用与地壳运动观测，区域地面沉降监测，矿区、坝区边坡稳定性监测，桥梁大坝及其他大型工程形变监测等诸多方面并取得了一系列成果，在实践中逐步发展、完善，积累了丰富的经验。

将GPS技术应用于桥梁工程的变形监测方面，国内外开展了广泛的研究和试验。

在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。

加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技术（简称RTK）测绘各种比例尺地形图和用于工程建设中的施工放样。

在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。

我国已开始运用GPS技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水和地壳断裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈
GPS形变监测网等。

GPS技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。

此外，在军事国防、智能交通、邮电通信，地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。

四、GPS在变形监测中的优点
利用GPS定位技术进行变形监测具有下列优点，因而得到了广泛应用，成为变形监测中的一种新的有效手段。

（1）测站间无需保持通视。

由于GPS定位时测站间无需保持通视，从而可使变形监测的布设更为自由、方便，并可省去不少中间传递过度点，节省大量费用。

（2）能同时测定点的三维位移。

采用传统方法进行变形监测时，平面位移通常是采用正锤线、倒锤线、边角导线、方向交会、距离交会和全站仪极坐标法等方法来测定的，而垂直位移则一般采用精密水准测量、液体静力水准测量、倾斜仪等手段来测定。

水平位移和垂直位移的分别测定不仅增加了工作量，而且监测的时间和点位也不一定一致，从而增加了变形分析的难度。

（3）全天候观测。

GPS测量不受气候条件的限制，在风雪雨雾中仍能进行正常观测。

配备防雷电设施后变形监测系统就能实现全天候观测。

这一点对于防汛抗洪、滑坡、泥石流等地质灾害监测等应用领域来讲显得特别重要。

（4）易于实现全系统的自动化。

由于GPS接收机的数据采集工作是自动进行的，而且又为用户预留了必要的接口，故用户可以较为方便的把GPS变形监测系统建成无人值守的自动监测系统，实现从数据采集、传输、处理、分析、报警到入库的全自动化。

有必要时，用户可以很方便的从控制中心的办公室来观看每台GPS接收机的板面信息，也可以在办公室中发布命令来更改数据采样率、时段长度和截至高度角等设置。

这对于长期连续运行的监测系统是很重要的，可降低监测成本，提高监测资料的可靠性。

（5）可消除或削减系统误差的影响。

在变形监测中我们关心的是在两期变形监测中所求的的变形监测点的坐标之间的差异，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，但却不会影响所求的的变形量。

也就是说在变形监测中，接收机天线的对中误差、整平误差、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。

同样GPS变形监测网中的起始坐标的误差，数据处理中所用的定位软件本身的不完善以及卫星信号在大气层的传播误差（电离层延迟、对流层延迟、多路径误差等）中的公共部分的影响也可得以消除或削弱。

五、GPS在变形监测中的缺点
当然, 利用GPS 定位技术进行变形监测时, 也存在某些不足之处, 主要表现在以下几个方面:
(1)点位选择的自由度较低。

为保证GPS测量的正常进行和定位精度，在GPS 测量规范中对测站的选择作出了一系列的规定，如测站周围高度角15°以上不允许存在成片的障碍物，测站离大型发电机、变压器、高压线及微波信号发射台、转播台等有一定的距离（例如200m～400m），测站周围也不允许有房屋、围墙、广告牌、大面积水域等反射信号物，以避免多路径误差等。

但在变形监测中上述要求往往难以满足, 因为监测点的位置通常是由业主单位依据大坝、桥梁、大型厂房等监测物的建筑结构和受力情况而确定的, 或由地质人员依据滑坡、断层等地质构造而定的, 变动的余地很小。

(2)从整体上讲观测条件往往较差。

如在长江三峡进行滑坡监测时，视场往往很狭窄，大量卫星被遮挡，切多路径误差严重。

如在大坝上进行监测时，由于大坝的一侧为大水库而另一侧则为山地等，自然地理环境和植被的明显差别往往会导致大坝两侧的大气状况（温度、湿度等）产生明显的差异，从而影响对流层延迟改正的精度。

(3)函数关系过于复杂，误差源多。

与正倒锤等变形监测手段相比，GPS定位的函数关系要复杂的多，涉及的误差源也要多得多。

在GPS定位中基准站和变形监测点间的坐标差是依据两站的载波相位观测值和卫星星历经过复杂的计算后得到的。

定位结果受卫星星历误差、卫星钟误差和接收机钟钟误差、对流层延迟、电离层延迟、多路径误差、接收机测量噪声以及数据处理软件本身的质量等多种因素的影响。

在数据处理过程中，还将涉及周跳的探测及修复、整周模糊度的确定等一系列问题。

其中任一环节处理不好就将影响最终的监测精度。

此外接收机天线相位中心的不稳定也是影响GPS 定位精度的一个重要因素。

目前利用GPS 进行变形监测的最好精度约为±0. 5 mm 左右。

这一精度还难以满足特种工程测量的精度要求。

结论：GPS技术以其全天候、高精度、高速度、实时三维定位、误差不随定位时间而积累、高动化等特点优于传统的测量技术,对于变形监测是一种非常有效的方法。