GPS在变形监测中的应用及发展前景综述

GPS 在变形监测中的应用及发展前景摘要：工程的变形监测分析与灾害预报是20世纪70年代发展起来的新兴学科方向，由于建筑物以与工程建设有关的对象所可能引发的灾害，关系到人民生命和财产的安全。

变形监测不仅对监测建筑物的安全、防止事故发生有重大意义，而且积累监测资料、检验工程设计是否合理也具有重要作用。

本文主要讲述工程的变形监测的数据处理方面的基本知识，有关变形分析与灾害预报方面的一些问题。

本文针对GPS 动态监测数据处理与分析提出的新要求，进行动态监测数据特征提取及模型化的研究，综合应用混沌等现代非线性理论与方法。

在测绘领域,随着GPS测量技术的发展,工程测量的作业方法发生了历史性的变革。

GPS技术具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位等功能, 现已成功应用于工程测量等诸多领域。

关键词：变形监测；GPS控制网；数据处理；自动化主题1 GPS技术和变形监测1.1 GPS技术全球定位系统是以卫星为基础的无线电导航系统，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

GPS定位系统由于其定位的高度灵活性和常规测量技术无法比拟的高精度，成为测量学科中革命性的变化。

若以从遥感影像中提取的土地利用现状进行对比分析，控制点的位置选择和精度要求较高，要在土地利用现状图上找到控制点作为几何纠正基础，GPS 的精确定位等功能则体现出卓越的优势。

目前，GPS已经成功地应用于勘测制图、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科1.2 变形监测1.2.1 变形监测的定义变形监测是对监测对象或物体（简称变形体）进行测量以确定其空间位置随时间的变化特征。

变形监测又称变形测量或变形观测，它包括全球性的变形监测、区域性的变形监测和工程的变形监测。

全球性的变形监测是对地球自身的动态变化，如自转速率变化、极移、潮汐、全球板块运动和地壳形变的监测。

区域性的变形监测是对区域性的地壳形变和地面沉降的监测。

对于工程的变形监测来说，变形体一般包括工程建筑物、机器设备以及其他与工程建设有关的自然或人工对象，例如大坝、高层建筑物、大型科学实验室、地下工程、桥梁、隧道等都可成为变形体。

变形监测分为静态监测与动态监测，静态变形通过周期测量得到，动态变形必须通过持续监测得到。

变形监测分为变性分析和预报提供基础数据，对于工程的安全来说：监测是基础，分析是手段，预报是目的。

1.2.2 变形监测的作用变形监测的作用主要体现在以下两个方面（1）实际上的作用：保障工程安全，监测各种工程建筑物、机器设备以及与工程建设有关的地质构造的变形，及时发现异常变化，对其稳定性、安全性做出判断，以便采取措施处理，防止事故发生。

对于大型特种工程如大型水利枢纽工程、核工程、粒子加速器、火箭发射场有重要意义。

（2）科学上的作用：积累监测分析资料，能更好的解释变形的机理，验证变形的假说，为研究灾害预报的理论和方法服务检验工程设计的理论是否正确，设计是否合理，为以后修改设计、制定设计规范提供依据，如改善建筑的物理参数、地基强度参数，以防止工程破坏事故，提高抗灾能力。

1.2.3 变形监测的内容、分类和特点变形监测主要包括水平位移、垂直位移监测、偏距、倾斜、弯曲、扭转、扰度、震动、裂缝等的测量，主要是对描述变形体自身形变和刚体位移的几何量的监测。

水平位移是监测点在平面上的变动，它可分解到某一特定方向，垂直位移是监测点在铅直面或大地水准面法线方向上的变动。

偏距、倾斜、扰度等也可归结为水平和垂直位移监测。

偏距和扰度可以视为某一特定方向的水平位移；倾斜可以换算成水平或垂直位移，也可以通过水平或垂直位移测量和距离测量得到。

除了上面的之外，还包括与变性有关的物理量的监测，如应力、应变、温度、气压、水位、渗流、渗压、压力等的监测。

变形监测的最大特点是要进行周期观测，所谓的周期观测就是多次的重复观测，第一次称初始周期或零周期。

每一周期的观测方案如监测网的图形、使用仪器、作业方法乃至观测人员都要一致。

对于扭转、震动等变形需作动态观测；对变形监测项目如偏距、倾斜、扰度等几何量和与变性有关的物理量的监测都可采用传感器技术持续的进行。

对于急剧变化期也应作持续的动态监测。

对于不同的任务，变形监测所要求的精度不同。

为积累资料而进行的变形观测和为一般工程进行的常规监测，精度可以低一些；而对大型特种精密工程，对人民生命和财产相关的变形监测项目，则要求的精度较高。

2 GPS在变形监测中的优势2.1 GPS在变形监测测量中的仪器优势传统的有全站仪，水准仪，经纬仪等仪器，但是随着科技的进步，仪器的精度越来越高，价格也越来越便宜，使用范围也越来越普及。

现在使用最方便的也就数GPS接收机了，电子全站仪，陀螺仪的使用，大幅度的提高了工作效率，精度也有了很大改善，甚至变形监测所花费的人力物力财力也越来越少。

然而，现在仪器也越来越自动化，智能化，功能更先进，更方便人们使用。

全站仪是自动化程度很高的野外测量仪器, 精度高、应用广, 但受通视条件、测量距离等因素制约。

GPS与全站仪相配合进行变形监测的作业方法，使用这两种仪器在实际测量中,提高了监测的工作效率、减少了外界的干扰、降低了作业人员的劳动强度, 并且点位精度得到有效的保证。

与传统的工程变形监测方法相比，GPS 测量技术在连续性、实时性和自动化程度等方面有明显的优势•在分析了G困在交形监测方面的特点的基础上，探讨了GPS在大坝、地面沉降、高层建筑物等工程变形观测中的应用。

GPS作为一种全新的现代空间技术，已逐渐在越来越多的领域取代了常规光学和电子测量仪器.自从20 世纪90 年代后，GPS 卫星定位和导航技术与现代通讯技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性变化。

用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后处理扩展到实时（准实时）定位与导航，绝对和相对精度扩展到m级，cm级乃至亚mm级，从而大大拓展了它的应用范围和在各行业中的作用在工程和局部性变现监测方面，地面常规测量技术，地面摄影测量技术，特殊和专用的测量手段，以及以G因为主的空间定位技术等均得到了较好的应用. 全球定位系统的应用时测量技术的一次革命性变革，它使建立三维网的监测变得简单，且不需站间通视，可以免去造标，砍树之类的工作.GPS在精度上得优越性使得它逐步地取代传统的地面测量方法。

2.2 GPS技术在变形监测数据处理中的优势随着GPS理论及其应用技术的发展，出现了多天线GPS变形监测系统，单历元GPS变形数据处理模型等动态监测方法和数据处理模型，为动态变形体形变监测提供了新的途径。

变形监测数据源的采样频率得到大幅提高，数据量膨胀；监测数据的非线性特征也更加明确；同时，传感器技术采集数据的特点又决定了变形信息数据必然要包含噪声与粗差等特征，变形预报变的更加困难。

本文针对这些问题提出了基于非线性理论的动态监测数据特征提取以及预报技术的新思想，并取得了初步成果。

动态监测数据处理与分析主要还集中在数据的降噪、粗差诊断以及变形预报的研究方面，涉及变形数据序列的特征尤其是非线性特征的研究还很少。

预报模型的改进工作也主要集中在模型自身的参数调整，未能更好结合变形的内在特征。

GPS 单历元解算的动态监测数据，经过预处理，最大可能提取与修复有效信息后，就可以进行特征提取以及进一步进行预测预报工作。

预处理可以采用各种信号降噪的方法进行，如小波变换降噪、KALMAN滤波、FFT 变换等各种方法；可选择多种粗差识别技术如多尺度粗差识别技术以及拟合等各种粗差修复方法可参考文献，特征提取与量化应该综合应用非线性科学中的具体理论模型，对符合物理特性的量化特征要加以充分利用，引入到预测预报模型中进行修正或提出新的有效的预报模型为变形体安全运营、灾害防治或决策支持提供依据。

小波变换降噪方法是一种新的信号处理方法。

本质上是一种带通滤波器，通过正交小波快速分解算法，可以将分析信号在不同频带上分离。

从而在不同尺度上展现信号的不同特征。

通过某种规则，确定阈值；然后，对不同频带上的小波变换系数进行量化（通常包括软阈值和硬阈值量化方法）；最后，通过重构算法恢复信号。

小波降噪可以达到滤除包含在沉降数据序列中的高频噪声信息。

降噪后动态变形体的形变轨迹（此处表现为构筑物的自振、风力、光压等综合影响的结果）得到很好的描述，便于进一步进行特征提取与变形预报。

通过小波变换的多尺度分析，反映形变信号的内在特征，并分离形变趋势项。

比起传统的分析方法，小波分析具有独特的优势。

采用MALLAT 多尺度分解算法，可以分析形变信号中可用的数据。

变形观测数据可分为两种：一种是监测网的周期观测数据，根据这些数据，计算网点坐标，进行参考点稳定性检验和和周期间的叠合分析，从而得到目标点的位移；另一种是各监测点上的某一种特定的形成时间序列的监测数据，如该点的沉降值、某一方向上的位移值以及其他与变形监测有关的量如气温、体温、水温、水位、应力、应变等，对它们进行回归分析、相关分析、时序分析、统计分析和统计检验，确定变形过程及趋势。

此外，还应进一步做变形体的变形模型分析，进行变形模型参数如刚体变形及相对形变参数估计和统计检验。

总得来说，变形监测是基础，变性分析是手段，变形预报是目的，变形观测数据处理的过程就是进行变形分析和预报的过程。

3 GPS技术在变形监测中的应用及前景展望工程形变的种类很多，主要有大坝的变形、高层建筑物的变形和沉陷、矿区的地面沉降等等. 工程变形监测是以毫米乃至亚毫米级精度为目的的工程测量工作，随GP系统的不断完善，软件性能的不断改进，GPS已可用于精密工程变形监测。

目前，CPS技术主要用于几个领域的变形观测.大坝变形监测包括水平位移、垂直位移( 沉陷) 、挠度、倾斜、表面接缝和裂缝监测. 水库或水电站的大坝由于水负荷的重压可能引起变形，需要对大坝的变形进行连续而精密的监测.GPS 精密定位技术与经典测量方法相比，不仅可以满足大坝变形监测工作的精度要求(1. 0 -0.1) x 10 -6，而且更有助于实现监测工作的自动化.到目前为止国内应用GP测量大坝变形并实现自动化且较成功的有湖北清江隔河岩水电站，该系统主要由5 个坝顶测点和左右岸两个基准点组成, 1 998年3月正式投入试运行.系统采用AshtechZ012CGR型双频GPS接收机及带防护罩天线，软件采用改进后的GAMIT软件和精密星历进行基线向量解算，由GPSADT软件进行网平差计算其中7 台GPS接收机365天24小时连续观测.在1998年长江流域特大洪水期间，隔河岩大坝超量拦洪蓄水，避免了清江洪峰河长江洪峰相遇，对于减轻长江中下游的防汛抗洪压力以及最终未实施荆江分洪起到了重要作用由地下煤炭、石油和天然气的开采，引起了许多矿区的地面沉降;由于过量地抽取地下水，也使许多城市的地面，产生了显著的沉陷.矿区地面形变测量包括矿区地表移动、露天矿边坡移动测量等.其测量的最终目的是通过不同观测时间测定的地面点的水平位置和高程，进行分析对比，得出地面点位的水平位移与沉降数据，进行变形分析与预测. 使用GPS测量技术对上述沉降现象进行监测是经济而有效的.GPS测量不要求相互通视，且速度快，作业灵活，显著地提高作业效率. 监测地面的垂直位移，无需将GPS测量的大地高程进行系统的转换，不仅简化了计算工作，同时也保障了观测精度. 高层建筑物动态特征的监测对其安全运营、维护及设计至关重要，尤其要实时或准实时监测高层建筑物受地震、台风等外界因素作用下的动态特征，如高层建筑物摆动的幅度（相对位移）和频率. 传统的高层建筑物的变形监测方法（采用加速度传感器、全站仪和激光准直等）因受其能力所限，在连续性、实时性和自动化程度等方面已不能满足大型构筑物动态监测的要求. 近年来，随着GPS硬件和软件技术的发展，特别是高采样频率（如10Hz甚至20日z）GPS接收机的出现，以及GPS数据处理方法的改进和完善等，为GPS技术应用于实时或准实时监测高层建筑物的动态特征提供了可能. 目前，GPS 定位技术在这一领域的应用研究已成为热点之一，以高层建筑物动态特征的监测为例，设计了振动实验以模拟高层建筑物受地震和台风等外界因素作用下的动态特征，并采用动态GPS 技术对此进行监测•实验数据的谱分析结果表明，利用GPS观测数据可以精确地鉴别出高层建筑物的低频动态特征，并指出了随GPS接收机采样频率的提高，动态GPS技术可以监测咼层建筑物更咼频率的动态特征，最终建立具有GPS数据米集、数据传输、数据处理与分析、预警等功能的高层建筑物动态变形自动化监测与预警系统。