gps技術在高層建筑物變形監(jiān)測中的應用

1、<p>　　GPS技術在高層建筑物變形監(jiān)測中的應用</p><p>　　摘要: GPS衛(wèi)星定位技術是近年來發(fā)展速度較快的一種定位技術，具有諸多的優(yōu)點，目前在城市建筑物變形監(jiān)測中有所應用。本文結合筆者多年的實踐經驗，介紹了GPS變形監(jiān)測技術，重點就GPS動態(tài)變形監(jiān)測系統(tǒng)的設計工作進行探討，并結合工程實例進一步闡述了GPS技術在建筑物變形監(jiān)測中的應用，以期指導實踐。 </p><p>

2、;　　關鍵詞:GPS技術；變形監(jiān)測；功能設計；案例分析 </p><p>　　中圖分類號：P228.4 文獻標識碼：A 文章編號： </p><p>　　變形監(jiān)測是監(jiān)測城市變形體安全性的重要舉措，主要是利用專業(yè)的儀器和方法對變形體的變形現象進行持續(xù)觀測，并分析變形體變形形態(tài)和預測變形的發(fā)展趨勢。在工程測量中，變形體主要包括橋梁、隧道、高層建筑物和礦區(qū)等。GPS技術作為一項全新的衛(wèi)星導航和定

3、位系統(tǒng)，在許多測量領域已替代了傳統(tǒng)的光學和電子測量方法。在建筑物變形監(jiān)測方面，GPS技術具有高精度、速度快、操作方便、全天候和實時監(jiān)測等優(yōu)點，能夠減小變形監(jiān)測的外業(yè)工作量，大大提高工作效率，并對建筑物變形形態(tài)進行遠程網絡實時監(jiān)控，目前該項技術在城市變形體變形監(jiān)測中得到廣泛的應用。 </p><p>　　1 GPS變形監(jiān)測數據處理技術 </p><p>　　1.1 GPS變形監(jiān)測網 <

4、/p><p>　　GPS觀測結果是3維坐標，有三個位置基準、三個方位基準和一個尺度基準。因此，在基準設計時，如果采用固定基準點作為GPS網點起算數據，則至少需要三個或三個以上的穩(wěn)定基準點，主要是為了保證變形監(jiān)測的可靠性?；鶞庶c應選在周圍沒有較強的反射面，且交通方便、遠離大功率的發(fā)射電臺及高壓線、視野開闊易于保存的地方。 </p><p>　　1.2 GPS監(jiān)測網基準點位移及觀測粗差 </

5、p><p>　　對于周期性重復觀測的GPS變形監(jiān)測網，采用固定基準進行變形分析是最為理想的，但如果基準點發(fā)生了位移，如不加處理就會導致變形分析結果的失真。另外，由于受到周跳、整周模糊度解算誤差，以及多路徑效應的影響，基線向量中可能含有粗差。地面起始點坐標引起的系統(tǒng)誤差在基線解算中，需要一個起算點，起算點的精度將影響基線解算的精度，因此，很有必要獲得高精度的基準點坐標及監(jiān)測點坐標。當基準起算點坐標出現誤差時，將導致整個

6、GPS變形監(jiān)測網基線向量解產生系統(tǒng)性誤差。試驗表明，這種系統(tǒng)誤差主要反映整網基線向量的系統(tǒng)性旋轉和尺度變化。 </p><p>　　GPS網進行網平差后，利用網中穩(wěn)定的非起算點進行監(jiān)測點位移量的差分改正，以提高監(jiān)測精度和可靠性。 </p><p>　　如圖1所示，P1和P2為變形區(qū)域外固定點，以P1點為基準點進行平差計算可得P2，P3兩點相對于初值的差值ΔP2，ΔP3，由于P1為穩(wěn)定點，故

7、可用ΔP2的值對P3的變形量進行差分改正，其大小為 </p><p>　　式中:Sp1p3和Sp1p2分別為P1，P3以及P2，P3間的基線長度，由于非起算點的穩(wěn)定性同監(jiān)測點一樣是通過某一基準點一起處理而同時得到的，因而兩者之間存在誤差相關性，進行差分改正，恰好濾掉位移量中的誤差部分。 </p><p>　　圖1監(jiān)測點差分改正圖 </p><p>　　1.3 GPS

8、變形監(jiān)測數據處理 </p><p>　　本文采用整體方差分析法和卡爾曼濾波方法對變形觀測數據進行分析與預測。在變形分析中，變形量的統(tǒng)計檢驗主要包括:變形量的顯著性檢驗、相關性檢驗和可測性檢驗等。兩期變形監(jiān)測網的坐標差不一定反映了被監(jiān)測物體的真實變形值，它可能是由觀測的偶然誤差引起的，需要對變形量的顯著性進行檢驗。變形誤差橢圓是變形量顯著性檢驗的一種直觀方法，以2維平面方向變形量為例。假設一二期觀測成果中，某一監(jiān)測

9、點的協(xié)方差分別為: </p><p>　　兩期成果的坐標差ΔX=X2－X1協(xié)方差為: </p><p>　　則變形量的誤差橢圓由下列元素組成: </p><p>　　在變形監(jiān)測點的變形分析中，可認為所得的變形觀測數據中包含有反映監(jiān)測點實際變形的信息，另外還包含有隨機干擾噪聲，這種隨機干擾噪聲包含動態(tài)噪聲和觀測噪聲。為此，本文利用卡爾曼濾波的理論對變形觀測數據進行處理

10、，并以此為基礎對監(jiān)測點的變形作出一些預報。狀態(tài)方程和觀測方程分別為: </p><p>　　當變形量較小時，將監(jiān)測點的變形量XK和變形速度UK看作狀態(tài)向量，則: </p><p>　　卡爾曼濾波的步驟如下: </p><p>　　第一步，由計算預報值: </p><p>　　第二步，由P(i/i)計算預報誤差方差陣: </p>

11、<p>　　第三步，計算增益矩陣: </p><p>　　第四步，計算預報殘差: </p><p>　　第五步，計算濾波值: </p><p><b>　　(11) </b></p><p>　　第六步，計算濾波誤差方差矩陣: </p><p>　　2 GPS動態(tài)變形監(jiān)測系統(tǒng)設計 <

12、;/p><p><b>　　2.1系統(tǒng)組成 </b></p><p>　　為了實現變形監(jiān)測的各項功能，GPS監(jiān)測系統(tǒng)主要是由GPS測量系統(tǒng)、通信網絡和GPS控制中心分析和管理系統(tǒng)三部分組成，系統(tǒng)包括各種硬件、管理控制軟件、通信傳輸、網絡系統(tǒng)、數據庫、數據處理等部分。其總體結構如圖2所示。 </p><p><b>　　圖2監(jiān)測系統(tǒng)結構 &

13、lt;/b></p><p>　　2.2系統(tǒng)軟件功能設計 </p><p>　　在軟件方面，監(jiān)測系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)監(jiān)控模塊、位移監(jiān)控模塊及通訊設計三個模塊。 </p><p><b>　　1)系統(tǒng)監(jiān)測模塊 </b></p><p>　?、倩鶞收究刂颇K，包括基準站工作方式的控制。 </p><p&

14、gt;　　②監(jiān)測站控制模塊，包括監(jiān)測站參數的輸入和實時修改參數的功能。 </p><p>　?、蹟祿邮展芾砟K，包括監(jiān)測站實時差分RTK數據、原始數據接收和管理。 </p><p>　?、芪募芾砟K，包括監(jiān)測站RTK結果數據文件和原始觀測文件。 </p><p>　　⑤系統(tǒng)安全性監(jiān)測模塊，包括系統(tǒng)通信狀態(tài)、監(jiān)測站工作狀態(tài)和位移狀態(tài)三個模塊。 </p>

15、<p><b>　　2)位移監(jiān)控模塊 </b></p><p>　?、賵D形顯示模塊，包括監(jiān)測點各分量的計算和實時顯示。 </p><p>　?、贕PS后護理模塊，包括靜態(tài)及動態(tài)后處理軟件等。 </p><p>　　③報警模塊，包括監(jiān)測點位移超限、通信線路故障等報警。 </p><p><b>　　

16、3)通訊設計模塊 </b></p><p>　　整個網絡采用星型拓撲結構，各節(jié)點通過光纜連接到監(jiān)控中心，由于節(jié)點間相互獨立，整個網絡具有較高的可靠性和可操作性;網絡通訊協(xié)議采用NetBEUI協(xié)議，它支持TCP/IP協(xié)議;監(jiān)控中心服務器采用WindowsNT網絡操作系統(tǒng)，并負責內部的IP地址過濾、訪問控制、資源共享和網絡管理。 </p><p>　　2.3系統(tǒng)數據庫實現與應用 &

17、lt;/p><p>　　數據庫是系統(tǒng)數據存儲和交換的主要承載體，是系統(tǒng)的核心，它在整個系統(tǒng)中擔負著數據管理的任務。數據庫管理即對數據進行錄入、查詢、刪除和打印等操作。數據庫設計必須具備數據錄入、數據查詢、數據存儲和數據刪除等功能(如圖3所示)。表1是系統(tǒng)中典型的數據表結構。 </p><p><b>　　圖3數據庫結構 </b></p><p>　

18、　表1監(jiān)測點形變量表 </p><p><b>　　2.4案例分析 </b></p><p>　　某大橋受季風影響，常年平均風速很大，加上周日及季節(jié)溫差大，各種惡劣的因素將對施工期大橋建設帶來十分不利的影響，尤其對大橋的超高索塔、超長鋼箱梁懸臂和斜拉索的影響將更加明顯。為此，研究和開發(fā)大橋索塔GPS實時動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)，加強對索塔施工過程的控制和重要環(huán)節(jié)的監(jiān)測，分析不

19、同條件下索塔的變形規(guī)律，評價索塔安全，正確指導施工。 </p><p>　　為使系統(tǒng)滿足索塔動態(tài)監(jiān)測的需要，正確反映索塔的運動規(guī)律，監(jiān)測系統(tǒng)必須達到一定的監(jiān)測精度與采樣頻率。對于監(jiān)測精度，從技術角度上分析，索塔的變形是以厘米級為單位的，要求所采用的監(jiān)測技術和儀器能夠滿足厘米級的精度。GPS實時動態(tài)監(jiān)測技術應用于索塔監(jiān)測，不僅可以滿足監(jiān)測精度，更重要的是它具有自動化、實時性高等優(yōu)點，在自然條件極為復雜的橋梁索塔監(jiān)測

20、中將發(fā)揮重要作用。 </p><p>　　結合GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)的觀測數據，采用回歸分析和卡爾曼濾波的方法進行變形量的分析和預測?；貧w結果的復相關系數為0.99，而在卡爾曼濾波中根據先驗信息，取 </p><p><b>　　，Q=0.2 </b></p><p>　　兩種方法的估計值和殘差值見表2，殘差平方和分別為0.207和0.418，并且

21、最大估計偏差分別為0.22mm和0.35mm，可見兩種方法進行監(jiān)測點的變性分析和預測都是可行的。 </p><p>　　表2不同方法的比較(單位:mm) </p><p>　　變形監(jiān)測系統(tǒng)得到的變形觀測值，里面可能包含系統(tǒng)誤差，也可能是由于基準點的位移引起的，如何顧及變形值的關聯(lián)信息，同時對變形值進行分析，本文給出了整體方差法以及顯著性檢驗的方法，確保變形值的準確性和有效性，采用回歸分析法

22、和卡爾曼濾波的方法進行變形預測。實例計算結果表明該方法是可行和有效的。 </p><p><b>　　3結束語 </b></p><p>　　為了更好的發(fā)揮GPS變形監(jiān)測的效果，工程人員應利用不同條件下更多的實測數據進行測試來發(fā)現問題，進一步完善GPS變形監(jiān)測數據處理系統(tǒng)，以滿足生產的需要；同時隨著時間的推移，GPS監(jiān)測數據積累會愈加豐富，如何對這些數據進行有效的管理

23、和分析，并且從中獲取有用的信息也成為了工程人員需要解決的難題。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 王中元;周天強;張鵬飛.高層建筑物GPS動態(tài)變形監(jiān)測數據處理[J].測繪科學.2012年第01期 </p><p>　　[2] 申小平;?豪榮;唐錢龍.GPS定位技術在建筑物變形監(jiān)測中的應用[J].土工基