GPS 在建筑物變形監測中應用的探討

程衛東

(天津市市政工程設計研究院測繪分院，天津300201)

0 引言

變形監測就是利用專用的儀器和方法對變形體的變形現象進行持續觀測、對變形體變形性態進行分析和變形體變形的發展態勢進行預測等的各項工作。隨著城市的發展和人均用地的減少,高層建筑和其他地下工程越來越多。在這些工程的施工過程和建成都會對周圍建筑物的穩定造成一定的影響，當變形超過一定的限度，就會影響建筑物的正常使用，嚴重時可能危及建筑物與人民生命財產的安全。因此人們經常需要對一些建筑物進行變形監測。

建筑物的變形觀測主要包括沉降觀測、傾斜觀測。傳統的變形觀測是針對不同性質的變形量分別量測。而近年來迅速發展的GPS測量技術具有高精度的三維定位能力,為各種工程變形的監測提供了有效的手段。但在精密變形監測中還少有應用,尚處于理論研究和實踐之中。

1 傳統測量方法及其影響因素

1.1 沉降觀測

沉降觀測屬于垂直位移的觀測。其方法是首先按現場地形、地質條件和對變形觀測的精度要求，合理布設變形控制網點。在建筑物附近比較穩固的位置埋設工作基點，直接用以測定建筑物上的觀測點的位移，盡可能在變形影響范圍以外的穩固位置埋設基準點(也稱為檢查點)，用以檢核工作基點本身的穩固性。工作基點與基準點一般都組成一定的網形，用精密水準測量的方法來施測和檢驗。高程變化值的測定通常采用精密水準方法進行測量。

1.2 傾斜觀測

觀測建筑物主體的傾斜變形，應測定建筑物頂部觀測點相對于底部觀測點的偏移值，再根據建筑物的高度，計算建筑物主體的傾斜度。如圖1所示，假設M、N兩點處于同一豎直線上，若建筑物發生傾斜，則N點相對于M點產生位移ΔB至N′點，則建筑物的傾斜度為，式中H為M點相對于N點的高程。

1.3 傳統方法所使用的光學測量儀器受外界影響

1.3.1 溫度變化的影響

傳統的變形測量方法大都是用光學測量儀器進行的(如沉降觀測使用的精密水準儀),溫度變化對光學傳感有著極大的影響。

1.3.2 大氣垂直折光的影響

這種情況主要集中在沉降觀測中。由于大氣垂直折光的影響,會引起視線彎曲從而使讀數產生一定的誤差。

1.3.3 儀器和水準標尺垂直位移的影響

儀器及水準標尺的垂直沉降,是精密水準測量(沉降測量)中系統誤差的重要來源之一。

1.3.4 其它因素影響

由于公共場所情況復雜,本應固定的導線或者水準路線，甚至監測點常常遭到破壞。這將導致每次的觀測精度會有所變化,無法達到客觀真實地反映建筑物的水平位移或者豎向位移情況。其變形趨勢往往得不到真實的反映。

2 GPS的優點與誤差來源

近年來,GPS不論是在硬件方面還是在軟件方面都有長足的發展。實踐證明,在降低成本、縮短工作時間，以及設計的靈活性等方面,GPS技術較常規技術有不少優越之處。

(1)GPS具有很高的定位精度。經過國內外大量試驗表明,GPS衛星定位計算的內符合與外符合精度均能達到±(5mm+1ppm)。

(2)GPS自動化程度高,觀測時間短。用GPS作靜態相對定位(邊長小于15 km)時,采集數據的時間可縮短到1h左右。

(3)GPS可以進行全天候觀測。這一特點,保證了變形監測的連續性和自動化。

(4)GPS測量的誤差來源于GPS衛星、衛星信號的傳播過程和地面接收設備。若根據誤差的性質,上述誤差可分為系統誤差和偶然誤差兩類。偶然誤差主要包括信號的多路徑效應及觀測誤差等;系統誤差主要包括衛星的軌道誤差、衛星鐘差、接收機鐘差，以及大氣折射誤差等。系統誤差遠大于偶然誤差,它是GPS測量的主要誤差源。

3 工程應用

實例是采用GPS定位技術對某建筑物進行監測。

3.1 GPS變形監測網的布設

如圖2所示,A,B,C,D為建筑物沉降影響區外的監測基準點;1～6號點為變形監測點，設置在建筑物頂部。

3.2 作業實驗

采用4臺Trimble 5700型GPS接收機進行觀測。同時使用全站儀配合監測網點架設棱鏡頭測量平面位移量,用Ⅱ等幾何水準測量垂直位移量。GPS接收機天線采用強制對中設站,每一觀測站使用固定接收機觀測。用GPS接收機隨機所帶的平差軟件TGOffice進行基線解算、網平差。以B,D 2點的坐標為起算數據。

3.3 GPS監測網基準點穩定性分析

用基線解算軟件分別對三期觀測數據進行綜合處理,得到基準點坐標與首次值之差及其精度見表1所列。

表1 GPS監測網基準點穩定性數據匯總表(單位：mm)

從表1可以看出,C,B,A 3個基準點的N,E方向坐標中誤差均小于±0.8mm?；鶞庶c相對穩定,可作為監測的基準。

3.4 GPS監測網點的平面位移及精度分析

在GPS測量的同時進行了全站儀觀測，可以將GPS測量與傳統方法測量測出的平面位移量進行比較。表2列出了GPS平面坐標變形量與全站儀觀測平面坐標變形量比較差值。

表2中數據為△=△GPS-△全站儀?！鱊最大值為1.7mm,最小值為0.4mm,平均值為1.12mm。△E最大值為1.5mm,最小值為0.5mm,平均值為1.04mm。若假設△全站儀無誤差,則GPS測得的平面坐標變形量的中誤差為:

如果考慮全站儀測量誤差影響，實測計算出監測點平均點位中誤差為±1.22mm，可以算得GPS測得的平面坐標變形量中誤差為±1.02mm。

3.5 GPS監測網點的垂直位移及精度分析

由于監測網點的同時也進行了水準測量,沉降觀測點設置在建筑物底部對應于頂部監測點的位置，所以可以將GPS測得的大地高高差和正常高高差進行比較。表3列出了GPS大地高變形量△GPS與水準測量變形量△水準的比較差值。

表2 GPS平面坐標變形量與全站儀觀測平面坐標變形量比較表(單位：mm)

表3 GPS大地高變形量與水準測量變形量比較表(單位：mm)

表3中數據為△=△GPS-△水準。△最大值為5.2mm,最小值為0.4mm,平均值為2.28mm。若假設△水準無誤差,則GPS測得的高程變形量的中誤差為:

若顧及水準測量誤差影響,由實際測量結果計算出來的水準測量垂直位移量的中誤差為±0.71mm,可以算得大地高測量垂直變形量中誤差為±2.59mm,所以大地高的測量中誤差為:

mH即體現了GPS變形監測大地高的符合精度。

4 結語

目前GPS測量雖然還未達到建筑物沉降觀測所用的二等水準測量精度,但在平面的定位精度已經超越傳統測量儀器一個量級,足可以替代傳統測量手段進行水平位移的監測。隨著GPS信息開放程度、衛星定位精度，以及軟、硬件技術的不斷提高,GPS在絕對定位精度上會有數量級的跳越,這必將推動GPS技術在工程監測方面的全面應用。

[1]宋宜容，陳廣峰.GPS應用于建筑物變形觀測的探討與展望[J].測繪通報，2008,(6):69-71.

[2]李基平.建筑物變形觀測方法及實施[J].廣西工學院學報,2007,(2),109-111.