基于CORS的西安某建筑水平位移監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

摘 要:本文基于筆者多年從事CORS系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以CORS系統(tǒng)在西安某建筑水平位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用為研究對(duì)象，分析了CORS系統(tǒng)法與前方交會(huì)法在建筑水平位移監(jiān)測(cè)中施測(cè)方案，證明了CORS系統(tǒng)法滿足建筑物水平位移監(jiān)測(cè)的需求，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞:CORS 水平位移監(jiān)測(cè) 前方交會(huì) 精度

中圖分類號(hào):P2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)04(a)-0037-02

近年來(lái)在局域差分GPS基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的CORS系統(tǒng)，應(yīng)用了許多現(xiàn)代科技成果，VRS和主輔站技術(shù)就是其中主要技術(shù)之一。CORS系統(tǒng)是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的標(biāo)志，具有全天候、全自動(dòng)、實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位功能。可滿足覆蓋區(qū)域內(nèi)各種地面、空中和水上交通工具的導(dǎo)航、調(diào)度、自動(dòng)識(shí)別和安全監(jiān)控等功能，還可以服務(wù)于高精度中短期天氣狀況的數(shù)值預(yù)報(bào)、變形監(jiān)測(cè)、科學(xué)研究等。尤其是在城市規(guī)劃、國(guó)土管理、城鄉(xiāng)建設(shè)和基礎(chǔ)測(cè)繪方面，在建筑物變形監(jiān)測(cè)中也越來(lái)越需要這種自動(dòng)化程度高、精度高的技術(shù)。利用CORS系統(tǒng)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)可有效的降低工程費(fèi)用，縮短工期，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。但由于應(yīng)用CORS系統(tǒng)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)有別于常規(guī)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，它本身的數(shù)據(jù)以及變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行有效的處理，才能滿足變形監(jiān)測(cè)的需要。

西咸連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(XXCORS)是“數(shù)字西安”實(shí)現(xiàn)的重要體現(xiàn)，其主要作用是為社會(huì)用戶提供實(shí)時(shí)跟蹤空間定位服務(wù)，提供精確、實(shí)時(shí)的地理信息數(shù)據(jù)，滿足城市規(guī)劃、國(guó)土管理、城鄉(xiāng)建設(shè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、減災(zāi)防災(zāi)、基礎(chǔ)測(cè)繪、交通監(jiān)控、工程建設(shè)、形變監(jiān)測(cè)、公共安全、精細(xì)農(nóng)業(yè)等方面的對(duì)定位導(dǎo)航服務(wù)的需要。

1 工程概況

西安市某大樓是一棟綜合商住摟，占地面積為1000m2，高11層，高度37m，建筑物重要性等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為4度，場(chǎng)地等級(jí)二級(jí)。該建筑物為框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用人工挖孔灌注樁。大樓自竣工以后開(kāi)始利用CORS系統(tǒng)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。為了應(yīng)用CORS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)大樓在一段時(shí)期內(nèi)水平變形情況，在大樓頂層的框架結(jié)構(gòu)梁柱上安裝固定GPS基座，進(jìn)行三天的GPS變形監(jiān)測(cè)。本文將對(duì)比常規(guī)的前方交會(huì)法和CORS系統(tǒng)法。

2 前方交會(huì)法監(jiān)測(cè)

2.1 水平位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)

依據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》中對(duì)變形監(jiān)測(cè)的要求，布設(shè)四個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，四個(gè)點(diǎn)都布設(shè)在地基穩(wěn)固的低層平房上或堅(jiān)固的巖石上，變形網(wǎng)控制網(wǎng)采用邊角網(wǎng)的觀測(cè)方式，角度觀測(cè)和邊長(zhǎng)觀測(cè)利用1″級(jí)全站儀，測(cè)距精度為±(1mm+1×10－6D)。控制網(wǎng)按二等三角測(cè)量進(jìn)行，水平角按全圓法觀測(cè)，每站測(cè)6個(gè)測(cè)回，垂直角測(cè)4個(gè)測(cè)回。測(cè)距每條邊讀數(shù)4次，其互差不大于2mm。對(duì)變形點(diǎn)LQ的觀測(cè)按三等三角測(cè)量進(jìn)行。水平角每站測(cè)4個(gè)測(cè)回、垂直角測(cè)2個(gè)測(cè)回。變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)略圖見(jiàn)圖1。

圖中4個(gè)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)基點(diǎn)為測(cè)站D1、D2、D3、D4，各基點(diǎn)視野開(kāi)闊、便于觀測(cè)、不受干擾和易于長(zhǎng)期保存且靠近建筑物。各點(diǎn)間通視條件良好，為增強(qiáng)圖形強(qiáng)度和檢核條件，監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)設(shè)計(jì)成4個(gè)點(diǎn)的形式。LQ點(diǎn)為變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，制作成強(qiáng)制對(duì)中裝置，布設(shè)在建筑物樓頂框架結(jié)構(gòu)梁柱上，與各基點(diǎn)可以形成較好的觀測(cè)圖形結(jié)構(gòu)，便于觀測(cè)和保存。

2.2 精度評(píng)定

變形控制網(wǎng)平差方法選擇經(jīng)典自由網(wǎng)平差模式。變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)按二等三角網(wǎng)觀測(cè)，取觀測(cè)方向中誤差。(經(jīng)驗(yàn)值)，再依以及計(jì)算出每個(gè)觀測(cè)方向及每條觀測(cè)邊的權(quán)。監(jiān)測(cè)網(wǎng)的第二次觀測(cè)及以后所有的觀測(cè)，都要進(jìn)行點(diǎn)位穩(wěn)定性檢驗(yàn)采用經(jīng)典嚴(yán)密平差法時(shí)，復(fù)測(cè)后兩次平差值的較差應(yīng)符合下式的要求:

式中△——兩次平差值較差(Ⅳ);——單位權(quán)中誤差(\"):——權(quán)系數(shù)。

在水平位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)使用清華山維NASEW測(cè)繪平差軟件進(jìn)行精度估計(jì)，控制網(wǎng)中最大誤差情況:

最大點(diǎn)位誤差=2.25mm，最大點(diǎn)間誤差=1.51mm，最大邊長(zhǎng)比例誤差=1／138889。由以上分析可得，最大點(diǎn)位誤差為2．25mm，滿足規(guī)范3.0mm的要求;最大邊長(zhǎng)比例誤差1／138889，滿足規(guī)范1／120000的要求。

2.3 水平位移觀測(cè)

前方交會(huì)略圖見(jiàn)圖2。分別在測(cè)站D1、D2、D3、D4上觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)LQ點(diǎn)。為削弱照準(zhǔn)誤差，觀測(cè)點(diǎn)覘牌按以下五個(gè)要求制作:①反差大;②沒(méi)有相位差;③圖案對(duì)稱;④圖案兩邊留有適當(dāng)?shù)膮⒖济娣e;⑤便于安置。首選白底黑圖案雙線條為宜的覘牌。

觀測(cè)點(diǎn)水平位移測(cè)量用前方交會(huì)法。為保證基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性，應(yīng)定期進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，計(jì)算每次的坐標(biāo)值，用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的方法來(lái)判斷點(diǎn)位的穩(wěn)定性。根據(jù)基點(diǎn)實(shí)地埋設(shè)時(shí)的工程與地質(zhì)信息，直接用擬穩(wěn)平差進(jìn)行網(wǎng)點(diǎn)穩(wěn)定性分析。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)當(dāng)基點(diǎn)確實(shí)存在位移時(shí)，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)值就得進(jìn)行改正。本次變形測(cè)量采用的前方交會(huì)法，可以將測(cè)站點(diǎn)的位移看作儀器的偏心，利用改正后的數(shù)值來(lái)計(jì)算位移量。本實(shí)例觀測(cè)未出現(xiàn)基點(diǎn)的位移。

3 CORS系統(tǒng)法

通過(guò)對(duì)高度截止角、時(shí)段長(zhǎng)度、基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量選擇、起算點(diǎn)坐標(biāo)精度、軟件與星歷等參數(shù)配置比較實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論:

(1)數(shù)據(jù)解算采用20°高度截止角較好，高度截止角過(guò)低可能造成多路徑效益顯著，信噪比增強(qiáng)，過(guò)高則觀測(cè)可用衛(wèi)星數(shù)減少，數(shù)據(jù)相應(yīng)的減少，造成誤差增大。(2)城市一般高層建筑物較多，但順各方向較為開(kāi)闊，建議采用15°高度截止角觀測(cè)，測(cè)站天空平均高度角一般不大于35°，能夠滿足建筑物變形監(jiān)測(cè)的精度要求。(3)為避免不必要的返工，靜態(tài)觀測(cè)定位時(shí)段長(zhǎng)度采用12小時(shí)或更長(zhǎng)的時(shí)間，觀測(cè)時(shí)間過(guò)短可能因數(shù)據(jù)量太少可能達(dá)不到預(yù)期精度，觀測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)精度得以提高但降低了工效。其選定與衛(wèi)星狀況、交通情況、測(cè)點(diǎn)地形等因素有關(guān)。(4)±lm、±10m點(diǎn)位精度解算的基線，與±0．1m相比點(diǎn)位精度解算基線的相對(duì)差值分別為:－0.02～8.85ppm、－0.21-94.82ppm，平均為-1.79ppm、-19.16ppm。

3.1 觀測(cè)參數(shù)配置

本次監(jiān)測(cè)活動(dòng)，數(shù)據(jù)采樣間隔30s，采集高度截止角為15°，數(shù)據(jù)解算高度截止角為200，靜態(tài)觀測(cè)定位時(shí)段長(zhǎng)度12小時(shí)，由于3個(gè)參考站與5個(gè)參考站解算結(jié)果相差不大，因此本實(shí)例只選取3個(gè)CORS參考站為監(jiān)測(cè)網(wǎng)，基準(zhǔn)網(wǎng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理采用GAMIT軟件和精密星歷。

3.2 具體方案

由于各參考站都是24小時(shí)采集數(shù)據(jù)，因此截取每天所需時(shí)間段的觀測(cè)數(shù)據(jù)行解算，分析每天解算結(jié)果的異同，連續(xù)幾天的變化趨勢(shì)。

3.3 基準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述結(jié)論，在滿足變形監(jiān)測(cè)要求的前提下，此次實(shí)例分析只采用離變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)較近的三個(gè)參考站作為變形基準(zhǔn)網(wǎng)，三個(gè)參考站為JZOl、JZ02、JZ03，變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)在三個(gè)參考站組成的三角形內(nèi)。網(wǎng)圖見(jiàn)圖3。

3.4 數(shù)據(jù)采集

于2007年9月2日～4n日開(kāi)展外業(yè)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間段為9:00-21:00，共觀測(cè)3天3個(gè)時(shí)段，整個(gè)外業(yè)觀測(cè)過(guò)程無(wú)異常，未重測(cè)或補(bǔ)測(cè)。

采用l臺(tái)Trimble5800雙頻GPS接收機(jī)，儀器標(biāo)稱精度為5mm+lppm。觀測(cè)時(shí)的參數(shù)設(shè)置如下:接收機(jī)作業(yè)模式為靜態(tài)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)段數(shù)為3個(gè)，測(cè)量等級(jí)為B級(jí)，時(shí)段長(zhǎng)度12h，衛(wèi)星高度截止角為10°，有效衛(wèi)星數(shù)大于6顆，采樣間隔30s。采集的GPS數(shù)據(jù)為dat格式，用TG01.62的Convert to RINEX功能轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RINEX格式。

4 數(shù)據(jù)處理分析

首先使用TEQC軟件對(duì)每天觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，查看所有觀測(cè)衛(wèi)星的多路徑效應(yīng)和信噪比圖，剔除一些多路徑效應(yīng)、信噪比影響較大的衛(wèi)星，為GAMIT準(zhǔn)備相對(duì)較好的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)每一個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析可知，各接收機(jī)接收GPS信號(hào)質(zhì)量比較好，符合本設(shè)計(jì)的要求。本例選用3個(gè)CORS參考站的數(shù)據(jù)，采樣率為30秒，截取12小時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合精密星歷并利用GAMIT軟件進(jìn)行高精度解算。利用GLOBK軟件與三個(gè)參考站已知坐標(biāo)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)LQ進(jìn)行約束平差，然后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)平差坐標(biāo)。

通過(guò)分析可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)LQ水平位移量X、Y方向上基本在3mm以內(nèi)，較規(guī)范要求值4.2mm略低。說(shuō)明大樓運(yùn)行非常穩(wěn)定。同時(shí)對(duì)比了利用常規(guī)前方交會(huì)的方法，結(jié)果基本吻合。因此，我們可以得到，運(yùn)用CORS系統(tǒng)對(duì)一般高層建筑物進(jìn)行水平監(jiān)測(cè)所得到的結(jié)果滿足《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026-93)變形監(jiān)測(cè)三等精度要求，完全可以替代常規(guī)邊角測(cè)量的方法。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文