GPS在變形監測中的應用與研究

楊魯強，趙慶志

(1．中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222;2．中國礦業大學(徐州)，江蘇徐州221008)

一、引 言

變形監測是指監測工程建筑物或構筑物的地基沉降位移以及整體的傾斜等變形狀況，其關鍵在于捕捉變形敏感部位和各觀測周期間的變形觀測點的變形信息。當變形在一定的限度之內，可以認為是正常的情況;如果超過了規定的限度，就會影響建筑物的正常使用，嚴重時會危及建筑物的安全，給人們帶來災難性的危害。變形觀測的精度要求取決于該工程建筑物預計的允許變形值的大小和進行觀測的目的，通常精度要求在亞毫米級至毫米級。

二、變形監測方法與意義

常規的監測技術是應用水準測量的方法進行沉降監測，應用三角測量(或角度交會)的方法監測地基的位移和整體的傾斜。主要是采用經緯儀、水準儀、測距儀、全站儀等常規測量儀器測定點的變形值，其優點是：能夠提供變形體整體的變形狀態;適用于不同的監測精度要求、不同形式的變形體和不同的監測環境;可以提供絕對變形信息。缺點是：觀測時間長，外業工作量大，布點受地形條件影響;不易實現自動化監測。在有些地方由于受到地形和外界條件等限制，其工作效率和精度往往受到很大的影響。利用GPS技術，可實現數據采集、數據處理以及變形分析的自動化。

由于GPS衛星星歷是根據WGS-84坐標系建立的，因此GPS不論是單點定位的坐標，還是相對定位中解算的基線向量都屬于WGS-84大地坐標系。在變形監測中我們關心的是變形監測點的三維坐標的變化量，只要求監測點的相對位移量，對監測點的絕對位置坐標并沒有過高的要求，所以在GPS水準測量后得到的測點大地高不需要進行坐標系的轉換(難以獲得足夠精確的高程異常值，將大地高轉換成正常高)，直接用大地高進行比較就可以得到監測點的位移量，從而減小了坐標系轉換帶來的誤差和計算工作。

現實世界中許多災害的發生與變形有著極為密切的聯系，例如地震、潰壩、滑坡以及橋梁的垮塌等，都是典型的變形破壞現象。因此，變形監測研究在國內外受到了廣泛的重視。隨著各種大型建筑的大量涌現以及滑坡等地質災害的頻繁發生，變形監測研究的重要性更加突出，推動著變形監測理論和技術方法的迅速發展。目前，變形監測正向多門學科交叉聯合的邊緣學科方向發展，成為相關學科的研究人員合作研究的領域。已有的研究工作涉及地殼形變、滑坡、大壩、橋梁、隧道、高層建筑、結構工程及礦區地面變形等[2]。

GPS因其快速、準確、實時的觀測特點，可以實時地對地震，大壩、橋梁等大型建(構)筑物進行變形監測，預防災害的發生，對一個國家的經濟建設和人民生命財產安全都有著重要的積極的意義。

三、GPS在變形監測中的應用實例

1．實例介紹

本實例采用美國洛杉磯周邊變形監測站2004年到2006年40個監測站共15天的觀測數據，首先利用GAMIT軟件求解基線向量，再利用GLOBK平差求出監測站的觀測坐標，以此來求出監測站形變量。

監測區內共有監測站點40個，具體情況如表1所示。

2．監測點空間分布

為了更加直觀地表現出觀測點的空間分布情況，根據各觀測文件，應用控制網優化設計與平差軟件做出監測點位置圖(如圖1所示)。

表1 測區內的監測點

圖1 監測點的相對位置

四、形變量與變形規律

1．解算形變量

將40個監測站點從2004年到2006年共15天的觀測數據所解得的高程值分別與起始高程值做差，得到各個監測點的高程變化值。根據以上數據可以發現監測區域的變形情況基本一致。為了便于分析，在整個測區范圍內根據監測點的疏密情況選擇3組觀測點，每組3個監測站點。3個監測站基本構成等邊三角形。這3組監測站點分別是：

1) 第1組：PSDM，HOL3，CHIL;

2) 第2 組：LONG，HOLP，JPLM;

3) 第3 組：BRAN，CRHS，UCLP。

3組監測點的高程變形如圖2～圖4所示。

圖2 PSDM、HOL3、CHIL測站高程變化圖

圖3 LONG、HOLP、JPLM測站高程變化圖

圖4 BRAN、CRHS、UCLP測站高程變化圖

由以上3組圖可以看出，變形監測區域內各處的變形趨勢一致，在變形值上只存在很小的差別。

2．變形區的形變規律

1)依據監測站的位置分布圖，在測區中央由南北方向，盡量選取一條直線上的7個測站，用這7個測站的觀測數據來分析監測區域中沿南北走向的變形規律。選擇測站是：DVPB，CHIL，JPLM ，VDCY，LEEP ，FXHS ，UCLP。

所選的7個測站相對于起始高程的變形值如表2所示。

表2 高程變形值 mm

由圖5可以看出，在變形監測區域內，沿南北走向變形基本一致。

圖5 測區南北方向高程變化趨勢圖

2)在南北方向選擇測站連線的垂直方向上，選取兩組點進行東西變形趨勢分析：

1) 第 1 組：CRHS，LASC，FXHS，WMAP;

2) 第2 組：LONG，CHIL，SPMS，VNPS。

第1組監測點的高程變形情況如表6，圖6所示。

表6 高程變形值 mm

圖6 測區東西方向高程變化趨勢圖

第2組監測點的高程變形情況如表7，圖7所示。

表7 高程變形值mm

由第一組、第二組的圖表分析可知，在變形監測區域內，沿南北走向變形基本一致，沿東西走向由東到西變形有逐漸微小的增加。

圖7 測區東西方向高程變化趨勢圖

3．軟件自動生成的變形圖實例

圖8、圖9分別為2005年BGIS和WMAP測站的變形圖。

圖8 BGIS測站變形圖

圖9 WMAP測站變形圖

4．結 論

1)在2005年第341天到2006年第11天的35天里，觀測點的高程上升了192±3 mm;

2)在2006年第11天到2006年第46天的35天里，觀測點的高程下降了135±3 mm。由此可以得出，觀測點在2006年1、2月里上升到了極大值，具體日期和數值因監測不是連續觀測而不能求出。

3)在2006年第46天到2006年第81天的35天里，觀測點繼續下沉，下沉量為133±3mm。由此可以得出在觀測點上升到極值以后均勻地下沉，平均下沉速率為134±3 mm/35天。

4)在2006年第81天到2006年第116天的35天時間里，觀測點高程比上次觀測上升了58±3mm，由此可以得出觀測點在2006年3、4月里下沉到了極小值，具體日期和數值因監測不是連續觀測而不能求出。

5)在2006年第116天到2006年第151天的35天里，觀測點同比上次觀測上升了60±3mm。

五、結束語

由觀測資料得出，觀測區域受地質等各種因素影響，以不等的速率上升和下沉。可見，把GPS技術應用于變形監測方面是非常可行的。

另一方面，GPS雖然成功地應用于變形監測，但在一些特殊環境中因為GPS信號問題和多路徑效應的影響，使得GPS所測精度不高甚至不能觀測，這就需要跟其他測量技術聯合。最后應該注意的是，在GPS變形監測中，水平方向的移動精度要高于垂直方向的移動精度。

[1]羅兵香，張永．GPS變形監測網數據處理問題探討[J]．株洲工學院學報，2006，20(4)：32-34．

[2]李峰．GPS技術在變形監測中的應用[J]．建筑經濟，2007(S2)：62-65．