關于GPS在變形監測中的應用研究

文 睿 李坤全

（河南工程學院，河南 鄭州 451191）

變形監測技術是監測變形體狀況的重要技術，但其往往受環境因素的影響而不能夠順利實施， 尤其是使用傳統測量方法進行變形監測時，不僅觀測時間長，而且勞動量非常大，不能滿足變形監測的要求。GPS 定位技術具有全天候、精度高及速度快的特點，可以有效地避免傳統測量方法的弊端，在變形監測中被廣泛應用。了解GPS 在變形監測中的應用現狀，并進一步探討其發展趨勢，是不斷提高變形監測技術應用效果的保障。

1 GPS 及變形監測技術概述

1.1 全球定位系統簡介

GPS 本來是用于軍事部門的衛星導航及定位系統，以衛星為基礎，具有全天候、速度快、連續性、實時性等特點，并且GPS具有良好的保密性及抗干擾性。 全球定位系統可以向全球任何一個用戶提供精度非常高的時間信息及三維坐標等技術參數，并且全天候提供，在各種變形監測中都可以得到有效應用，尤其是在大壩變形監測、橋梁變形監測、滑坡監測及礦區變形監測等特殊地區監測中得到廣泛應用。 GPS 在變形監測中的應用效果非常好，精度非常高，并且可以使監測工作有效地實現自動化及實時化。

1.2 變形監測技術簡介

變形監測技術在八十年代之前主要指的是常規大地測量及特殊的變形測量技術， 經過近些年的發展， 攝影測量技術及GPS 技術成為變形監測技術中的重要組成部分。 常規大地測量技術采用的工具主要是經緯儀、水準儀、全站儀及測距儀等測量儀器，利用這些儀器對點的變形值進行測量。 一方面能夠對變形整體的形態進行提供， 另一方面也可以用于不同的檢測精度及變形體，在不同的檢測環境中都能夠應用，以提供有效的絕對變形信息。 但這一技術的作業量較大，并且受地形條件的影響，往往不能夠實現自動化監測。 特殊變形測量技術包括三種，即準直測量、應變測量和傾斜測量，這種測量技術的測量過程相對比較簡單，并且可以對變形體的內部變形進行檢測，以有效地實現監測的自動化，但提供的變形信息比較局限，一般只能夠對相對變形信息進行提供。

攝影測量技術主要包括地面攝影測量技術及航空攝影測量技術兩種。攝影測量技術可以瞬間記錄被攝影物體的信息，在不規則及不可接觸體的變形監測中具有獨特優勢， 并且這一技術獲取的信息可以長久保存，具有客觀性，監測工作簡便且比較安全。 但攝影測量技術的攝影距離較近， 對儀器設備的要求較高，因此應用并不廣泛。GPS 技術的應用則對其它變形監測技術的缺點給予了很好的彌補，近些年已經被廣泛應用，并收到了良好的效果。

2 GPS 在變形監測中的應用現狀分析

2.1 GPS 在變形監測中的應用優勢分析

GPS 在變形監測中的應用優勢非常突出。 首先， 精度高。GPS 比傳統的大地測量精度高出三個量級， 觀測邊長相對精度已經達到了10-9。 其次，全方位。GPS 在變形監測中的應用能夠充分反映全方位的活動性， 能夠有效解決常規觀測中需要多種觀測的問題， 在檢測滑坡變形及掌握滑坡發育規律中具有切實可行性。再者，實時性。GPS 技術可以實現實時監測，捕捉實時信息。 另外，GPS 技術受外界的影響較小，并且速度快，自動化的程度較高，能夠全天候地測量被觀測點的位移變化。 最后，GPS 精密定位技術一方面可以有效地實現對水庫大壩的變形監測，另一方面也有利于實現監測工作的自動化。 因此，GPS 在變形監測中得到廣泛應用。

2.2 GPS 在變形監測中的應用特點分析

GPS 在變形監測中的應用具有以下幾個特點：第一，在變形監測中運用GPS 無需保持通視， 傳統的方法需要點之間保持通視才能夠進行觀測，而GPS 僅僅需要保證測站上空開闊便可；第二，GPS 可以同時提供監測點的三維位移信息，如果用傳統的方法則需要將平面位移和垂直位移進行分開監測，不但周期長，而且工作量極大；第三，全天候監測，GPS 沒有氣候條件的限制，可以實現長期全天候觀測；第四，GPS 的監測精度非常高，可以提供1×10-6的監測精度；第五，GPS 的監測操作簡單，很容易實現監測的自動化。

2.3 GPS 在變形監測中的應用方案分析

變形監測的作業及監測模式主要有三種，即周期性重復測量、實時動態監測及固定連續GPS 測站陣列。 在應用GPS 進行變形監測時， 要根據國家的相關的規定進行變形監測等級的劃分，明確變形監測的相關參數要求。 監測中的方案主要有以下幾個：第一，可以用多臺GPS 機進行同步觀測，最好在每個觀測點都安置GPS 機，做到每點一機同步觀測；第二，如果進行多期觀測，則要做到每期觀測時GPS 接收機臺數及接收機的型號相同；第三，在進行觀測時，要選擇最佳的衛星分布，并且在衛星較多的時段進行觀測；第四，基準點與變形點間的距離及基準點都不能夠超過五千米。

2.4 GPS 在變形監測中應用的作業方式分析

GPS 在變形監測中應用的作業方式主要有兩種，即周期性和連續性。 周期性變形監測大致與傳統的變形監測相似，變形體的變形相對非常緩慢，因而變形監測的周期相對較長，這種監測方式的基準選擇及確定非常關鍵。 連續性變形監測則指的是利用監測儀器對數據進行長時間的采集，從而獲得數據序列。 這種監測方式所獲取的數據具有一定的連續性，且分辨率較強，在數據的解算及分析方面具有較高的要求。

2.5 GPS 在變形監測中的應用誤差分析

GPS 在變形監測中會存在一定的誤差，誤差的存在勢必會對觀測的精度有影響， 按誤差的性質可以將監測中的誤差分為兩大類，即系統誤差及偶然誤差。 按誤差來源分類，GPS 測量誤差則主要分為與GPS 衛星有關的誤差、與信號傳播相關的誤差，及與接收設備有關的誤差。 系統誤差主要有衛星軌道誤差、電離層折射誤差、對流層折射誤差、接收機鐘差等。 偶然誤差則主要是多路徑效應引起的誤差及測量觀測誤差等。 如果出現系統誤差，主要通過在數據處理的數學模型中引入未知參數，以及運用監理系統誤差模型計算該證書及同步觀測數據求差等方法，來消除影響。 若出現偶然誤差，則可以通過增加觀測系數、完善觀測條件和調整觀測時間等途徑對其影響進行減弱。

3 GPS 在變形監測中的應用發展趨勢探討

GPS 在變形監測中的應用發展趨勢主要包括以下幾個方面：第一，建立完善的GPS 變形監控實時分析系統是其發展趨勢之一。 對大壩和大型橋梁以及高層建筑物及地殼變形等進行檢測，以有效地實現數據采集、傳輸及處理，從而使得監測數據能夠及時地被分析處理，實時地對變形現狀進行評價，并預測其發展的趨勢。 進而提供科學合理的依據，為災害發生的可能性分析及預報打下基礎，這對活躍階段變形體的監測來說意義重大。 第二，“3S”集成是其發展的又一重要趨勢。 “3S”集成可以為各種災變信息之間的關系提供技術上的支撐， 比如TGIS 技術的應用，便可以對四維空間的地質狀況進行描述， 能夠有效地記載各種地質現象的演繹過程，對各種災害的測報具有重要作用。 第三，將其他的變形監測技術與GPS 相結合組成綜合的變形監測系統，是其發展趨勢之一。這主要是為了克服GPS 在變形監測中的不足，根據變形監測的目的及對象，將GPS 與其他變形監測技術進行集成組合，以有效地實現優勢互補。 第四，將小波分析理論用于GPS 的動態變形分析之中，是其發展的又一趨勢。通過利用小波變換的多分辨率特性來實現GPS 動態的檢測數據濾波及變形特征信息的提取， 依靠其高精度來解決其它方法所無法解決的難題，從而使GPS 在變形監測中發揮更大的作用。

4 結語

GPS 定位系統以其獨特的優勢被廣泛應用于變形監測中，取得了良好的監測效果。 本文分析了GPS 在變形監測中的應用現狀，并進一步探討了變形監測中GPS 的發展趨勢，對監測效果的保障等具有重大的意義。

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