GPS技術在建筑物變形監測中的應用

摘 要：城市現代化的加速發展推動著城市建筑物變形監測需求的不斷提高，GPS作為一種現代空間定位技術，以其精度高、全天候、自動化和通視條件好等優點在我國各個領域都得到了廣泛的應用。文章主要探討了GPS技術在建筑物變形監測中的應用，結果表明GPS技術在建筑物變形監測中獲得了穩定和優良的監測數據，這對保障建筑物的安全具有重要的意義。

關鍵詞：GPS技術；變形監測；建筑物；精度

1 概述

隨著現代城市建設規模的不斷發展，城市里的大型建筑物越來越多，建筑物在施工過程中和使用期間會因受到地基的地質條件、處理方法和建筑物上部結構的荷載等多種因素影響到建筑物地基和四周地層的穩定性而發生形變，如果這種形變超過一定的限值，就會給建筑物的生產和運營帶來安全隱患，嚴重的話甚至會造成建筑物的整體坍塌。因此，在建筑物施工過程中，以信息化施工技術為依托，通過對施工現場監測來判斷、掌握建筑物的變形情況，對其進行預警預防是可行和必不可少的安全措施[1]。但是要對建筑物變形監測進行及時準確的預警預防，就需要采用高精度、高效益和自動化程度高的形變監測系統。GPS的全稱是全球定位系統（Global Positioning System，GPS），它擁有全方位實時三維導航和定位功能的衛星導航與定位系統。GPS技術以其全天候、定位精度高、測量時間短、測站之間無須通視和自動化程度高等特點得到了用戶的高度認可，在建筑物監測、橋梁健康監測、大壩安全監測和地殼變形及板塊運動等諸多應用領域中，展示出了其不可比擬的優勢。文章在分析GPS技術在監測優勢的基礎上，對GPS技術在建筑物變形監測中的應用進行了探討，得出了一些較為實用的結論。

2 GPS技術的監測優勢

近年來，我國城市工程建設項目數量迅速增加，建筑物尤其是高層、超高層和大跨度等建設難度頗大的工程日益增多，這使得對建筑物的變形監測、場地工程抗震設防等建筑工程安全保障方面的需求大大增加[2-5]。由于建筑物尤其是高層建筑物工程結構有一定的復雜性，而這種復雜性又會給高層建筑物的變形監測帶來一定的難度，傳統的變形監測技術在這里已經顯得比較滯后。因此，積極應用各種高科技技術手段對建筑物進行監測是非常有必要的，而GPS技術是一種新興的監測手段，可實現遠程自動化測量的高精度形變監測技術。這個技術具有精度高、全時域、速度快、站點通視性強、自動化程度高和可同時測定三維坐標等諸多特點，與傳統變形監測技術相比，GPS技術更適宜于現代建筑物的變形監測領域。傳統監測技術與GPS技術在變形監測領域的對比情況見表1。

從表1中可以看出，傳統變形監測技術成熟但工作量較大，工作效率低下，繼續發展的空間相對較小。而GPS技術將會隨著計算機技術、數據通訊技術和空間定位技術的不斷進步與相互結合得到更進一步的發展和完善，提升變形監測效率和精度的。因此，GPS技術在建筑物尤其是高層建筑物變形監測中具有傳統變形監測技術所無法比擬的優勢。

3 GPS技術在建筑物變形監測中的應用

3.1 GPS變形監測的基本步驟

利用GPS技術對建筑物進行變形監測，其基本步驟是首先設計及優化GPS監測布網形式和GPS基站與監測點的布設情況，確保GPS接收機能正常發揮作用；其次是對GPS觀測方法與周期的選擇；最后是根據觀測方法和觀測數據的來源對數據進行處理與分析。其中GPS用于建筑物變形監測的監測模式可分為周期性和連續性兩種，連續性監測模式適用于自動化程度高，數據采集周期短的建筑物項目，在一些高層及大型建筑物等工程中，比較適宜選用GPS連續監測模式；周期性監測模式則適用于采用靜態相對定位測量的方法。相對建筑物變形監測來說，就是采用GPS技術對建筑物監測點進行相對定位，獲取建筑物監測點的監測數據后，進行分析研究并建立相應的動態模型，然后利用GPS監測點的三維位置及三維速率為參數來建立卡爾曼濾波模型，這些模型的成功建立，便于對監測數據進行動態管理及分析預測，大大提高了建筑物的安全系數。

3.2 GPS數據處理方法的應用

GPS產生的數據一般可分為動態數據和靜態數據，兩者之間的區別在于GPS監測點在工作中處于變化狀態還是靜止狀態，變化狀態生成的數據是動態數據，靜止狀態則是靜止數據。GPS數據處理過程可分為基線解算和網平差兩個部分。GPS基線解算一般采用Gamit或Bemese軟件和IGS精密星歷進行解算，網平差則常用PowerADJ軟件處理。其基本的處理步驟大概有：提取基線向量，構建基線向量網；進行三維無約束平差計算；約束平差或者聯合平差；質量分析與控制。按數據產生的方式來講，GPS靜態數據的處理方式是構建基線向量后分析評價監測數據的精度是否符合要求，符合要求就可提取GPS監測點的坐標信息，之后按需求進行平差解算；GPS動態數據處理方法是利用狀態方程和觀測方程來描述動態方程及狀態觀測信息并最優估計狀態參數的一種方法，但是這個方法對動態系統的要求比較高，有可能出現濾波發散和濾波失真的情況，必須預先考慮觀測粗差對濾波結果的影響，否則對動態數據解算結果的正確性和精度會有較大的影響。

GPS技術應用于建筑物變形監測雖然具有不可比擬的優越性，但也存在一定的缺陷和局限性，主要有以下幾個方面：（1）監測環境不太理想。建筑物尤其是高層建筑物一般都處于城市繁華地段，周邊高層建筑物比比皆是，容易被周邊的大樓遮擋衛星信號，影響觀測精度，且監測點位選擇的自由度比較低。（2）GPS誤差源較多，對數據處理的技術要求較高。（3）垂向位移監測精度比較低。GPS監測垂向分量容易出現較高的噪聲和干擾，其觀測精度比較低，在高精度的變形監測中，利用GPS不容易測定監測體的垂直位移[6-9]。

4 結束語

盡管目前階段GPS技術在建筑物變形監測中還存在一些局限性，但是其精度高、全天候、不受通視條件限制和高度自動化等優點，在建筑物變形監測領域具有良好的應用前景和可行性，是未來發展的趨勢。實踐證明，GPS技術在建筑物變形監測中的應用是一種值得采用的有效手段，GPS技術可以為我們提供監測體的高精度觀測數據，為預警預測起到有效與準確的效果，這對彌補傳統監測方法的不足有十分重要的意義。隨著我國北斗導航定位系統的投入使用和GPS技術的不斷完善，GPS技術將在變形監測領域中得到更加廣泛的應用，為國民建設作出貢獻。

參考文獻

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作者簡介：吳文（1989-），男，助理工程師，主要從事測繪工作。