基于GNSS-RTK的建（構）筑物變形監測研究
——以閩江學院為例

文思遠 王俊杰

閩江學院測繪工程系 福建 福州 350108

1 引言

隨著我國城鎮化進程不斷加快，各類建（構）筑物日益增多，開展針對性的變形監測已成為建筑工程防災減災的重要工程問題。相比于水準測量[1]、全站儀測量[2]、GNSS靜態測量[3,4]等傳統變形監測手段，GNSS實時動態載波相位差分（Real-Time Kinematic，RTK）技術具有測量效率高、操作簡便、作業限制少、自動化程度高等優勢[5]。文獻[6]基于連續運行參考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）系統，分析了RTK重復位移測量的精度，指出CORS-RTK測量方式可用于厘米級精度要求的實時變形監測領域。文獻[7]探討了RTK在變形監測領域的應用條件，驗證了RTK技術可用于允許變形較大的工程項目的變形監測。然而，目前應用GNSS-RTK技術進行建（構）筑物變形監測的研究較少，有待進一步測試。

自習近平總書記于2021年3月25日到閩江學院考察調研以來，學校進入基礎設施快速建設的新階段，但校園部分早期建（構）筑物表面已出現不同程度的裂縫，個別墻體和道路裂縫最寬處甚至超過1 cm，如圖1所示。同時，新上馬工程可能引起周邊建（構）筑物沉降情況的進一步惡化，產生較大的安全隱患，故須對相關重點區域進行定期監測。本文以閩江學院為例，基于GNSS-RTK技術設計變形監測方案，測試該技術用于建（構）筑物變形監測的可行性。

圖1 （a）音樂學院旁墻壁外墻裂縫 （b）福萬樓北側道路裂縫

2 RTK測量基本原理

RTK系統由基準站、流動站和通訊鏈路構成，其經典作業模式是由1個基準站和1個流動站組成的“1+1”模式，基本原理是在基準站上安置1臺GNSS接收機，對所有可見的GNSS衛星進行連續觀測，而流動站上的GNSS接收機在接收衛星信號的同時，通過無線電接收設備獲取基準站實時發送的觀測數據，并進一步利用相對定位算法解算出兩站間的基線向量，實時輸出三維坐標和精度。RTK系統正常工作必須具備兩個條件：第一，基準站和流動站需同步觀測5顆以上的GNSS衛星，其中至少4顆衛星要連續跟蹤，一旦發生信號失鎖，需重新初始化；第二，基準站和流動站間的距離不能超過20 km，而基于CORS系統的網絡RTK技術可突破這一限制[8,9]。

由于GNSS直接定位的結果并不處于地方坐標系下，通常需通過坐標系轉換將GNSS定位結果轉換到當地坐標系下，該步驟在具體的RTK測量實踐中稱為工地校正，要求已知地方坐標系下至少1點坐標。按采用的已知點數目分，常見的工地校正方法有單點校正、兩點校正、三點校正和四點校正，而采用3個以上的已知點可實現坐標系轉換的7參數模型，在實際應用中較為可靠。最后，在解決整周模糊度固定、通訊數據鏈路穩定性等問題之后，RTK的平面定位精度可達到厘米級甚至毫米級，高程定位精度可達到厘米級[10,11]。

3 變形監測方案

首先建立變形監測獨立坐標系，在校園西南角土質穩定且視野開闊的區域，設置變形監測控制點，分布如圖2中紅色三角形所示。以閉合導線連接各控制點，采用TOPCON GM-52全站儀和蘇一光DSZ2水準儀，按二級導線和四等水準精度要求實施觀測，進而根據給定的獨立起算數據，計算確定各控制點的三維坐標。圖2同時給出了21個監測點的分布，涵蓋建筑工地周邊及地裂縫顯著等區域。

圖2 閩江學院變形監測的控制點與監測點分布

采用兩臺Trimble SPS986 GNSS接收機，啟用GPS、GLONASS和北斗三大系統，通過接收機內置電臺組建“1+1”的RTK測量模式，其中基準站置于廣成樓樓頂，截止高度角為15°，而流動站截止高度角為10°，點位精度因子限制為6，開啟慣性測量單位傾斜改正和自動限差功能，取至少3個控制點實施工地校正后，再依次測量各監測點的三維坐標，測量歷元數為2，并記錄其固定解。自2021年10月16日起，按上述作業方式對所有監測點開展了為期2個月的定期觀測，共采集得15期的監測結果。

4 監測結果分析

作為RTK測量的關鍵步驟，工地校正直接關乎各期監測點的坐標基準是否統一。表1統計了各期RTK工地校正的控制點選取情況，以及比例系數、最大水平和垂直殘差等結果。其中，第1、3期僅采用3個控制點，不產生垂直殘差。從表中可以看出，歷次工地校正的比例系數均處于1.0001～1.0004之間，且在增加控制點數量和更改控制點組合后，最大水平和垂直殘差在數值上仍表現出一定的隨機性而未見改善；同時，即便固定控制點組合，如第5、7、8期及第13、14期等，工地校正的水平和垂直殘差也表現出較大的偶然性。需要指出的是，第13期的垂直殘差達到-3.8 cm，超出2 cm的殘差限差[12]，故后續分析中將舍棄該期觀測結果。換言之，對于滿足限差要求的各期觀測結果，可以統一視為等精度觀測。

表1 各期RTK工地校正結果

通過工地校正，RTK測得的監測點坐標即處于所建立的變形監測坐標系中，本文重點關注各點豎直方向的高程變化。以點G02為例，圖3給出了其高程隨時間的變化情況，以及經抗差擬合得到的趨勢線。從圖中可以看出，整體上點G02在監測周期內表現出下沉趨勢，但各期的高程散點較為離散地分布在趨勢線兩邊，標準差達7.93 cm，可見RTK測得的監測點高程含有較大誤差，可能與各點周邊的樹木遮擋有關（圖2）。此外，趨勢線兩端的高差也達到約11 cm，相對于2個月的監測周期而言，數值上也有偏大之嫌。

圖3 監測點G02高程隨時間的變化

進一步估計各監測點的沉降速率，結果如圖4所示，其中速率為正表示抬升，速率為負表示下沉。從圖中可以看出，除點G13和G14表現出抬升趨勢外，其余監測點均有不同程度的下沉；近80%的監測點沉降速率超過1 mm/d，點G09的下沉速率甚至超過5 mm/d，數值上顯然已脫離實際；而在沉降速率的相對大小方面，點G10 ～ G12的下沉速率較大，可能與該處建筑施工有關；點G09具有最大下沉速率，其附近地表裂縫也遠大于其他監測點，可能與該點靠近河邊、土質松軟有關，且可能已波及到點G06 ～ G08。總之，基于GNSS-RTK技術估計的測站沉降速率在數值上并不可靠，但能在一定程度上反映出建（構）筑物的沉降趨勢，且其數值大小在區分沉降程度時也起到一定的指示作用。

圖4 各監測點的高程變化速率

5 結語

本文針對應用GNSS-RTK技術進行建（構）筑物變形監測的可行性問題，以閩江學院為例，基于自主搭建的“1+1”RTK測量模式，開展了為期2個月的定期監測。限于RTK本身厘米級的標稱精度，以及校園實地較為茂密的樹木遮擋，各監測點的高程測定誤差較大，估計所得的沉降速率不夠準確，但幾乎所有監測點都表現出下沉趨勢，且監測點沉降速率的相對大小均與實地情況有良好對應。因此，GNSS-RTK技術盡管在定量分析方面不能提供準確的變形監測信息，但在定性分析方面仍有一定參考價值，適用于潛在形變區域的短期快速監測。同時，筆者建議學校有關部門開展全面、系統的校園建（構）筑物變形監測，盡早排除安全隱患。