郭隆志

摘要：GPS定位技术作为一种新的测量技术已逐渐在越来越多的领域取代了常规测量仪器。由于GPS测量具有高精度三维定位能力，在变形监测方面，与传统方法相比较，应用GPS不仅具有精度高、速度快、操作简便等优点，而且利用GPS技术、计算机技术、数据通讯技术及数据处理与分析技术进行集成，可实现全自动化、实时监测的目的。

关键词：GPS;高层建筑;变形监测;应用

近年来，随着建筑行业的蓬勃发展，越来越多的高层建筑应运而生。由于高层建筑结构的复杂性和重要性，使得对高层建筑进行必要的变形监测显得十分有必要。GPS定位技术作为一种新的测量技术已逐渐在越来越多的领域取代了常规测量仪器。由于GPS测量具有高精度三维定位能力，在变形监测方面，与传统方法相比较，应用GPS不仅具有精度高、速度快、操作简便等优点，而且利用GPS技术、计算机技术、数据通讯技术及数据处理与分析技术进行集成，可实现全自动化、实时监测的目的。

1、GPS变形监测模式

GPS用于变形监测的模式有两种：周期性、连续性。周期性监测模式是最常用的观测模式，与传统的变形监测网类似，通常用于建筑物的变形速率极为缓慢，在局部空间域和时间域可以将变形量忽略不计的情况，其监测频率可为数月、一年甚至更长时间。一般采用GPS静态观测进行测量;连续性变形监测是采用固定GPS监测仪器进行长时间的数据采集，获得变形数据系列，其监测数据是长期连续的，而且具有很高的时间分辨率，然后利用数据分析软件对所测数据进行分析和预测。GPS连续性监测模式，根据监测目的、变形体的性质和精度要求的不同，其数据处理方法可采用静态相对定位和动态相对定两种进行观测。而对于高层建筑的监测，一般采用连续性模式。

2、GPS高层建筑监测方法

2.1 监测面设置

监测面应设置两个，其一为基础监测面，即设置在建筑物的基础或地面第一层上，用于监测建筑物底部的水平变形和沉降变形，且可确定建筑物基础几何中心的坐标变化;几何中心的坐标用重心坐标表示。

外业观测则采用传统测量方法，如水准法和导线法。其二为整体形变监测面，用于确定建筑物的整体形变状态，整体形变状态即用形变模型描述。

2.2测点布设

基准点布设：基准点布设应在两个或两个以上，以便传递坐标、增加测量结果的可靠性和消除某些系统误差;布设时应避开信号干扰源，要便于观测和易于长期保存。

监测点的布设：监测点应选在能直观反映建筑物沉降情况的部位，如建筑物四角沉降缝两侧、荷载有变化的部位、大型设备基础、柱子基础和地质条件变化处等。

2.3 GPS测量设置

观测仪器采用双频接收机，观测时段的时间长度设为30～120min，卫星的高度角限值设为15°，仪器对中采用强制对中。开机后应查看接收卫星个数，确保同步观测卫星数。因仪器不能直接查看卫星序号、信嘈比、适时定位结果、GPS点位几何图形强度因子PDOP值等，故每天观测完成后，应及时将数据传输出来，及时进行基线处理。如果基线处理不合格，应及时返工。

3、GPS数据处理

3.1 GPS观测数据预处理

GPS观测数据的预处理的目的是：对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差;统一数据文件格式并将各类数据文件加工成相互兼容的标准化文件（如GPS卫星轨道方程的标准化，卫星时钟钟差标准化，观测值文件标准化等），找出整周跳变点并修复观测值;对观测值进行各种模型改正。

（1）GPS卫星轨道方程的标准化

将已知的多组不同历元的星历参数所对应的卫星位置表达为时间的多项式形式，利用多项式拟合法即可求解多项式参数。解出的系数记入标准化星历文件，用他们来计算任一时刻的卫星位置。多项式的阶数一般采用8～10就足以保证米级轨道拟合精度

（2）观测值文件的标准化

不同的接收机提供的数据记录有不同的格式。所以在平差之前，观测文件必须规格化、标准化。具体的有记录格式标准化，记录项目标准化，采样密度标准化和数据单位的标准化。

3.2 GPS观测数据的测后处理

GPS 观测数据的测后处理，一般均借助相应的后处理软件自动地完成，其内容主要包括基线预处理及 GPS 网的平差。

（1）基线解算

基线处理是对已标准化的数据文件进行处理，解算出基线。基线解算的过程实际上是一个平差的过程，平差所采用的观测值主要是双差观测值。基线解算时的平差分以下三个阶段进行：

①初始平差。根据双差观测方程，组成误差方程和法方程后，求解待定的未知参数及其精度信息;通过初始平差，解算出整周未知数参数和基线向量的实数解或浮动解。

②整周未知数的确定。根据初始平差结果，使用搜索法将整周未知数固定成整数。

③确定基线向量的固定解。将确定了的整周未知数作为已知值，仅将待定点的坐标作为未知参数再次进行平差，解算出基线向量的整数解（即固定解），基线解算是自动完成的。

（2）GPS网平差

GPS网由基线组成，数据处理的成果是基线向量及相应的方差协方差。其网的平差包括基线向量的无约束平差、约束平差和与地面网的联合平差三部分。

①GPS基线向量网无约束平差。GPS地面网一般由若干三角形或多边形组成，其中存在一定量的多余基線，环路中存在闭合差。GPS网无约束平差的目的在于处理闭合不符值，检查网本身的内部符合精度以及基线向量之间有无明显系统误差和粗差。

②GPS基线向量网的约束平差。该平差又称为非自由网平差。平差时以国家大地坐标系或地方坐标系的某些点的坐标、边长和方位角为约束条件，顾及GPS网与地面网之间的转换参数进行平差计算。

③GPS网与地面网联合平差。该平差方法是在GPS网中，除了GPS基线向量观测值和约束数据以外，还有地面常规测量值如边长、方向和高差等，将这些数据与 GPS数据一起进行平差。非自由网平差和联合平差一般在国家或地方坐标系中进行，平差完成后网点的坐标已属于国家坐标系或地方坐标系。而无约束平差是在WGS-84基准下进行的。平差可以以三维模式进行，也可以二维模式进行，当进行二维平差时，应首先将三维GPS向量坐标及协方差阵转换至二维平差计算面。

GPS网平差之后，利用网中稳定的非起算点进行监测点位移量的差分改正，以提高监测精度和可靠性。

参考文献

[1] 独知行.GPS技术在高层建筑变形监测中的应用研究[J]城市勘测，2012，（07）.

[2] 李征航.GPS定位技术在变形监测中的应用[J]全球定位系统，2014，（01）.

[3] 王晓华，胡友健，肖鸾.GPS技术应用于变形监测的综述[J].淮阴工学院学报，2013，（03）.

（作者单位：西宁市测绘院）