GPS在变形监测中的应用

GPS在变形监测中的应用

张勇

张勇

通标标准技术服务（上海）有限公司201315

摘要：由于GPS全球定位系统具有定位精度高、观测时间短、测站间无需通视、能提供全球统一的地心坐标等特点,使其相对于常规的测量方法具有无可比拟的优势,因此也被广泛地应用于变形测量中。

关键词：GPS；变形监测；应用研究

引言

变形监测是指监测工程建筑物或构筑物的地基沉降位移以及整体的倾斜等变形状况，其关键在于捕捉变形敏感部位和各观测周期间的变形观测点的变形信息。当变形在一定的限度之内，可以认为是正常的情况;如果超过了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时会危及建筑物的安全，给人们带来灾难性的危害。

1.GPS及变形监测技术概述

1.1全球定位系统简介

全球定位系统GPS本来是用于军事部门的卫星导航及定位系统，以卫星为基础，具有连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点，并且GPS具有良好的保密性及抗干扰性。全球定位系统可以向全球任何一个用户提供精度非常高的时间信息及三维坐标等技术参数,对经典大地测量学以及地球动力学研究产生了极其深刻的影响。另外，GPS在变形监测中的应用效果也非常好，精度非常高，并且可以使监测工作有效地实现自动化及实时化。

1.2变形监测技术简介

变形监测技术包括常规大地测量技术、特殊变形测量技术、摄影测量技术和GPS技术。常规大地测量技术采用的工具主要是经纬仪、水准仪、全站仪及测距仪等测量仪器。其优点是:1)能够提供变形体整体的变形状态;2)适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境;3)可以提供绝对变形信息。但外业工作量大,布点受地形条件影响,不易实现自动化监测。

特殊变形测量技术包括三种,即准直测量、应变测量和倾斜测量，这种测量技术的测量过程相对比较简单，并且可以对变形体的内部变形进行检测，以有效地实现监测的自动化，但提供的变形信息比较局限，一般只能够对相对变形信息进行提供。

摄影测量技术主要包括地面摄影测量技术及航空摄影测量技术两种。摄影测量技术可以瞬间记录被摄影物体的信息，并且这一技术获取的信息可以长久保存，具有客观性，监测工作简便且比较安全。但由于摄影距离不能过远,且大多数的测量部门不具备摄影测量所需的仪器设备,摄影测量技术在变形监测中的应用尚不普及。

GPS技术的应用则对其它变形监测技术的缺点给予了很好的弥补，近些年，GPS因其快速、准确、实时的观测特点，可以实时地对地震，大坝、桥梁等大型建(构)筑物进行变形监测，预防灾害的发生，对一个国家的经济建设和人民生命财产安全都有着重要的积极的意义。

2．GPS在变形监测中的应用

2.1GPS用于水库大坝外观变形监测

水库或水电站的大坝由于水负荷的重压可能引起变形,需要对大坝的变形进行连续而精密的监测。GPS精密定位技术与经典测量方法相比,不仅可以满足大坝变形监测工作的精度要求(1.0～0.1)×10-6,而且更有助于实现监测工作的自动化。

2.2GPS在变形监测中的应用特点分析

第一，在变形监测中运用GPS无需保持通视，而GPS仅仅需要保证测站上空开阔便可；第二，GPS可以同时提供监测点的三维位移信息，第三，全天候监测，GPS没有气候条件的限制，可以实现长期全天候观测；第四，GPS的监测精度（如图）非常高，可以提供1×10-6的监测精度；第五，GPS的监测操作简便，很容易实现监测的自动化。

2.3GPS用于地面沉陷的监测

由地下煤炭、石油和天然气的开采,引起了许多矿区的地面沉降;由于过量地抽取地下水,也使许多城市的地面,产生了显著的沉陷。使用GPS测量技术对上述沉降现象进行监测是经济而有效的。GPS测量不要求相互通视,且速度快,作业灵活,显著地提高作业效率。监测地面的垂直位移,无需将GPS测量的大地高程进行系统的转换,不仅简化了计算工作,同时也保障了观测精度。

2.4GPS在变形监测中应用的作业方式分析

GPS在变形监测中应用的作业方式主要有两种，即周期性和连续性。周期性变形监测大致与传统的变形监测相似，因而变形监测的周期相对较长，这种监测方式的基准选择及确定非常关键。连续性变形监测则指的是利用监测仪器对数据进行长时间的采集，从而获得数据序列。这种监测方式所获取的数据具有一定的连续性，且分辨率较强，在数据的解算及分析方面具有较高的要求。

3．GPS在变形监测中的应用发展趋势探讨

1)研究建立技术先进而又实用的GPS变形监控在线实时分析系统是一个重要的发展趋势。它能以有效地实现数据采集、传输及处理，从而使得监测数据能够及时地被分析处理，实时地对变形现状进行评价，并预测其发展的趋势。进而提供科学合理的依据，为灾害发生的可能性分析及预报打下基础，这对活跃阶段变形体的监测来说意义重大。

2)建立“3S”(GPS、GIS、RS)集成变形监测系统。“3S”集成可以为各种灾变信息之间的关系提供技术上的支撑，特别是时态GIS(简称TGIS)技术的应用,便可以对四维空间的地质状况进行描述，能够有效地记载各种地质现象的演绎过程，对各种灾害的测报具有重要作用。因此,研究“3S”集成变形监测系统,也是变形监测技术的重要发展趋势之一。

3)根据变形监测的目的及对象，将GPS与其他变形监测技术进行集成组合，以有效地实现优势互补。GPS等空间测地技术集成组合应用于大范围、整体性的地壳运动监测,将使地壳形变观测在空间域的控制能力和分辨能力方面得到极大的提高,这也为GPS等空间测地技术用于大型工程的变形监测带来了新的机遇,为推进高精度变形监测的研究注入新的活力。

4)将小波分析理论用于GPS动态变形分析为了克服经典Fourier分析不能描述信号时频特征的缺陷。通过利用小波变换的多分辨率特性来实现GPS动态的检测数据滤波及变形特征信息的提取，小波分析为高精度变形特征提取提供了一种数学工具,可解决其他方法无法解决的难题,对非平稳信号消噪有着其他方法无法比拟的优点。因此,小波分析理论在GPS动态变形监测的数据处理与分析方面将可发挥重要作用。

结束语

GPS技术以其全天候、高精度、高速度、实时三维定位、误差不随定位时间而积累、高自动化等特点优于传统的测量技术,对于变形监测是一种非常有效的方法。

参考文献:

[1]徐绍铨,张华海,杨志强,等.GPS测量原理及应用[M].武汉:武汉大学出版社,2003:86-98.

[2]罗兵香，张永.GPS变形监测网数据处理问题探讨[J].株洲工学院学报,2006

[3]李峰.GPS技术在变形监测中的应用[J].建筑经济，2007