gps技術(shù)在高層建筑物變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1、<p>　　GPS技術(shù)在高層建筑物變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用</p><p>　　摘要: GPS衛(wèi)星定位技術(shù)是近年來發(fā)展速度較快的一種定位技術(shù)，具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，目前在城市建筑物變形監(jiān)測(cè)中有所應(yīng)用。本文結(jié)合筆者多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹了GPS變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，重點(diǎn)就GPS動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行探討，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)一步闡述了GPS技術(shù)在建筑物變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，以期指導(dǎo)實(shí)踐。 </p><p>

2、;　　關(guān)鍵詞:GPS技術(shù)；變形監(jiān)測(cè)；功能設(shè)計(jì)；案例分析 </p><p>　　中圖分類號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p>　　變形監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)城市變形體安全性的重要舉措，主要是利用專業(yè)的儀器和方法對(duì)變形體的變形現(xiàn)象進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，并分析變形體變形形態(tài)和預(yù)測(cè)變形的發(fā)展趨勢(shì)。在工程測(cè)量中，變形體主要包括橋梁、隧道、高層建筑物和礦區(qū)等。GPS技術(shù)作為一項(xiàng)全新的衛(wèi)星導(dǎo)航和定

3、位系統(tǒng)，在許多測(cè)量領(lǐng)域已替代了傳統(tǒng)的光學(xué)和電子測(cè)量方法。在建筑物變形監(jiān)測(cè)方面，GPS技術(shù)具有高精度、速度快、操作方便、全天候和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，能夠減小變形監(jiān)測(cè)的外業(yè)工作量，大大提高工作效率，并對(duì)建筑物變形形態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控，目前該項(xiàng)技術(shù)在城市變形體變形監(jiān)測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。 </p><p>　　1 GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù) </p><p>　　1.1 GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng) <

4、/p><p>　　GPS觀測(cè)結(jié)果是3維坐標(biāo)，有三個(gè)位置基準(zhǔn)、三個(gè)方位基準(zhǔn)和一個(gè)尺度基準(zhǔn)。因此，在基準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)，如果采用固定基準(zhǔn)點(diǎn)作為GPS網(wǎng)點(diǎn)起算數(shù)據(jù)，則至少需要三個(gè)或三個(gè)以上的穩(wěn)定基準(zhǔn)點(diǎn)，主要是為了保證變形監(jiān)測(cè)的可靠性?；鶞?zhǔn)點(diǎn)應(yīng)選在周圍沒有較強(qiáng)的反射面，且交通方便、遠(yuǎn)離大功率的發(fā)射電臺(tái)及高壓線、視野開闊易于保存的地方。 </p><p>　　1.2 GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)位移及觀測(cè)粗差 </

5、p><p>　　對(duì)于周期性重復(fù)觀測(cè)的GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，采用固定基準(zhǔn)進(jìn)行變形分析是最為理想的，但如果基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生了位移，如不加處理就會(huì)導(dǎo)致變形分析結(jié)果的失真。另外，由于受到周跳、整周模糊度解算誤差，以及多路徑效應(yīng)的影響，基線向量中可能含有粗差。地面起始點(diǎn)坐標(biāo)引起的系統(tǒng)誤差在基線解算中，需要一個(gè)起算點(diǎn)，起算點(diǎn)的精度將影響基線解算的精度，因此，很有必要獲得高精度的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)基準(zhǔn)起算點(diǎn)坐標(biāo)出現(xiàn)誤差時(shí)，將導(dǎo)致整個(gè)

6、GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)基線向量解產(chǎn)生系統(tǒng)性誤差。試驗(yàn)表明，這種系統(tǒng)誤差主要反映整網(wǎng)基線向量的系統(tǒng)性旋轉(zhuǎn)和尺度變化。 </p><p>　　GPS網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)平差后，利用網(wǎng)中穩(wěn)定的非起算點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量的差分改正，以提高監(jiān)測(cè)精度和可靠性。 </p><p>　　如圖1所示，P1和P2為變形區(qū)域外固定點(diǎn)，以P1點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算可得P2，P3兩點(diǎn)相對(duì)于初值的差值ΔP2，ΔP3，由于P1為穩(wěn)定點(diǎn)，故

7、可用ΔP2的值對(duì)P3的變形量進(jìn)行差分改正，其大小為 </p><p>　　式中:Sp1p3和Sp1p2分別為P1，P3以及P2，P3間的基線長度，由于非起算點(diǎn)的穩(wěn)定性同監(jiān)測(cè)點(diǎn)一樣是通過某一基準(zhǔn)點(diǎn)一起處理而同時(shí)得到的，因而兩者之間存在誤差相關(guān)性，進(jìn)行差分改正，恰好濾掉位移量中的誤差部分。 </p><p>　　圖1監(jiān)測(cè)點(diǎn)差分改正圖 </p><p>　　1.3 GPS

8、變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理 </p><p>　　本文采用整體方差分析法和卡爾曼濾波方法對(duì)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)。在變形分析中，變形量的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)主要包括:變形量的顯著性檢驗(yàn)、相關(guān)性檢驗(yàn)和可測(cè)性檢驗(yàn)等。兩期變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的坐標(biāo)差不一定反映了被監(jiān)測(cè)物體的真實(shí)變形值，它可能是由觀測(cè)的偶然誤差引起的，需要對(duì)變形量的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。變形誤差橢圓是變形量顯著性檢驗(yàn)的一種直觀方法，以2維平面方向變形量為例。假設(shè)一二期觀測(cè)成果中，某一監(jiān)測(cè)

9、點(diǎn)的協(xié)方差分別為: </p><p>　　兩期成果的坐標(biāo)差ΔX=X2－X1協(xié)方差為: </p><p>　　則變形量的誤差橢圓由下列元素組成: </p><p>　　在變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形分析中，可認(rèn)為所得的變形觀測(cè)數(shù)據(jù)中包含有反映監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)際變形的信息，另外還包含有隨機(jī)干擾噪聲，這種隨機(jī)干擾噪聲包含動(dòng)態(tài)噪聲和觀測(cè)噪聲。為此，本文利用卡爾曼濾波的理論對(duì)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

10、，并以此為基礎(chǔ)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形作出一些預(yù)報(bào)。狀態(tài)方程和觀測(cè)方程分別為: </p><p>　　當(dāng)變形量較小時(shí)，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量XK和變形速度UK看作狀態(tài)向量，則: </p><p>　　卡爾曼濾波的步驟如下: </p><p>　　第一步，由計(jì)算預(yù)報(bào)值: </p><p>　　第二步，由P(i/i)計(jì)算預(yù)報(bào)誤差方差陣: </p>

11、<p>　　第三步，計(jì)算增益矩陣: </p><p>　　第四步，計(jì)算預(yù)報(bào)殘差: </p><p>　　第五步，計(jì)算濾波值: </p><p><b>　　(11) </b></p><p>　　第六步，計(jì)算濾波誤差方差矩陣: </p><p>　　2 GPS動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) <

12、;/p><p><b>　　2.1系統(tǒng)組成 </b></p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)功能，GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由GPS測(cè)量系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)和GPS控制中心分析和管理系統(tǒng)三部分組成，系統(tǒng)包括各種硬件、管理控制軟件、通信傳輸、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理等部分。其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。 </p><p><b>　　圖2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) &

13、lt;/b></p><p>　　2.2系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì) </p><p>　　在軟件方面，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)監(jiān)控模塊、位移監(jiān)控模塊及通訊設(shè)計(jì)三個(gè)模塊。 </p><p><b>　　1)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)模塊 </b></p><p>　?、倩鶞?zhǔn)站控制模塊，包括基準(zhǔn)站工作方式的控制。 </p><p&

14、gt;　?、诒O(jiān)測(cè)站控制模塊，包括監(jiān)測(cè)站參數(shù)的輸入和實(shí)時(shí)修改參數(shù)的功能。 </p><p>　?、蹟?shù)據(jù)接收管理模塊，包括監(jiān)測(cè)站實(shí)時(shí)差分RTK數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)接收和管理。 </p><p>　　④文件管理模塊，包括監(jiān)測(cè)站RTK結(jié)果數(shù)據(jù)文件和原始觀測(cè)文件。 </p><p>　?、菹到y(tǒng)安全性監(jiān)測(cè)模塊，包括系統(tǒng)通信狀態(tài)、監(jiān)測(cè)站工作狀態(tài)和位移狀態(tài)三個(gè)模塊。 </p>

15、<p><b>　　2)位移監(jiān)控模塊 </b></p><p>　?、賵D形顯示模塊，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)各分量的計(jì)算和實(shí)時(shí)顯示。 </p><p>　?、贕PS后護(hù)理模塊，包括靜態(tài)及動(dòng)態(tài)后處理軟件等。 </p><p>　　③報(bào)警模塊，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移超限、通信線路故障等報(bào)警。 </p><p><b>　　

16、3)通訊設(shè)計(jì)模塊 </b></p><p>　　整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)通過光纜連接到監(jiān)控中心，由于節(jié)點(diǎn)間相互獨(dú)立，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有較高的可靠性和可操作性;網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議采用NetBEUI協(xié)議，它支持TCP/IP協(xié)議;監(jiān)控中心服務(wù)器采用WindowsNT網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，并負(fù)責(zé)內(nèi)部的IP地址過濾、訪問控制、資源共享和網(wǎng)絡(luò)管理。 </p><p>　　2.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用 &

17、lt;/p><p>　　數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交換的主要承載體，是系統(tǒng)的核心，它在整個(gè)系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)管理的任務(wù)。數(shù)據(jù)庫管理即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入、查詢、刪除和打印等操作。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)必須具備數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)刪除等功能(如圖3所示)。表1是系統(tǒng)中典型的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)。 </p><p><b>　　圖3數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu) </b></p><p>　

18、　表1監(jiān)測(cè)點(diǎn)形變量表 </p><p><b>　　2.4案例分析 </b></p><p>　　某大橋受季風(fēng)影響，常年平均風(fēng)速很大，加上周日及季節(jié)溫差大，各種惡劣的因素將對(duì)施工期大橋建設(shè)帶來十分不利的影響，尤其對(duì)大橋的超高索塔、超長鋼箱梁懸臂和斜拉索的影響將更加明顯。為此，研究和開發(fā)大橋索塔GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)索塔施工過程的控制和重要環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)，分析不

19、同條件下索塔的變形規(guī)律，評(píng)價(jià)索塔安全，正確指導(dǎo)施工。 </p><p>　　為使系統(tǒng)滿足索塔動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需要，正確反映索塔的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須達(dá)到一定的監(jiān)測(cè)精度與采樣頻率。對(duì)于監(jiān)測(cè)精度，從技術(shù)角度上分析，索塔的變形是以厘米級(jí)為單位的，要求所采用的監(jiān)測(cè)技術(shù)和儀器能夠滿足厘米級(jí)的精度。GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于索塔監(jiān)測(cè)，不僅可以滿足監(jiān)測(cè)精度，更重要的是它具有自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)，在自然條件極為復(fù)雜的橋梁索塔監(jiān)測(cè)

20、中將發(fā)揮重要作用。 </p><p>　　結(jié)合GPS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用回歸分析和卡爾曼濾波的方法進(jìn)行變形量的分析和預(yù)測(cè)?；貧w結(jié)果的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.99，而在卡爾曼濾波中根據(jù)先驗(yàn)信息，取 </p><p><b>　　，Q=0.2 </b></p><p>　　兩種方法的估計(jì)值和殘差值見表2，殘差平方和分別為0.207和0.418，并且

21、最大估計(jì)偏差分別為0.22mm和0.35mm，可見兩種方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變性分析和預(yù)測(cè)都是可行的。 </p><p>　　表2不同方法的比較(單位:mm) </p><p>　　變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的變形觀測(cè)值，里面可能包含系統(tǒng)誤差，也可能是由于基準(zhǔn)點(diǎn)的位移引起的，如何顧及變形值的關(guān)聯(lián)信息，同時(shí)對(duì)變形值進(jìn)行分析，本文給出了整體方差法以及顯著性檢驗(yàn)的方法，確保變形值的準(zhǔn)確性和有效性，采用回歸分析法

22、和卡爾曼濾波的方法進(jìn)行變形預(yù)測(cè)。實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明該方法是可行和有效的。 </p><p><b>　　3結(jié)束語 </b></p><p>　　為了更好的發(fā)揮GPS變形監(jiān)測(cè)的效果，工程人員應(yīng)利用不同條件下更多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試來發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)一步完善GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)的需要；同時(shí)隨著時(shí)間的推移，GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)積累會(huì)愈加豐富，如何對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理

23、和分析，并且從中獲取有用的信息也成為了工程人員需要解決的難題。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 王中元;周天強(qiáng);張鵬飛.高層建筑物GPS動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理[J].測(cè)繪科學(xué).2012年第01期 </p><p>　　[2] 申小平;?豪榮;唐錢龍.GPS定位技術(shù)在建筑物變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].土工基