全球定位系统（GPS）在变形监测中的应用

全球定位系统（GPS）在变形监测中的应用

郭书亮

重庆工贸职业技术学院

摘要：随着全球定位系统（GPS）技术的不断发展，尤其是差分定位模式，使得的定位精度有了质的跨跃。全球定位系统（GPS）以其连续、实时、定位精度高、全天候作业和自动化程度高等优点对整个测绘行业产生了革命般的影响。目前GPS技术已经被广泛的应用于大坝变形监测、滑坡变形监测、矿区变形监测、桥梁变形监测和高层建筑物变形监测等各个变形监测领域当中。本文将就GPS在变形监测中的应用进行介绍。

关键词：变形监测GPS应用

引言

GPS出现后解决了常规变形监测中出现的多种观测问题，且该技术可对大型建筑物位移进行监测，具有受外界影响小、自动化程度高、速度快、精度高等优点，可以全天候监测被测物体各测点的三维位移变动状况，找出被监测物体的三维位移特性规律，为大型建筑物的安全营运、维修养护提供重要的参数。目前，变形监测正向多门学科交叉联合的边缘学科方向发展，成为相关学科的研究人员合作研究的领域。随着GPS定位技术的不断发展，实现了变形监测的自动化和精确性，使得建筑工程和大型基础建设的安全性得到极大保障，其未来发展前景巨大。因此GPS技术被广泛应用于了变形监测工作中。

一、常规变形监测技术

在全球定位系统（GPS）技术出现之前，变形监测工作主要是依靠常规的变形监测技术进行监测。常规的变形监测技术是指使用水准仪、全站仪、经纬仪和测距仪等常规的测量设备对基准点监测点进行测量以获取其变形值数据。这种测量方法可以适用于不同精度的监测要求、不同的监测环境和各种变形体；并且能够提供绝对的变形信息。但是其缺点也相当地明显：室外作业工作量大，布设控制点受地形条件影响，难以实现自动化监测，测量数据传输、管理以及分析处理工作量大，需要耗费大量的人力物力财力。

二、摄影测量技术在变形监测中的应用

摄影测量技术也是近年来兴起的技术，分为地面摄影测量技术和航空摄影测量技术两种。摄影测量技术当中的近景摄影测量技术已经被广泛的应用到了变形监测工作中。与其它的测量手段不同，近景摄影测量是通过摄影测量的手段对监测目标进行持续的摄像，并根据像片所提供的信息来判断被监测目标是否发生了变形以及变形的状况。相较于其他的变形监测方法，近景摄影测量技术具有以下优点：1.可以在瞬间记录下监测目标的数据信息，得到瞬时相对点位信息。2.对于不同的作业目可以采用不同的作业方法，具有很大的灵活性。3.可以对动态目标进行测量。4.室外作业工作量被大大减小。5.信息资料可以长期的保存，有利于后期的检查、分析和对比。数字摄影测量技术，也在建筑物及滑坡等变形监测中得到了成功的应用，并且显示出良好的工程应用前景。空中摄影测量技术亦在较大范围的地面变形监测中得到了应用。由于摄影距离不能过远，还有大多数的测量部门不具备摄影测量所需要的仪器设备和技术，因此摄影测量技术在变形监测中的应用目前尚没有普及。

三、全球定位系统（GPS）在变形监测中的应用

全球定位系统（GlobalPositioningSystem，简称GPS）是美国从2O世纪70年代开始研制的用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统，由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。GPS技术作为一种全新的测量手段，其优点主要体现在不存在误差积累、精度高、速度快、全天候、无需通视和点位不受限制，并可同时提供平面和高程的三维位置信息。正是因为全球定位系统具有巨大优越性，因此在美国发展了GPS全球定位系统以后，许多国家和地区都在构建自己的全球卫星定位系统，如俄罗斯的GLONASS和欧洲的伽利略全球卫星定位系统都在建设中或已经建成。我国的北斗卫星定位系统也已在亚太地区投入实用，不仅能够进行室外定位而且具有了室内定位的技术水平，解决了世界性的难题。目前全球定位系统（GPS）在变形监测工作中的应用主要体现在以下三个方面：1.利用GPS技术解决了常规观测中出现的多种观测问题，观测结果能充分反映滑坡的全方位活动特性，是监测滑坡变形、掌握滑坡发育规律的切实可行技术；2.该技术具有测量速度快、自动化程度高、精度高、实时监测和受外部环境影响小的优点，并且可以对大型建筑物进行实时监测，全天候的测量目标物体各监测点的位移变化情况，能够为大型建筑物的安全营运、维修养护提供重要的参数；3.GPS精密定位技术不仅可以满足水库大坝变形监测工作的精度要求，而且有助于实现监测工作的自动化。

基于GPS技术的变形监测理论与方法，是当前被广泛采用的变形监测新方法、新技术。GPS定位技术相较于传统的测绘作业方法有着显著的特点和优越性。GPS以其全天候、高精度、高效率、实时动态等优点，成为现如今极为重要的监测手段之一。现在GPS技术已被广泛应用于地壳运动观测，区域地面沉降监测，矿区、坝区边坡稳定性监测，桥梁大坝及其他大型工程形变监测等诸多方面，取得了一系列成果，在实践中逐步发展、完善，积累了丰富的经验。

在工程测量方面，GPS静态相对定位技术可应用于布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。GPS实时动态定位技术（简称RTK）可应用于加密测图控制点，测绘各种比例尺地形图或用于工程建设中的施工放样。

四、GPS在变形监测中的优点

由于利用GPS定位技术进行变形监测具有下列优点，因而成为了变形监测中最常用的有效手段。

（1）测站间无需保持通视。由于GPS定位时测站间无需保持通视，从而可使变形监测的布设更为自由、方便，并可省去不少中间传递过度点，节省大量费用。

（2）能同时测定点的三维位移。采用传统方法进行变形监测时，平面位移通常是采用正锤线、倒锤线、边角导线、方向交会、距离交会和全站仪极坐标法等方法来测定的，而垂直位移则一般采用精密水准测量、液体静力水准测量、倾斜仪等手段来测定。水平位移和垂直位移的分别测定不仅增加了工作量，而且监测的时间和点位也不一定一致，从而增加了变形分析的难度。

（3）全天候观测。GPS测量不受气候条件的限制，在风雪雨雾中仍能进行正常观测。配备防雷电设施后变形监测系统就能实现全天候观测。这一点对于防汛抗洪、滑坡、泥石流等地质灾害监测等应用领域来讲显得特别重要。

（4）易于实现全系统的自动化。由于GPS接收机的数据采集工作是自动进行的，而且又为用户预留了必要的接口，故用户可以较为方便的把GPS变形监测系统建成无人值守的自动监测系统，实现从数据采集、传输、处理、分析、报警到入库的全自动化。有必要时，用户可以很方便的从控制中心的办公室来观看每台GPS接收机的板面信息，也可以在办公室中发布命令来更改数据采样率、时段长度和截至高度角等设置。这对于长期连续运行的监测系统是很重要的，可降低监测成本，提高监测资料的可靠性。

（5）可消除或削减系统误差的影响。在变形监测中我们关心的是在两期变形监测中所求的的变形监测点的坐标之间的差异，而不是变形监测点本身的坐标。两期变形监测中所含的共同系统误差虽然会分别影响两期的坐标值，但却不会影响所求的的变形量。也就是说在变形监测中，接收机天线的对中误差、整平误差、定向误差、量取天线高的误差等并不会影响变形监测的结果，只要天线在监测过程中能保持固定不动即可。同样GPS变形监测网中的起始坐标的误差，数据处理中所用的定位软件本身的不完善以及卫星信号在大气层的传播误差（电离层延迟、对流层延迟、多路径误差等）中的公共部分的影响也可得以消除或削弱。

结论：

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、高度自动化等特点显著优于传统的测量技术，是一种非常有效的变形监测方法。

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