GNSS应用于建筑物变形观测的探讨

GNSS应用于建筑物变形观测的探讨

杨飒   ,李爽 ,初云燕 ,闫海燕

山东协和学院  山东省济南市   250107

摘要：随着全球定位技术的不断发展,GNSS在工程建设领域的应用也越来越广泛.本文主要介绍传统变形观测方法及其影响因素、GNSS优点以及GNSS在建筑物变形观测中的应用。

关键词：传统变形观测影响因素；GNSS技术优点；建筑物变形观测；

1、引言

随着城市化进程加快、高楼大厦逐渐增多，建筑物变形观测工作渐渐受到重视。变形观测是指对建筑物及其地基由于荷重和地质条件变化等外界因素引起的各种变形(空间位移)的测定工作。其目的在于了解建筑物的稳定性，监视安全情况，研究变形规律，从而及时采取相关措施达到防范和及时纠正的目的。变形观测的特点主要在指定时间段内需要重复观测、观测的精度要求高、观测中大多数时候需要综合运用多种测量方法、变形观测观测数据处理要求更加严密等。

2、传统变形观测方法及其影响因素

建筑物的变形观测目的是保证建筑物在施工、使用和运行中的安全，同时为建筑物的设计、施工、管理及科学研究提供可靠的资料。因此在建筑物施工和运行期间，需要对建筑物的稳定性进行观测，即为建筑物变形观测。 建筑物变形观测可分为外部变形观测和内部变形观测两种。外部变形观测是指建筑体外部形状和空间位置的变化，比如建筑物倾斜、墙体裂缝、建筑物沉降和建筑物水平位移等，对应的变形观测内容分别为倾斜观测、裂缝观测，沉降观测以及位移观测等。内部变形则观测是指建筑物内部由于温度、应力等发生变化而产生的形变。

以常规测量仪器全站仪和水准仪为代表的传统变形监测方法精度高，适用性也比较强，但是却存在工作效率低的实际情况，对于现代建筑物构筑物的实时变形监测需求难以满足。其受外界影响很大，主要体现在以下几个方面：

（1）测量仪器和配套工具

所有测量工作都是利用特定的仪器和工具进行的，由于仪器及工具在设计、材料使用、制造过程及仪器本身构造上的缺陷，测量仪器和工具只能达到一定限度的精密度，进而限制观测结果的精确度。此外,仪器长期使用过程中也会受到震动、磨损，使观测结果产生误差。

（2）观测者

所有的变形观测都是由观测者完成的，每个人的感觉器官的感受能力和鉴别能力都有一定的局限性，观测者在变形观测过程中使用仪器和工具必然会产生误差。此外，变形观测中观测者的操作水平和工作态度等也会对变形观测结果的精确度产生影响。
     (3)外界环境条件
    外界环境条件是指野外观测过程中外界条件的综合表现，例如湿度、温度、风力等天气条件，周围不同的植被环境，地面土质松软的差异，地形的起伏以及周围建筑物已有状况、太阳辐射的强弱和照射角度大小等。风力大会使观测仪器架设不稳，地面松软有可能会使观测仪器或者有一定程度沉降，强烈的阳光照射会使水准管变形，太阳的高度角、地形和地面植被决定了地面大气温度梯度，观测视线穿过不同温度梯度的大气介质或靠近反光物体，都会使视线弯曲，产生折光现象。这些都会使观测结果产生误差。
    3、GNSS的优点

现如今，GNSS技术在我国国民生活以及国家建设中的应用范围越来越广，如在导航和位置定位这些方面，同时由于GNSS的独特特点，在比较精密的建筑物构筑物变形观测中，GNSS技术的使用也逐渐得到推广，它可以很明显的改善工作质量和工作效率。

GNSS称为卫星导航系统，其主要特点有：应用范围比较广泛，采用相对定位，测量的精度比较高。在建筑物变形监测中可以解决全面变形监测问题，比较全面的掌握观测对象整体情况，对变形规律、程度以及速率的情况掌握比较迅速。利用GNSS自身检核技术以及方案设计，可以实现变形观测结果的高精度呈现。作为用户端，GNSS使用简便，操作快捷，测站之间无需通视，这些都大大提高了工作效率并改善工作质量。

4、GNSS应用于建筑物变形观测

（1）作业模式

GNSS建筑物变形监测按照其作业模式主要分为三种，即周期性监测、连续性监测以及实时动态监测模式。周期性监测方式是按照事先设计好的变形观测周期去进行监测，可能是1个月、几个月或者一年、几年。连续性监测模式是利用固定的仪器设备进行长时间的连续的监测数据采集的监测方式，这种监测方式有利用得到被观测建筑物的不同时段的变形量，比较适合的是观测周期短的建筑对象。实时动态的监测模式主要特点是可以实时监测对象的变形量，对变形状态的显示也可以比较迅速，对危险源可以做出及时的处理，工作效率比较高，从而减少财产以及生命的损失。

（2）基准设计

对于基准设计来说，包含两种基准模式，内外部尺度基准以及位置基准。对于工程变形监测工作来说，传统的测量方法电子经纬仪，光学经纬仪，光学水准仪等都受环境、观测人以及仪器设备等多方面影响，对变形观测准确性造成影响，然而GNSS技术的受外界干扰小、精度高等特点确保了监测基准点的准确度，变形监测的工作质量和工作时效都得到提高。

（3）时段与周期的设计

建筑物变形观测是一个比较缓慢的过程，是一个与时间相关的函数，因此，要想取得低能耗、高效率的监测结果，需要科学的制定观测时段与周期。利用GNSS技术进行建筑物变形观测，合理的观测时段与周期制定对后期的数据处理也有十分重要的意义。观测时段与周期的设计依据主要包含：外界环境因素、变形监测的目的、观测精度需要达到什么要求以及观测对象的性质等，只有对这些需求进行细致研究，才可能设计出对观测时段与周期有利的设计方案。

     制定观测时段与周期设计之前，应该结合观测建筑物的自身特点、变形影响的因素类型以及建筑物的自身变形的性质等，并且应事先做模拟实验。这样在观测时段与周期方案设计中，再结合观测区域的具体情况、卫星分布的情况以及多路径效应等多方面因素，合理分析气象条件、观测时段的数量和长度的影响因素等，才可能求出可以满足精度要求和监测目的的最短观测时间和最优的观测时段，这样才可能设计出合理的观测方案，确保变形监测的精确度和精密性，实现建筑物变形观测目的。

5、总结

建筑物无论是在施工阶段还是运营管理阶段，由于地基及建筑体容易收到诸多因素的综合影响，则很可能导致建筑物发生某种形变，如果这种形变的量和速度在限定范围内是可以接受的，但是如果超过限定值，那么就会使建筑物的施工和运营存在安全隐患，本着对生命和财产负责的态度，建筑物变形监测是十分重要的。GNSS是一种新兴的高科技技术，同时还具有高的经济收益，因此各国都比较重视其发展与应用。其在建筑物变形观测中拥有很多传统技术无法实现的优点，因此，在建筑物变形观测中占有越来越重要的地位，其今后可以应用的场景也必然会越来越多，成为新的经济增长点。

参考文献：

[1] 孙景领,李永杰,王胜,丁新猛.不同型号GNSS接收机RTK测量精度分析[J].地理空间信息,2019,17(10)：93-95+12.

[2]韩军强,黄观武,黄观文,张勤,杜源.多种监测手段在滑坡变形中的组合应用[J].测绘科学,2019,44(11) :116-122.

[3]李征航,黄劲松. GPS测量与数据处理.第3版[M].武汉大学出版社, 2016.

经费来源：山东协和学院2022年实验室开放立项项目-建筑物变形测绘观测方法研究（2022SYKF12）

作者简介：杨飒，工程管理专业在读。