GPS 在建筑物變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的探討

程衛(wèi)東

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪分院，天津300201)

0 引言

變形監(jiān)測(cè)就是利用專用的儀器和方法對(duì)變形體的變形現(xiàn)象進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)、對(duì)變形體變形性態(tài)進(jìn)行分析和變形體變形的發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)等的各項(xiàng)工作。隨著城市的發(fā)展和人均用地的減少,高層建筑和其他地下工程越來(lái)越多。在這些工程的施工過(guò)程和建成都會(huì)對(duì)周圍建筑物的穩(wěn)定造成一定的影響，當(dāng)變形超過(guò)一定的限度，就會(huì)影響建筑物的正常使用，嚴(yán)重時(shí)可能危及建筑物與人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。因此人們經(jīng)常需要對(duì)一些建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

建筑物的變形觀測(cè)主要包括沉降觀測(cè)、傾斜觀測(cè)。傳統(tǒng)的變形觀測(cè)是針對(duì)不同性質(zhì)的變形量分別量測(cè)。而近年來(lái)迅速發(fā)展的GPS測(cè)量技術(shù)具有高精度的三維定位能力,為各種工程變形的監(jiān)測(cè)提供了有效的手段。但在精密變形監(jiān)測(cè)中還少有應(yīng)用,尚處于理論研究和實(shí)踐之中。

1 傳統(tǒng)測(cè)量方法及其影響因素

1.1 沉降觀測(cè)

沉降觀測(cè)屬于垂直位移的觀測(cè)。其方法是首先按現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)條件和對(duì)變形觀測(cè)的精度要求，合理布設(shè)變形控制網(wǎng)點(diǎn)。在建筑物附近比較穩(wěn)固的位置埋設(shè)工作基點(diǎn)，直接用以測(cè)定建筑物上的觀測(cè)點(diǎn)的位移，盡可能在變形影響范圍以外的穩(wěn)固位置埋設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)(也稱為檢查點(diǎn))，用以檢核工作基點(diǎn)本身的穩(wěn)固性。工作基點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)一般都組成一定的網(wǎng)形，用精密水準(zhǔn)測(cè)量的方法來(lái)施測(cè)和檢驗(yàn)。高程變化值的測(cè)定通常采用精密水準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)量。

1.2 傾斜觀測(cè)

觀測(cè)建筑物主體的傾斜變形，應(yīng)測(cè)定建筑物頂部觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)于底部觀測(cè)點(diǎn)的偏移值，再根據(jù)建筑物的高度，計(jì)算建筑物主體的傾斜度。如圖1所示，假設(shè)M、N兩點(diǎn)處于同一豎直線上，若建筑物發(fā)生傾斜，則N點(diǎn)相對(duì)于M點(diǎn)產(chǎn)生位移ΔB至N′點(diǎn)，則建筑物的傾斜度為，式中H為M點(diǎn)相對(duì)于N點(diǎn)的高程。

1.3 傳統(tǒng)方法所使用的光學(xué)測(cè)量?jī)x器受外界影響

1.3.1 溫度變化的影響

傳統(tǒng)的變形測(cè)量方法大都是用光學(xué)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行的(如沉降觀測(cè)使用的精密水準(zhǔn)儀),溫度變化對(duì)光學(xué)傳感有著極大的影響。

1.3.2 大氣垂直折光的影響

這種情況主要集中在沉降觀測(cè)中。由于大氣垂直折光的影響,會(huì)引起視線彎曲從而使讀數(shù)產(chǎn)生一定的誤差。

1.3.3 儀器和水準(zhǔn)標(biāo)尺垂直位移的影響

儀器及水準(zhǔn)標(biāo)尺的垂直沉降,是精密水準(zhǔn)測(cè)量(沉降測(cè)量)中系統(tǒng)誤差的重要來(lái)源之一。

1.3.4 其它因素影響

由于公共場(chǎng)所情況復(fù)雜,本應(yīng)固定的導(dǎo)線或者水準(zhǔn)路線，甚至監(jiān)測(cè)點(diǎn)常常遭到破壞。這將導(dǎo)致每次的觀測(cè)精度會(huì)有所變化,無(wú)法達(dá)到客觀真實(shí)地反映建筑物的水平位移或者豎向位移情況。其變形趨勢(shì)往往得不到真實(shí)的反映。

2 GPS的優(yōu)點(diǎn)與誤差來(lái)源

近年來(lái),GPS不論是在硬件方面還是在軟件方面都有長(zhǎng)足的發(fā)展。實(shí)踐證明,在降低成本、縮短工作時(shí)間，以及設(shè)計(jì)的靈活性等方面,GPS技術(shù)較常規(guī)技術(shù)有不少優(yōu)越之處。

(1)GPS具有很高的定位精度。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)表明,GPS衛(wèi)星定位計(jì)算的內(nèi)符合與外符合精度均能達(dá)到±(5mm+1ppm)。

(2)GPS自動(dòng)化程度高,觀測(cè)時(shí)間短。用GPS作靜態(tài)相對(duì)定位(邊長(zhǎng)小于15 km)時(shí),采集數(shù)據(jù)的時(shí)間可縮短到1h左右。

(3)GPS可以進(jìn)行全天候觀測(cè)。這一特點(diǎn),保證了變形監(jiān)測(cè)的連續(xù)性和自動(dòng)化。

(4)GPS測(cè)量的誤差來(lái)源于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號(hào)的傳播過(guò)程和地面接收設(shè)備。若根據(jù)誤差的性質(zhì),上述誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩類。偶然誤差主要包括信號(hào)的多路徑效應(yīng)及觀測(cè)誤差等;系統(tǒng)誤差主要包括衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差，以及大氣折射誤差等。系統(tǒng)誤差遠(yuǎn)大于偶然誤差,它是GPS測(cè)量的主要誤差源。

3 工程應(yīng)用

實(shí)例是采用GPS定位技術(shù)對(duì)某建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.1 GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)

如圖2所示,A,B,C,D為建筑物沉降影響區(qū)外的監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn);1～6號(hào)點(diǎn)為變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)置在建筑物頂部。

3.2 作業(yè)實(shí)驗(yàn)

采用4臺(tái)Trimble 5700型GPS接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè)。同時(shí)使用全站儀配合監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)架設(shè)棱鏡頭測(cè)量平面位移量,用Ⅱ等幾何水準(zhǔn)測(cè)量垂直位移量。GPS接收機(jī)天線采用強(qiáng)制對(duì)中設(shè)站,每一觀測(cè)站使用固定接收機(jī)觀測(cè)。用GPS接收機(jī)隨機(jī)所帶的平差軟件TGOffice進(jìn)行基線解算、網(wǎng)平差。以B,D 2點(diǎn)的坐標(biāo)為起算數(shù)據(jù)。

3.3 GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性分析

用基線解算軟件分別對(duì)三期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,得到基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)與首次值之差及其精度見(jiàn)表1所列。

表1 GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)匯總表(單位：mm)

從表1可以看出,C,B,A 3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的N,E方向坐標(biāo)中誤差均小于±0.8mm?；鶞?zhǔn)點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定,可作為監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)。

3.4 GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的平面位移及精度分析

在GPS測(cè)量的同時(shí)進(jìn)行了全站儀觀測(cè)，可以將GPS測(cè)量與傳統(tǒng)方法測(cè)量測(cè)出的平面位移量進(jìn)行比較。表2列出了GPS平面坐標(biāo)變形量與全站儀觀測(cè)平面坐標(biāo)變形量比較差值。

表2中數(shù)據(jù)為△=△GPS-△全站儀?！鱊最大值為1.7mm,最小值為0.4mm,平均值為1.12mm?！鱁最大值為1.5mm,最小值為0.5mm,平均值為1.04mm。若假設(shè)△全站儀無(wú)誤差,則GPS測(cè)得的平面坐標(biāo)變形量的中誤差為:

如果考慮全站儀測(cè)量誤差影響，實(shí)測(cè)計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均點(diǎn)位中誤差為±1.22mm，可以算得GPS測(cè)得的平面坐標(biāo)變形量中誤差為±1.02mm。

3.5 GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的垂直位移及精度分析

由于監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的同時(shí)也進(jìn)行了水準(zhǔn)測(cè)量,沉降觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在建筑物底部對(duì)應(yīng)于頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置，所以可以將GPS測(cè)得的大地高高差和正常高高差進(jìn)行比較。表3列出了GPS大地高變形量△GPS與水準(zhǔn)測(cè)量變形量△水準(zhǔn)的比較差值。

表2 GPS平面坐標(biāo)變形量與全站儀觀測(cè)平面坐標(biāo)變形量比較表(單位：mm)

表3 GPS大地高變形量與水準(zhǔn)測(cè)量變形量比較表(單位：mm)

表3中數(shù)據(jù)為△=△GPS-△水準(zhǔn)?！髯畲笾禐?.2mm,最小值為0.4mm,平均值為2.28mm。若假設(shè)△水準(zhǔn)無(wú)誤差,則GPS測(cè)得的高程變形量的中誤差為:

若顧及水準(zhǔn)測(cè)量誤差影響,由實(shí)際測(cè)量結(jié)果計(jì)算出來(lái)的水準(zhǔn)測(cè)量垂直位移量的中誤差為±0.71mm,可以算得大地高測(cè)量垂直變形量中誤差為±2.59mm,所以大地高的測(cè)量中誤差為:

mH即體現(xiàn)了GPS變形監(jiān)測(cè)大地高的符合精度。

4 結(jié)語(yǔ)

目前GPS測(cè)量雖然還未達(dá)到建筑物沉降觀測(cè)所用的二等水準(zhǔn)測(cè)量精度,但在平面的定位精度已經(jīng)超越傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器一個(gè)量級(jí),足可以替代傳統(tǒng)測(cè)量手段進(jìn)行水平位移的監(jiān)測(cè)。隨著GPS信息開(kāi)放程度、衛(wèi)星定位精度，以及軟、硬件技術(shù)的不斷提高,GPS在絕對(duì)定位精度上會(huì)有數(shù)量級(jí)的跳越,這必將推動(dòng)GPS技術(shù)在工程監(jiān)測(cè)方面的全面應(yīng)用。

[1]宋宜容，陳廣峰.GPS應(yīng)用于建筑物變形觀測(cè)的探討與展望[J].測(cè)繪通報(bào)，2008,(6):69-71.

[2]李基平.建筑物變形觀測(cè)方法及實(shí)施[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào),2007,(2),109-111.