GPS在變形監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張家明吳新宇彭述剛

（1.肇慶高新區(qū)四會產(chǎn)業(yè)園管理局，廣東 四會 526299；2.廣州繪宇智能勘測科技有限公司，廣東 廣州 510000）

GPS在變形監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張家明1吳新宇2彭述剛2

（1.肇慶高新區(qū)四會產(chǎn)業(yè)園管理局，廣東 四會 526299；2.廣州繪宇智能勘測科技有限公司，廣東 廣州 510000）

GPS技術(shù)以速度快、全天候、高精度、自動化等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用到高層建筑、地質(zhì)災(zāi)害、礦山礦井等變形監(jiān)測中，由于垂直位移監(jiān)測精度低、噪聲干擾等問題，促使了與其他技術(shù)相互集成。文章闡述了基于GPS周期性與連續(xù)性2種變形監(jiān)測模式及其數(shù)據(jù)處理方式，探討了單一GPS變形監(jiān)測技術(shù)存在的5方面主要問題，分析了目前基于3S集成技術(shù)、在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)、結(jié)合小波分析等主流GPS變形監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀，提出了基于3S技術(shù)、Web動態(tài)監(jiān)測、四維可視化監(jiān)測、移動終端監(jiān)測的GPS變形監(jiān)測未來發(fā)展趨勢。

GPS技術(shù)；變形監(jiān)測；發(fā)展趨勢；移動終端

現(xiàn)實(shí)世界中有許多的災(zāi)害發(fā)生都與其本身變形有著極大的關(guān)系，比如橋梁垮塌、滑坡、潰壩等，這些災(zāi)害不經(jīng)意地發(fā)生，往往會造成嚴(yán)重的后果，因此變形監(jiān)測對于災(zāi)害的預(yù)防有著重要的作用[1-2]。隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步及變形監(jiān)測結(jié)果精度的提高，傳統(tǒng)的變形監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)不能夠完全滿足時(shí)代需求。GPS作為一種全新的現(xiàn)代空間定位技術(shù)，具有速度快、全天候、高精度、自動化等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛的運(yùn)用到了變形監(jiān)測中。目前基于 GPS技術(shù)變形監(jiān)測正向多學(xué)科交叉的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，監(jiān)測對象涉及到地殼變形、地質(zhì)災(zāi)害、高層建筑、水庫大壩、礦山礦井、隧道工程、結(jié)構(gòu)工程等[3-5]。同時(shí)，隨著測繪、遙感、GPS、GIS等技術(shù)的快速發(fā)展，基于GPS技術(shù)變形監(jiān)測也逐步的融入了 RS、GIS等技術(shù)，大幅度提高了變形監(jiān)測的便利性和準(zhǔn)確性，變形監(jiān)測技術(shù)方法也取得了日新月異的迅速發(fā)展[6-8]。本文闡述了GPS變形監(jiān)測模式、數(shù)據(jù)處理方法及其存在問題，概述了目前主流的 GPS變形監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀，提出了基于3S技術(shù)、Web動態(tài)監(jiān)測、四維可視化監(jiān)測、移動終端監(jiān)測的 GPS變形監(jiān)測未來發(fā)展趨勢，為提高變形監(jiān)測精度，實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測奠定了重要基礎(chǔ)。

1 GPS變形監(jiān)測概述

1.1 GPS變形監(jiān)測模式

1.1.1 周期性監(jiān)測模式

當(dāng)變形體的變形速率緩慢時(shí)，或者在局部空間范圍和時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生微小變化，則可以采用 GPS進(jìn)行變形監(jiān)測，監(jiān)測周期頻率可以是幾個(gè)月、1年甚至是多年，比如滑坡體變形監(jiān)測、地震活躍區(qū)變形監(jiān)測、大壩變形監(jiān)測等。通過計(jì)算同一個(gè)測量監(jiān)測點(diǎn)兩個(gè)觀測周期之間的相對位置變化大小來測定情況。采用GPS靜態(tài)相對定位方法測量，將2臺以上的GPS接收機(jī)安置在觀測點(diǎn)上，同步觀測一段時(shí)間。用后處理軟件進(jìn)行基線解算，經(jīng)過平差計(jì)算求得觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X0，Y0，Z0），并將其作為變形監(jiān)測的參考標(biāo)準(zhǔn)。然后采用類似的方法進(jìn)行不定期的復(fù)測，求得第i次結(jié)果的坐標(biāo)為（Xi，Yi，Zi），則根據(jù)坐標(biāo)差（XΔ，YΔ，ZΔ）確定監(jiān)測點(diǎn)變形量。

1.1.2 連續(xù)性監(jiān)測模式

連續(xù)性變形監(jiān)測是指采用固定儀器設(shè)備對變形體進(jìn)行長時(shí)間的監(jiān)測，獲取連續(xù)性數(shù)據(jù)，具有較高的時(shí)間分辨率。比如大橋在負(fù)載作用下的快速變形則采用連續(xù)性監(jiān)測，采用密度高，例如每秒鐘采樣一次，而且要計(jì)算每個(gè)歷元的位置；大壩在超洪水位時(shí)，必須時(shí)刻監(jiān)視其變化情況，并實(shí)時(shí)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析；高層建筑物的振動測量等。根據(jù)變形體的不同特征，GPS連續(xù)性監(jiān)測可采用靜態(tài)相對定位和動態(tài)相對定位兩種數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行觀測。監(jiān)測的精度根據(jù)監(jiān)測對象具體情況設(shè)定，目前最高的監(jiān)測精度可達(dá)到亞毫米級。

1.2 GPS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

GPS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的工作主要是指監(jiān)測網(wǎng)的的解算和平差計(jì)算。其中 GPS基準(zhǔn)網(wǎng)的基線計(jì)算采用瑞士 BERNESE大學(xué)研制的BERNESE軟件和麻省理工學(xué)院研制的GAMIT GLOBK軟件，使用IGS精密星歷。平差軟件則主要采用PowerADJ科研辦軟件、原武漢測繪科技大學(xué)研制的GPSADJ系列平差處理軟件和同濟(jì)大學(xué)的 TGPPS靜態(tài)定位后處理軟件。這些軟件對GPS數(shù)據(jù)處理分為2個(gè)方面，第一是GPS原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得同步觀測網(wǎng)的基線解，第二是對各同步網(wǎng)解進(jìn)行整體平差與分析，獲得 GPS網(wǎng)的整體解。針對監(jiān)測站點(diǎn)的解算可選用“直接提取變形GPS高精度解算軟件”。

1.3 GPS變形監(jiān)測問題

GPS變形監(jiān)測主要存在如下幾個(gè)方面的問題：

（1）對于高山峽谷、茂密叢林、密集建筑物群，由于衛(wèi)星信號被遮擋無法接收到有效信息，其監(jiān)測的精度和可靠性不能完全得到保證。

（2）采用GPS點(diǎn)進(jìn)行變形監(jiān)測，只能獲取到變形體的離散點(diǎn)的數(shù)據(jù)，無法獲取變形體表面所有數(shù)據(jù)。

（3）目前GPS監(jiān)測水平位移的精度較高，但是在垂直位移方向監(jiān)測的精度卻比較低，因此比較難監(jiān)測同時(shí)在水平位移和垂直位移都要求精度高的變形體。

（4）對于變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理采用的整周模糊度動態(tài)解算方法（OTF法），該方法只能達(dá)到厘米級精度，遠(yuǎn)不能滿足高精度變形監(jiān)測要求。

（5）對于動態(tài)變形監(jiān)測，由于監(jiān)測點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)的變形微小，表現(xiàn)為一種弱信號，而誤差卻成為強(qiáng)噪聲，如何從受強(qiáng)噪聲干擾的序列觀測數(shù)據(jù)中提取微弱的特征信息，以提高變形監(jiān)測的精度，是 GPS動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。

由于 GPS存在不足之處，所以需要根據(jù)監(jiān)測對象的實(shí)際情況，結(jié)合GIS、RS等其他方面的技術(shù)，提高監(jiān)測的精度。

2 GPS變形監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)、無線電傳輸、GPS及地理信息系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，對于高層建筑、滑坡和地區(qū)性地殼變形監(jiān)測，研究建立實(shí)時(shí)在線動態(tài)變形監(jiān)測分析系統(tǒng)是一個(gè)非常重要的發(fā)展趨勢。這種系統(tǒng)由數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)無線或有線傳輸和數(shù)據(jù)分析處理等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，通過 GPS實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測，利用無線電傳輸技術(shù)，及時(shí)傳輸?shù)浇K端，利用地理信息系統(tǒng)開發(fā)數(shù)據(jù)處理與分析軟件，實(shí)時(shí)動態(tài)分析變形結(jié)果，從而分析變形的現(xiàn)狀、規(guī)律及其發(fā)展趨勢，為實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。有部分學(xué)者采用的是Visual Basic6.0可視化開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)GPS與GIS的無縫集成，建立遠(yuǎn)程變形監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)[7]；利用GPS對降雨型滑坡監(jiān)測，通過多元線性回歸分析降雨量、時(shí)間滑坡位移的關(guān)系，從而構(gòu)建了滑坡變形監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)[4]。但目前基于實(shí)時(shí)動態(tài)分析系統(tǒng)成本比較昂貴，因此研究低成本的 GPS實(shí)時(shí)在線動態(tài)監(jiān)測分析系統(tǒng)也是重要的研究方向。

2.2 建立3S集成變形監(jiān)測系統(tǒng)

因?yàn)?GPS變形監(jiān)測存在高密物體覆蓋區(qū)信號差、垂直位移監(jiān)測精度低、噪聲干擾等問題，所以為了克服 GPS的變形監(jiān)測的局限性，根據(jù)變形監(jiān)測體的具體對象，可以將 GPS技術(shù)與RS、GIS技術(shù)相結(jié)合，建立3S集成綜合變形監(jiān)測系統(tǒng)。例如將GPS技術(shù)與INSAR技術(shù)集成構(gòu)建變形監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)四維形變（x，y，z，t)的整體動態(tài)精確測定，目前已經(jīng)運(yùn)用于公路采空區(qū)的變形監(jiān)測當(dāng)中[6]。將GPS與GLONASS組合定位，解算組合定位的雙差模糊度，引入相對定位精度因子，提高定位精度的可靠性[9]。

2.3 結(jié)合小波分析GPS變形監(jiān)測

GPS在應(yīng)用于大型建筑、水利設(shè)施形變監(jiān)測時(shí)，受到外界各種噪音的影響，給測量結(jié)果帶來一定的誤差，使得變形監(jiān)測結(jié)果存在一種多波段的混合波，嚴(yán)重影響了監(jiān)測結(jié)果的精度。為了克服經(jīng)典 Fourier分析不能描述信號時(shí)頻特征的缺陷，可利用小波變換在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率、在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率的特點(diǎn)，將其運(yùn)用到 GPS動態(tài)變形分析，實(shí)現(xiàn)GPS動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的濾波、變形特征信息的提取以及不同變形頻率的分離。通過研究發(fā)現(xiàn)了小波分析能有效處理監(jiān)測數(shù)據(jù)中的粗差識別和噪聲處理，對于大壩后期變形特征提取效果較好，處理后的數(shù)據(jù)具有規(guī)律、直觀，能夠直接反映變形體變形趨勢[10-11]。

3 GPS變形監(jiān)測發(fā)展趨勢

隨著 GPS技術(shù)與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)的快速發(fā)展，變形監(jiān)測精度要求越來越高，目前采用的變形監(jiān)測技術(shù)已不能完全滿足現(xiàn)在及其未來的發(fā)展需求。基于3S技術(shù)、Web動態(tài)監(jiān)測、三維可視化監(jiān)測、移動終端監(jiān)測是未來 GPS變形監(jiān)測的主流發(fā)展方向。

3.1 基于3S技術(shù)變形監(jiān)測

基于3S技術(shù)變形監(jiān)測必然是現(xiàn)在及其未來發(fā)展的重要潮流。一方面，因?yàn)槟壳?S集成技術(shù)的變形監(jiān)測產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛運(yùn)用，包括地殼運(yùn)動監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、高層建筑監(jiān)測、水庫工程等，廣泛的運(yùn)用且已經(jīng)被大眾所接受，所以是未來發(fā)展的趨勢；另一方面，基于 GPS變形監(jiān)測技術(shù)方面，針對數(shù)據(jù)測采集、傳輸、存儲、分析、預(yù)報(bào)、精度等問題，通過3S技術(shù)集成得到了有效地解決，建立綜合變形監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同監(jiān)測技術(shù)之間的優(yōu)勢互補(bǔ)。

3.2 基于web動態(tài)監(jiān)測

目前是一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，將 GPS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，同時(shí)發(fā)布變形監(jiān)測曲線圖、變形速率及預(yù)測分析，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測預(yù)報(bào)無人管理，只需要有互聯(lián)網(wǎng)的地方就能使人們直觀了解到變形體的具體變形過程。

3.3 四維監(jiān)測信息可視化表達(dá)

目前三維可視化技術(shù)得到了飛快的發(fā)展，通過地表、地下、地面信息的采集，采用三維制圖軟件能快速的構(gòu)建三維模型，可以直觀的查看監(jiān)測對象的立體形象。另外，通過大量前期監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，結(jié)合針對性的預(yù)測模型，分析預(yù)測在時(shí)間軸上可視化三維預(yù)測結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)在X、Y、Z、T四維監(jiān)測的可視化表達(dá)。同時(shí)建立預(yù)警預(yù)報(bào)模型和危害范圍四維可視化分析。達(dá)到不僅在視覺上，而且在時(shí)間曲線上更為直觀的表現(xiàn)動態(tài)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測。

3.4 移動端實(shí)時(shí)監(jiān)測

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，智能手機(jī)、ipad、平板等數(shù)碼設(shè)備的功能也越來越強(qiáng)，開發(fā)實(shí)時(shí)在線預(yù)警預(yù)報(bào)App，利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，通過APP軟件軟件預(yù)報(bào)分析，實(shí)現(xiàn)大眾掌握形變體變形結(jié)果，向全社會提供安全監(jiān)測的信息服務(wù)，從而更為有效地縮短了反饋給受害人群的時(shí)間，為城市應(yīng)急防災(zāi)提供了重要技術(shù)支撐，達(dá)到了真正意義上的快速防災(zāi)減災(zāi)動態(tài)監(jiān)測。

4 結(jié)語

GPS技術(shù)以具有速度快、全天候、高精度、自動化等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛的運(yùn)用到了地質(zhì)災(zāi)害、地殼運(yùn)動、高層建筑、水庫工程等變形監(jiān)測中，同時(shí)由于自身的高密物體覆蓋區(qū)信號差、垂直位移監(jiān)測精度低、噪聲干擾等問題的局限性，促使了GPS與RS、GIS、小波分析等技術(shù)相互結(jié)合、優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動態(tài)高精度變形監(jiān)測。隨著3S技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、四維可視化技術(shù)和移動終端技術(shù)的發(fā)展，GPS技術(shù)與其有效集成，能夠?qū)崿F(xiàn)直觀、快速的四維防災(zāi)減災(zāi)預(yù)警預(yù)報(bào)，為城市應(yīng)急防災(zāi)提供重要的技術(shù)支撐。

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Present Situation of GPS technology in deformation monitoring and development trend

Global Positioning System(GPS ) technology has been widely applied to deformation monitoring of high-rise buildings, geological disasters and mines with advantages of fast, all-weather, high precision and automation. Problem of low vertical displacement monitoring accuracy and noise has been promoted mutual integration with other technologies.This paper describes two kinds of deformation monitoring model and its data processing based on GPS cyclical and continuity,discusses the main issues in five areas GPS deformation monitoring technology exists, analyzes the deformation monitoring technology based on the current status of 3S integration technology, online real-time analysis system, combining wavelet analysis, proposes development trend of GPS deformation monitoring based on 3S technology, Web dynamic monitoring, 4D visualization monitoring and mobile terminal monitoring.

GPS technology; deformation monitoring; development trend; mobile terminal

TN96

A

1008-1151(2015)02-0035-03

2015-01-10

張家明（1973－），男，廣東肇慶四會人，肇慶高新區(qū)四會產(chǎn)業(yè)園管理局工程師，從事規(guī)劃測量研究。

彭述剛（1989－），男，廣東廣州人，供職于廣州繪宇智能勘測科技有限公司，碩士研究生，從事遙感與測繪研究。