利用衛(wèi)星定位技術(shù)監(jiān)測高層建筑物方法研究

田時雨 王潤峰 莫雁寒

摘 要：本文利用河北省CORS對石家莊某高層建筑物進行監(jiān)測，研究衛(wèi)星定位技術(shù)監(jiān)測高層建筑物的方法，采用研發(fā)軟件與已有TIM軟件分別對監(jiān)測點進行一段時間的自動化數(shù)據(jù)處理，結(jié)合傳統(tǒng)全站儀監(jiān)測成果，綜合進行對比分析。

關(guān)鍵詞：高層建筑；北斗衛(wèi)星定位；形變監(jiān)測

伴隨著城市化進程的加快，城市人口的劇增，高層建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，高層建筑因各種主觀和客觀原因如結(jié)構(gòu)、地基、風載、城市地鐵建設(shè)等導致其不可避免地發(fā)生形變。這種形變在規(guī)定范圍內(nèi)是允許的，一旦這些形變超過了設(shè)計規(guī)定的允許限度，就會影響高層建筑物的正常使用，給建筑物的生產(chǎn)和運營帶來安全隱患。嚴重時還會危及建筑物的安全，造成諸如傾斜、 垮塌等重大工程安全事故，其結(jié)果直接對人民生命財產(chǎn)造成威脅，給國家財產(chǎn)帶來巨大損失。高層建筑物變形監(jiān)測，能夠?qū)ㄖ冃胃鱾€方向形成全面客觀的反映，在風險發(fā)生之前進行預警預報，切實保障人民的生命財產(chǎn)安全。

衛(wèi)星定位技術(shù)的高速發(fā)展為建筑物監(jiān)測提供了更加高效和高精度的方式。但具體如何實施尚無文獻報道。河北省地理信息局2016年科研課題“利用衛(wèi)星定位技術(shù)監(jiān)測高層建筑物方法研究”就是在已有理論基礎(chǔ)上開展的技術(shù)方案的研究。課題在石家莊市實地選取某典型高層建筑物為實驗對象，采用河北省北斗導航定位網(wǎng)建設(shè)衛(wèi)星定位監(jiān)測站系統(tǒng)，對建筑物觀測點進行實時監(jiān)測，并開發(fā)相應軟件，通過與利用傳統(tǒng)變形監(jiān)測手段進行監(jiān)測對比，從而得到高層建筑物不同監(jiān)測方法的成果和對比分析研究成果。

1 技術(shù)條件

河北省衛(wèi)星定位綜合服務系統(tǒng)截至目前共建設(shè)覆蓋全省的連續(xù)運行基準站網(wǎng)，均已配備北斗多模接收機，平均間距40-50公里，建設(shè)了完善的數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理中心、系統(tǒng)管理及綜合應用服務平臺。系統(tǒng)已廣泛服務于測繪、國土、氣象、規(guī)劃、水利水電、災害監(jiān)測等多個行業(yè)，為實現(xiàn)高層建筑物監(jiān)測提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

課題的主要作業(yè)技術(shù)依據(jù)有：工程測量規(guī)范》（GB50026-2007）；《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ8-2007）；《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）；《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（GB/T 18314-2009）；其它相關(guān)標準。 參考基準為：2000國家大地坐標系（ITRF97，2000.0）；1985國家高程基準。主要技術(shù)指標：監(jiān)測點解算平面精度優(yōu)于±3cm，大地高高程精度±5cm。

2 總體思路

參考相關(guān)規(guī)范利用傳統(tǒng)監(jiān)測手段（高精度全站儀觀測）采集監(jiān)測點平面位移和高程位移量，記錄監(jiān)測時間段內(nèi)形變變化量。

本課題選取石家莊某高層建筑物作為監(jiān)測點，建設(shè)永久監(jiān)測站。

監(jiān)測站與附近3個河北CORS基準站同步進行GNSS觀測，利用RTKOffice軟件和TIM軟件對監(jiān)測點進行自動化數(shù)據(jù)處理，分別得到一段時間的坐標時間序列以及兩種軟件解算的坐標變化時間序列，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定分析該高層建筑物的安全程度?？傮w流程如圖1所示。

3 全站儀監(jiān)測

用全站儀監(jiān)測位移屬于傳統(tǒng)監(jiān)測方法，技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已相當成熟和完善，其優(yōu)點是測量速度快且精度較高，因此，根據(jù)監(jiān)測點周圍的實際情況選取滿足測量通視條件的觀測站和觀測后視點，以此兩點連線作為監(jiān)測基線，對項目監(jiān)測點進行不同時段的位移監(jiān)測，并與GNSS監(jiān)測位移變化互為補充。

具體方法：采用測角精度為1″的全站儀對高層建筑物進行位移監(jiān)測，在滿足測量通視條件下，選取觀測站和觀測后視點兩個基準點，根據(jù)布設(shè)的監(jiān)測點具體情況，分為兩種測量方法，一種直接測量監(jiān)測點坐標。另外一種為，當不滿足通視條件即樓底全站儀不足以觀測至樓頂監(jiān)測站時，在建筑物周圍選擇若干個工作基點，布設(shè)一條通過基準點、工作基點的閉合導線。根據(jù)監(jiān)測目的以及現(xiàn)場條件，在該樓四周穩(wěn)定的地方布設(shè)一條閉合導線，監(jiān)測點是布設(shè)在樓頂?shù)幕炷亮褐?，并采用強制對中墩，直接與建筑物相連。在合適高度的樓層選擇大樓四角作為監(jiān)測點，采用專門設(shè)計的標志薄膜，用特定的強力膠使之與墻體緊密粘合。點位布設(shè)如圖2所示。

圖中，A0，A1為布設(shè)在遠離建筑物一側(cè)的基準點，構(gòu)成基準邊；工作基點A1，A2，……，An布設(shè)在建筑物周圍便于觀測的位置。

以基準點為已知點，假定其中一點為坐標原點，另一點為定向軸，建立獨立平面直角坐標系，由導線計算公式及平差求出各工作基點在獨立坐標系中的坐標。再由工作基點設(shè)站進行建筑物的水平位移觀測，求出各監(jiān)測點的坐標。為保證測量成果可靠，必須進行必要的檢核。通過周期觀測，即可求出建筑物的水平位移的傾斜度、傾斜方向以及傾斜速度。

4 衛(wèi)星定位監(jiān)測

4.1 監(jiān)測點建設(shè)

監(jiān)測點建設(shè)包括監(jiān)控室和觀測墩等部分組成：

1）觀測墩：用于支撐GPS觀測天線。點位選取在符合選點基本要求的基礎(chǔ)上，應選在建筑物的主承重支柱上。在選取的點位上通過連續(xù)采集24小時靜態(tài)數(shù)據(jù)，查看及分析衛(wèi)星信號情況、是否存在干擾源等，進一步確定觀測墩點位。

2）室外觀測墩防雷：室外天線防雷的接地地網(wǎng)原則上使用觀測墩所在的大樓的防雷地網(wǎng)。

3）監(jiān)控室：用于安置基準站設(shè)備。要求距離觀測墩距離不超過天線電纜的許可長度（60米）。

4.2 GNSS觀測

4.2.1觀測準備

1）安置GNSS接收機時，天線的定向標志應指向正北，定向誤差不宜超過。對于定向標志不明顯的接收機天線，可預先設(shè)置定向標志。

2）天線高應量測至毫米，測前測后應各量測一次，兩次較差不應大于3㎜，并取平均值作為最終成果；較差超限時應查明原因，并記錄至GNSS外業(yè)觀測手簿備注欄內(nèi)。

4.2.2 GNSS的外業(yè)觀測應符合下列要求

1）接收機工作狀態(tài)正常后，應進行自測試，并輸入測站名、日期、時段號和天線高等信息。

2）接收機開始記錄數(shù)據(jù)后，應查看測站信息、衛(wèi)星狀況、實時定位結(jié)果、存儲介質(zhì)記錄和電源工作情況等，異常情況應記錄至GNSS外業(yè)觀測手簿備注欄內(nèi)。

3）GNSS快速靜態(tài)定位測量的統(tǒng)一觀測單元期間，基準站觀測應連續(xù)，基準站和流動站采樣間隔應相同。

4）作業(yè)期間不允許下列操作：關(guān)機又重新啟動、自測試、改變儀器高度值與測站名、改變GNSS天線位置、關(guān)閉文件或刪除文件等。

5）在作業(yè)期間不得擅自拆卸儀器，應防止儀器被移動，防止人和其他物體靠近天線，遮擋衛(wèi)星信號。

6）每日觀測完成后，應將全部數(shù)據(jù)雙備份，及時對數(shù)據(jù)進行處理，剔除不合格數(shù)據(jù)。

4.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理中心設(shè)在該樓頂層的一個房間內(nèi)，配備網(wǎng)絡通訊設(shè)備和GNSS高精度數(shù)據(jù)處理軟件等，確保樓頂監(jiān)測點數(shù)據(jù)能實時傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，進行監(jiān)測點坐標解算。對監(jiān)測點進行坐標解算，顯示實時系統(tǒng)誤差分析，結(jié)果輸出頻率（監(jiān)測頻率），最高可設(shè)置為單歷元，即與GNSS接收機的采樣率相一致。

根據(jù)實際情況對RTKOffice軟件和TIM軟件進行相關(guān)配置，使用這兩個軟件分別對監(jiān)測點進行自動化數(shù)據(jù)處理，得到一個月的坐標時間序列以及二者坐標相對變化時間序列，繪制坐標及變化時間序列圖，并且結(jié)合全站儀各期的觀測成果，分析解算結(jié)果的可靠性、準確性以及精度。然后根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》分析該高層建筑物的安全程度。

5 結(jié)語

北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國國土安全和經(jīng)濟安全的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，也是實現(xiàn)長期持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。實現(xiàn)北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)實時監(jiān)測高層建筑物形變，對維護國民建設(shè)的公共安全，提高我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的綜合應用，以及促進高精度數(shù)據(jù)處理軟件的國產(chǎn)化研究水平有著重要的意義。

本課題立足高層建筑監(jiān)測的現(xiàn)狀，旨于更好地發(fā)展我國的衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)，探索北斗導航位置服務新的經(jīng)濟增長點，在產(chǎn)業(yè)應用多個方向都具有十分廣闊的發(fā)展前景。

基金項目：

河北省地理信息局2016年科研課題