基于GPS 靜態(tài)測量技術(shù)的大型建筑物變形監(jiān)測與分析方法研究

寧榮華

（廣東聞達(dá)不動產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東惠州 516000）

1 GPS 靜態(tài)測量技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 GPS 系統(tǒng)概述

全球定位系統(tǒng)（GPS）是一個由美國國防部建立和運(yùn)營的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。這一復(fù)雜且高效的系統(tǒng)是通過一系列精密的運(yùn)行在地球軌道上的衛(wèi)星向地面發(fā)送信號，使接收設(shè)備能夠準(zhǔn)確地確定其地理位置。GPS 系統(tǒng)不僅能提供位置信息，還可以提供時間信息，因此，在地理信息系統(tǒng)、物流和運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)和科研等多個領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。值得注意的是，GPS 系統(tǒng)的精度受到許多因素的影響，如大氣條件、接收設(shè)備的質(zhì)量，以及建筑物或其他大型結(jié)構(gòu)可能對信號產(chǎn)生的阻擋等。通過持續(xù)的技術(shù)升級和改進(jìn)，GPS 系統(tǒng)的精度已經(jīng)得到了顯著的提高，足以滿足大多數(shù)民用和商業(yè)應(yīng)用的需求。除了美國的GPS 系統(tǒng)外，還有其他幾個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，如歐洲的伽利略系統(tǒng)、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)、中國的北斗系統(tǒng)等，都在全球范圍內(nèi)提供了類似的定位服務(wù)，但由于歷史的悠久和廣泛的應(yīng)用，GPS 仍然是最為人熟知和使用最廣泛的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)[1]。

1.2 GPS 靜態(tài)測量技術(shù)的原理

全球定位系統(tǒng)（GPS）靜態(tài)測量技術(shù)是一種精確的地理定位方法，主要用于地理、測繪和結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，如地殼運(yùn)動研究、大型建筑物的變形監(jiān)測等。該技術(shù)的關(guān)鍵在于利用GPS接收機(jī)固定在一個靜止的位置，持續(xù)（通常數(shù)小時至數(shù)天）接收來自多顆GPS 衛(wèi)星的信號，然后通過后續(xù)的精確計算，得出該接收點(diǎn)的精確地理位置。GPS 靜態(tài)測量技術(shù)的工作原理是基于物理定律——電磁波（如GPS 信號）在真空中的傳播速度是恒定的。通過比較接收器接收到的GPS 信號的傳輸時間和接收時間，可以計算出接收器與各衛(wèi)星之間的距離。通過大量的測量數(shù)據(jù)和精密的計算方法，可以消除或減少各種潛在的誤差來源，得出極其精確的位置信息。進(jìn)行GPS 靜態(tài)測量時，需要至少4 顆GPS 衛(wèi)星的信號以確定接收點(diǎn)的三維坐標(biāo)和鐘差，為了提高測量的準(zhǔn)確性和可靠性，通常會使用更多的衛(wèi)星信號。此外，多次測量和多個接收點(diǎn)的同時測量也能提高測量的準(zhǔn)確性，減小誤差。盡管GPS 靜態(tài)測量技術(shù)需要復(fù)雜的設(shè)備和計算方法，測量過程可能受到各種因素的影響，但因其能夠提供厘米級，甚至毫米級的定位精度，在許多要求極高精度的應(yīng)用中成為首選的測量方法。

1.3 GPS 靜態(tài)測量技術(shù)的優(yōu)勢和局限性

GPS 靜態(tài)測量技術(shù)具有全天候、全球覆蓋的特點(diǎn)。無論是在偏遠(yuǎn)的山區(qū)，還是在城市的高樓大廈之間，只要能接收到足夠數(shù)量的衛(wèi)星信號，就可以進(jìn)行測量，使GPS 靜態(tài)測量技術(shù)在很多地理環(huán)境惡劣、人工干擾大的地區(qū)都能發(fā)揮重要作用。雖然GPS 靜態(tài)測量技術(shù)初期設(shè)備投入和技術(shù)培訓(xùn)需要一定的成本，但一旦系統(tǒng)建立并運(yùn)行，后期的運(yùn)維和數(shù)據(jù)處理成本相對較低，相比于傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)方法，如基于地震波的測量等，GPS 測量具有更低的風(fēng)險和對環(huán)境的影響更小。GPS 靜態(tài)測量技術(shù)本身具有高精度的特點(diǎn)，但實(shí)際的測量精度受到很多因素的影響，例如，大氣條件、衛(wèi)星和接收器的相對位置、接收器的質(zhì)量、周圍環(huán)境的影響等，都可能造成測量誤差，特別是在城市環(huán)境和森林覆蓋區(qū)域，建筑物和樹木可能會阻擋衛(wèi)星信號，使接收條件不佳。在應(yīng)用該技術(shù)時，GPS 獲取的數(shù)據(jù)需要使用專業(yè)知識和高級的計算技術(shù)進(jìn)行處理和解析，GPS 信號的分析需要專門的軟件和算法，雖然在很多情況下，GPS 靜態(tài)測量技術(shù)是最佳選擇，但在一些特殊情況下，可能需要配合其他方法使用，例如，需要快速獲取大范圍的地形變化信息時，可以使用空間遙感和無人機(jī)測繪的方式。

2 大型建筑物變形的成因及其影響

2.1 大型建筑物變形的常見原因

大型建筑物變形是一個復(fù)雜的過程，主要包括以下誘因：（1）建筑物的設(shè)計和施工過程中出現(xiàn)問題，如設(shè)計方案不合理，計算錯誤、結(jié)構(gòu)承重能力不足，或者未考慮到特定的環(huán)境因素等，都可能導(dǎo)致建筑物在后期使用過程中產(chǎn)生變形。（2）施工質(zhì)量不佳、材料選擇不當(dāng)或施工技術(shù)疏忽等，同樣會對建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。（3）自然環(huán)境因素也會引起大型建筑物的變形，如地基的變化，包括地基沉降、土壤液化、巖層破裂等都可能導(dǎo)致建筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受到影響；氣候因素，如溫度的變化、風(fēng)力、降雨等也可能對建筑物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，長期下來可能導(dǎo)致建筑物的變形。（4）建筑物的使用情況和維護(hù)保養(yǎng)也對建筑物的變形有直接影響，超載使用、長期磨損和缺乏適當(dāng)?shù)木S護(hù)都可能導(dǎo)致建筑物的結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變形[2]。

2.2 大型建筑物變形對建筑物結(jié)構(gòu)和安全的影響

建筑物的變形往往意味著其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到了一定程度的破壞或失衡，這不僅會影響建筑物的正常使用，也可能威脅人們的安全。建筑物是一個整體，每個部分都對整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用，如果某一部分出現(xiàn)變形，可能會影響整個結(jié)構(gòu)的平衡，致使承重能力下降，進(jìn)一步導(dǎo)致其他部分的過度負(fù)荷和變形，形成一個惡性循環(huán)，在極端情況下，過大的變形可能會導(dǎo)致建筑物的崩塌。同時，建筑物的變形可能會導(dǎo)致內(nèi)部設(shè)施的損壞。例如，墻體和地板裂縫可能會導(dǎo)致電線、管道等設(shè)施的損壞，影響供電、供水等基礎(chǔ)設(shè)施的正常運(yùn)行。此外，建筑物的變形可能會影響內(nèi)部空間的布局和使用，如門窗無法正常開關(guān)、地板不平等。建筑物的變形也可能會影響建筑物的防災(zāi)能力，比如，墻體的裂縫可能會影響建筑物的防火、防水能力；地基的變形可能會影響到建筑物的抗震能力，建筑物的變形會在災(zāi)害發(fā)生時，加大建筑物和人員的損失。

2.3 既有的大型建筑物變形監(jiān)測方法

大型建筑物的變形監(jiān)測是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確保了建筑物的穩(wěn)定性和安全性。傳統(tǒng)的變形監(jiān)測方法主要包括各種測量儀器和設(shè)備，例如，使用水平儀、電子水平儀、全站儀等進(jìn)行角度和距離的測量；使用測繪設(shè)備進(jìn)行地面和建筑物的測量；使用測繪儀和電導(dǎo)儀進(jìn)行地下建筑的測量。這些方法都需要專門的人員進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)分析，并且可能會受到環(huán)境條件、設(shè)備性能等因素的影響。隨著科技的進(jìn)步，人們開發(fā)出了更多高效、精確的變形監(jiān)測方法。其中，遙感技術(shù)，包括雷達(dá)和衛(wèi)星圖像，也被廣泛用于建筑變形監(jiān)測，不僅可以提供大范圍、高精度的數(shù)據(jù)，而且可以覆蓋偏遠(yuǎn)或者難以直接訪問的區(qū)域。近年來，無人機(jī)（UAV）技術(shù)也在建筑變形監(jiān)測中發(fā)揮了重要的作用。無人機(jī)可以攜帶攝像機(jī)、測距儀、雷達(dá)等設(shè)備，對建筑物進(jìn)行近距離、高分辨率的監(jiān)測。無人機(jī)可以靈活地飛行在建筑物的周圍，獲取不易觀察到的細(xì)節(jié)信息，其飛行路徑和監(jiān)測頻率可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)定制化的監(jiān)測服務(wù)[3]。

3 基于GPS 靜態(tài)測量技術(shù)的大型建筑物變形監(jiān)測步驟

基于GPS 靜態(tài)測量技術(shù)的大型建筑物變形監(jiān)測方法是一種結(jié)合了科技和專業(yè)知識的多步驟過程。（1）在正式監(jiān)測前應(yīng)制訂完善的計劃，明確要監(jiān)測的建筑物、時間、頻率，以及數(shù)據(jù)收集和處理的方法。此階段需考慮監(jiān)測目的、建筑物的特性、可能出現(xiàn)的變形類型等因素。（2）在開始收集大型建筑物數(shù)據(jù)之前，需要將GPS 接收器固定在建筑物的關(guān)鍵部位，如基礎(chǔ)、橋塔、墻壁等地方。接收器會收到從GPS 衛(wèi)星發(fā)出的信號，其中包括時間、頻率、強(qiáng)度等信息。GPS 接收器在接收信號的過程中會連續(xù)工作，因此，可以收集到一系列的位置數(shù)據(jù)，根據(jù)建筑物的當(dāng)前位置可以計算建筑物的移動情況，從而監(jiān)測到建筑物的變形。建筑物的變形可能是隨時間發(fā)生的，因此，必須進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測。（3）收集完畢大型建筑物變形的關(guān)鍵數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，去除噪聲、糾正錯誤和填補(bǔ)缺失值。GPS 信號在傳播過程中可能會受到各種干擾而產(chǎn)生噪聲，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因而需要對其進(jìn)行去噪處理。為了避免數(shù)據(jù)收集過程中設(shè)備或者操作存在錯誤，需要通過校正消除這些錯誤，且數(shù)據(jù)收集過程中可能會有數(shù)據(jù)丟失，可以通過插值或者其他方法填補(bǔ)缺失的數(shù)據(jù)。（4）預(yù)處理后，計算變形參數(shù)，通常需要用到各種復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和算法，如最小二乘法、卡爾曼濾波等，可以根據(jù)位置數(shù)據(jù)計算出建筑物的位移、角度、速度等變形參數(shù)，從而揭示建筑物的變形情況。（5）在整個數(shù)據(jù)收集和處理過程中，還需要考慮到數(shù)據(jù)的保密和安全問題，對于可能包含建筑物的敏感信息，應(yīng)采取合理的措施來保護(hù)數(shù)據(jù)的安全，防止數(shù)據(jù)泄露或者被濫用。

4 大型建筑物變形數(shù)據(jù)的分析方法

4.1 使用GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物變形分析的具體方法

GPS 數(shù)據(jù)提供了一種高精度、高可靠性的測量方式，通過對GPS 數(shù)據(jù)的分析，可以有效監(jiān)測和預(yù)測建筑物的變形。（1）應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法計算數(shù)據(jù)的平均值、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等，了解數(shù)據(jù)的基本情況，還可以通過繪制圖表，如散點(diǎn)圖、柱狀圖、箱線圖等直觀地觀察數(shù)據(jù)的分布和關(guān)系。（2）運(yùn)用回歸分析、時間序列分析、因子分析等統(tǒng)計和機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)分析數(shù)據(jù)，以揭示建筑物的變形規(guī)律，例如，使用回歸分析研究建筑物的變形與時間、環(huán)境條件等因素的關(guān)系，以便預(yù)測未來的變形；使用時間序列分析研究建筑物的變形趨勢，以便及時發(fā)現(xiàn)可能的問題。（3）采用數(shù)據(jù)可視化的技術(shù)，如地圖、圖表、儀表板等，將分析結(jié)果以清晰易懂的方式呈現(xiàn)出來，并編寫報告解釋分析的過程和結(jié)果，以便其他人理解和使用。

4.2 分析結(jié)果的解讀和應(yīng)用

在使用GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行大型建筑物變形分析后，理解分析結(jié)果并將其應(yīng)用于實(shí)踐是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。分析結(jié)果的解讀需要有對數(shù)據(jù)的理解、科學(xué)的方法和專業(yè)知識，而應(yīng)用分析結(jié)果則需要決策的智慧和實(shí)踐的勇氣。分析結(jié)果的解讀需要理解分析的方法和過程，如回歸分析的參數(shù)、時間序列分析的趨勢等；理解結(jié)果的含義，如建筑物的變形趨勢、變形與其他因素的關(guān)系等，并對結(jié)果進(jìn)行評價，如結(jié)果的精度、可靠性、有效性等。根據(jù)分析結(jié)果，將解讀的信息轉(zhuǎn)化為實(shí)踐的決策和行動，例如，分析結(jié)果顯示建筑物的變形趨勢不穩(wěn)定，需要調(diào)整建筑設(shè)計，如增強(qiáng)結(jié)構(gòu)、改變材料等；若分析結(jié)果顯示建筑物的變形與某些環(huán)境因素有關(guān)，可能需要調(diào)整建筑施工，如改變施工方法、優(yōu)化施工計劃等；若分析結(jié)果顯示建筑物的變形有可能導(dǎo)致安全問題，應(yīng)加強(qiáng)建筑維護(hù)，如定期檢查、提前修復(fù)等。

5 結(jié)語

總的來說，基于GPS 靜態(tài)測量技術(shù)的大型建筑物變形監(jiān)測方法，是一種具有高精度、高可靠性的監(jiān)測方法。通過本文的研究，了解到大型建筑物變形的常見原因，掌握了變形監(jiān)測的基本步驟，學(xué)習(xí)了如何處理和分析GPS 數(shù)據(jù)，以及如何解讀和應(yīng)用分析結(jié)果，為監(jiān)測和預(yù)測大型建筑物的變形，保證建筑物的安全和穩(wěn)定，提供了強(qiáng)有力的工具和方法。隨著GPS 技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，其將有更廣泛的應(yīng)用前景和價值。