1、探討GPS測量在變形監測中的運用    摘要：GPS測量技術以其測站點之間無需通視、全天候觀測、提供三維信息、測量范圍大等特點在社會各領域中被廣泛使用。本文結合多年的工作經驗，探討GPS測量在變形監測中的運用。 關鍵詞：GPS；變形監測；測量 中圖分類號：P228.4文獻標識碼：A 文章編號： 近年來，隨著科學技術的發展和人民生活水平的提高，人們對生產安全、生產效率的要求也越來越高。如果仍然使用傳統測量方法，不僅工作量大，而且定位精度也很難達到要求。GPS全球定位系統作為一種全新的現代空間定位技術，逐漸取代了常規的光學和電子測量儀器。GPS測量技術以其測

2、站點之間無需通視、全天候觀測、提供三維信息、測量范圍大等特點，已成為現代測量的主要技術手段。 GPS不需要各種點（基準點、監測點）之間通視，測量范圍也不受限制，同時具有高速數據采樣率，使其在工程變形監測方面，具有獨特測量優勢。比如對于滑坡體較大通視條件差或大的露天礦邊坡，很難找到通視的基準點，采用GPS監測時，基準點就可以選在遠離變形區，而不是否通視。對于海上勘探平臺沉陷監測、城市地面沉陷監測，采用傳統的水準測量方法無法實現或作業強度很大，采用GPS可以降低勞動強度，而且可以直接利用大地高計算沉陷量，使觀測結果的精度不受損失。利用GPS數據的高采樣率，可用于高聳建筑物的風振監測、橋梁的振動監測

3、，尤其是5公里以上特長橋梁。 1. GPS變形監測作業方式 GPS用于變形監測的作業方式可分為周期性和連續性兩種模式。當變形體的變形速率相當緩慢，在局部時間域和空間域內可以認為穩定不動時，可利用GPS進行周期性變形監測，監測頻率視具體情況可為數月、一年或甚至更長時間。連續性變形監測指的是采用固定監測儀器進行長時間的數據采集，獲得變形數據系列，此時監測數據是連續的，具有較高的時間分辨率。 周期性模式采用GPS靜態相對定位的測量方法。該測量模式成本低，一般監測采用該模式。比如目前三峽庫區滑坡、李家峽水電站滑坡，龍羊峽水庫近岸滑坡等監測工程中均采用該模式。 連續性監測模式，對自動化要求高，數據采集周

4、期短的監測項目采用。對于衛星觀測條件好的監測工程，比如橋梁、高層建筑物等的動態監測中，GPS正逐漸取代加速度計、激光干涉儀等動態監測設備。在虎門大橋、深圳帝王大廈、隔河巖大壩外觀變形監測均采用該模式。該模式可實現24小時的連續觀測，使監測工作實現完全自動化，使監測、監控、決策實現遠距離控制，建立無人值守的監測系統。由于該模式要求GPS接受設備必須永久固定在變形點成本較高。另外，根據變形體的不同特征，GPS連續性監測可采用靜態相對定位和動態相對定位兩種數據處理方法進行觀測，一般要求變形響應的實時性。 為解決限制連續性監測模式應用的高成本，香港理工大學、河海大學的專家開始提出和研究基于一機多天線的

5、自動化監測技術。利用若干GPS天線和具有若干通道的微波開關，相應的微波開關控制電路及1臺GPS接收機組成一機多天線系統。最新系統將控制電路板、GPS接收機（OEM）板集成在工業控制計算機中。 2. GPS在變形監測中的測量方法 根據監測對象及要求不同，GPS在變形監測中可采用的測量方法分為靜態測量法、快速靜態測量法和動態測量法三種。 靜態測量法是把多于3臺GPS接收機同時安置在各觀測點上同步觀測一定時段，一般為1小時2小時不等，構網用后處理軟件解算基線，平差計算求觀測點的三維坐標。靜態測量法精度高，一般水平精度優于3mm，垂直精度優于5mm。比如，隔河巖大壩應用廣播星歷12小時觀測資料解算監測

6、點相對于基準點的水平精度優于1.5mm，垂直精度優于1.5mm；6小時資料解算水平精度優于1mm，垂直精度優于1mm6。GPS基準網，一般應采用靜態測量方法，當基準網的邊長超過10km，要考慮基準網的起算點與國際IGS站聯測，基線向量解算時采用精密星歷，以提高基線解算的精度。 快速靜態測量法，適用于對監測點的觀測。方法是把兩臺GPS接收機安置在基準點上固定不動連續觀測，另1臺以上GPS接收機在監測點上移動，每次觀測510分鐘(采樣間隔為2秒)，經事后處理，解算出各監測點的三維坐標。若基準點至監測點的距離在3公里范圍之內，監測精度為水平位移±3mm±5mm，垂直位移±

7、;5mm±8mm。若距離大于3公里，水平精度為5mm+1ppmD，垂直精度為8mm+1ppmD。由于快速靜態測量法測量時間短，選擇最佳觀測時間段對保證觀測精度至關重要。 動態測量法又分準動態測量法和實時動態測量方法。 準動態測量法，把一臺GPS接收機安置在一個基準點上，另一臺GPS接收機先在另一基準點上觀測5分鐘(采樣間隔為1秒)，在保持對所測衛星連續跟蹤而不失鎖的情況下，在各監測點上停留210秒鐘。經事后處理，精度可達12cm。 實時動態測量方法又叫RTK方法，是以載波相位觀測量為根據的實時差分GPS測量技術。其原理是在基準站上安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛星進行連續觀測

8、，并將觀測數據通過無線電傳輸設備，實時的發送給在各監測點上移動觀測（13秒鐘）的GPS接收機，移動GPS接收機在接收GPS信號同時，通過無線電接收設備接收基準站傳輸的觀測數據，再根據差分定位原理，實時計算出監測點三維坐標及精度，精度可達25cm。如果距離近，基準點與監測點有5顆以上共視GPS衛星，精度可達12cm。GPS RTK最快可達110Hz速率輸出定位結果；虎門大橋在惡劣氣候條件下，如大風大雨大霧等進行測量，測量精度可達1厘米這是常規手段無法獲得的。測量結果輸出頻率110Hz，實時動態三維坐標，和振動頻率。 靜態和動態各有優缺點，根據實際需要選擇。 3. GPS監測技術的不足 GPS在高

9、山峽谷、地下、建筑物密集地區和密林深處，由于衛星信號被遮擋及多路徑效應的影響，其監測精度和可靠性不高或無法進行監測1。比如，在滑坡體的變形監測中，監測點的位置通常是由地質人員根據滑坡、斷層的地質構造和受力情況而定，測量人員的選擇余地不大，變形監測點的觀測條件欠佳，視場狹窄，大量衛星被山坡遮擋，多路徑誤差較為嚴重。 GPS用于動態變形監測時，由于GPS動態測量的精度只能達到厘米級，而監測點在很短時間內的變形是微小的，表現為一種弱信號，GPS測量誤差成為強噪聲，如何從受強噪聲干擾的序列觀測數據中提取微弱的特征信息，是GPS動態監測應解決的一個關鍵技術問題。 GPS與一般全站儀、測斜儀等監測設備相比

10、，設備成本較高，一般要3臺以上GPS接收機。 GPS誤差源多，與傳統大地測量手段相比，GPS定位結果和觀測值之間的函數關系要復雜得多，誤差源也要多得多。在GPS定位中基準站與變形監測點之間的坐標差是依據兩站的載波相位觀測值和衛星星歷經過復雜的計算后求得的，定位結果受衛星星歷誤差、衛星鐘差、接收機鐘差、對流層延遲、電離層延遲、多路徑誤差、接收機的測量噪聲以及數據處理軟件本身的質量等多種因素的影響。在數據處理過程中還將涉及周跳的探測及修復、整周模糊度的確定等一系列問題。其中任一環節處理不好都將影響最終的監測精度。此外接收機天線相位中心的不夠穩定也是影響監測精度的一個重要原因。 6結論 綜上所述，GPS監測技術現在雖然還有些不足，但GPS技術以其全天候、高精度、高速度、實時三維定位、誤差不隨定位時間而積