GPS在变形监测技术现状及发展趋势

张家明吴新宇彭述刚

（1.肇庆高新区四会产业园管理局，广东 四会 526299；2.广州绘宇智能勘测科技有限公司，广东 广州 510000）

GPS在变形监测技术现状及发展趋势

张家明1吴新宇2彭述刚2

（1.肇庆高新区四会产业园管理局，广东 四会 526299；2.广州绘宇智能勘测科技有限公司，广东 广州 510000）

GPS技术以速度快、全天候、高精度、自动化等诸多优点，被广泛运用到高层建筑、地质灾害、矿山矿井等变形监测中，由于垂直位移监测精度低、噪声干扰等问题，促使了与其他技术相互集成。文章阐述了基于GPS周期性与连续性2种变形监测模式及其数据处理方式，探讨了单一GPS变形监测技术存在的5方面主要问题，分析了目前基于3S集成技术、在线实时分析系统、结合小波分析等主流GPS变形监测技术现状，提出了基于3S技术、Web动态监测、四维可视化监测、移动终端监测的GPS变形监测未来发展趋势。

GPS技术；变形监测；发展趋势；移动终端

现实世界中有许多的灾害发生都与其本身变形有着极大的关系，比如桥梁垮塌、滑坡、溃坝等，这些灾害不经意地发生，往往会造成严重的后果，因此变形监测对于灾害的预防有着重要的作用[1-2]。随着科学技术进步及变形监测结果精度的提高，传统的变形监测技术已经不能够完全满足时代需求。GPS作为一种全新的现代空间定位技术，具有速度快、全天候、高精度、自动化等诸多优点，广泛的运用到了变形监测中。目前基于 GPS技术变形监测正向多学科交叉的应用领域发展，监测对象涉及到地壳变形、地质灾害、高层建筑、水库大坝、矿山矿井、隧道工程、结构工程等[3-5]。同时，随着测绘、遥感、GPS、GIS等技术的快速发展，基于GPS技术变形监测也逐步的融入了 RS、GIS等技术，大幅度提高了变形监测的便利性和准确性，变形监测技术方法也取得了日新月异的迅速发展[6-8]。本文阐述了GPS变形监测模式、数据处理方法及其存在问题，概述了目前主流的 GPS变形监测技术现状，提出了基于3S技术、Web动态监测、四维可视化监测、移动终端监测的 GPS变形监测未来发展趋势，为提高变形监测精度，实时动态监测奠定了重要基础。

1 GPS变形监测概述

1.1 GPS变形监测模式

1.1.1 周期性监测模式

当变形体的变形速率缓慢时，或者在局部空间范围和时间范围内发生微小变化，则可以采用 GPS进行变形监测，监测周期频率可以是几个月、1年甚至是多年，比如滑坡体变形监测、地震活跃区变形监测、大坝变形监测等。通过计算同一个测量监测点两个观测周期之间的相对位置变化大小来测定情况。采用GPS静态相对定位方法测量，将2台以上的GPS接收机安置在观测点上，同步观测一段时间。用后处理软件进行基线解算，经过平差计算求得观测点的三维坐标（X0，Y0，Z0），并将其作为变形监测的参考标准。然后采用类似的方法进行不定期的复测，求得第i次结果的坐标为（Xi，Yi，Zi），则根据坐标差（XΔ，YΔ，ZΔ）确定监测点变形量。

1.1.2 连续性监测模式

连续性变形监测是指采用固定仪器设备对变形体进行长时间的监测，获取连续性数据，具有较高的时间分辨率。比如大桥在负载作用下的快速变形则采用连续性监测，采用密度高，例如每秒钟采样一次，而且要计算每个历元的位置；大坝在超洪水位时，必须时刻监视其变化情况，并实时对监测数据进行处理分析；高层建筑物的振动测量等。根据变形体的不同特征，GPS连续性监测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测。监测的精度根据监测对象具体情况设定，目前最高的监测精度可达到亚毫米级。

1.2 GPS变形监测数据处理

GPS变形监测数据处理的工作主要是指监测网的的解算和平差计算。其中 GPS基准网的基线计算采用瑞士 BERNESE大学研制的BERNESE软件和麻省理工学院研制的GAMIT GLOBK软件，使用IGS精密星历。平差软件则主要采用PowerADJ科研办软件、原武汉测绘科技大学研制的GPSADJ系列平差处理软件和同济大学的 TGPPS静态定位后处理软件。这些软件对GPS数据处理分为2个方面，第一是GPS原始数据进行处理获得同步观测网的基线解，第二是对各同步网解进行整体平差与分析，获得 GPS网的整体解。针对监测站点的解算可选用“直接提取变形GPS高精度解算软件”。

1.3 GPS变形监测问题

GPS变形监测主要存在如下几个方面的问题：

（1）对于高山峡谷、茂密丛林、密集建筑物群，由于卫星信号被遮挡无法接收到有效信息，其监测的精度和可靠性不能完全得到保证。

（2）采用GPS点进行变形监测，只能获取到变形体的离散点的数据，无法获取变形体表面所有数据。

（3）目前GPS监测水平位移的精度较高，但是在垂直位移方向监测的精度却比较低，因此比较难监测同时在水平位移和垂直位移都要求精度高的变形体。

（4）对于变形监测数据处理采用的整周模糊度动态解算方法（OTF法），该方法只能达到厘米级精度，远不能满足高精度变形监测要求。

（5）对于动态变形监测，由于监测点在短时间内的变形微小，表现为一种弱信号，而误差却成为强噪声，如何从受强噪声干扰的序列观测数据中提取微弱的特征信息，以提高变形监测的精度，是 GPS动态监测系统应解决的一个关键技术问题。

由于 GPS存在不足之处，所以需要根据监测对象的实际情况，结合GIS、RS等其他方面的技术，提高监测的精度。

2 GPS变形监测技术现状

2.1 在线实时分析系统

随着计算机、无线电传输、GPS及地理信息系统技术的快速发展，对于高层建筑、滑坡和地区性地壳变形监测，研究建立实时在线动态变形监测分析系统是一个非常重要的发展趋势。这种系统由数据的采集、数据无线或有线传输和数据分析处理等结构构成，通过 GPS实时动态监测，利用无线电传输技术，及时传输到终端，利用地理信息系统开发数据处理与分析软件，实时动态分析变形结果，从而分析变形的现状、规律及其发展趋势，为实现防灾减灾提供可靠的科学依据。有部分学者采用的是Visual Basic6.0可视化开发工具，实现GPS与GIS的无缝集成，建立远程变形监测智能预警系统[7]；利用GPS对降雨型滑坡监测，通过多元线性回归分析降雨量、时间滑坡位移的关系，从而构建了滑坡变形监测与预警系统[4]。但目前基于实时动态分析系统成本比较昂贵，因此研究低成本的 GPS实时在线动态监测分析系统也是重要的研究方向。

2.2 建立3S集成变形监测系统

因为 GPS变形监测存在高密物体覆盖区信号差、垂直位移监测精度低、噪声干扰等问题，所以为了克服 GPS的变形监测的局限性，根据变形监测体的具体对象，可以将 GPS技术与RS、GIS技术相结合，建立3S集成综合变形监测系统。例如将GPS技术与INSAR技术集成构建变形监测系统，实现四维形变（x，y，z，t)的整体动态精确测定，目前已经运用于公路采空区的变形监测当中[6]。将GPS与GLONASS组合定位，解算组合定位的双差模糊度，引入相对定位精度因子，提高定位精度的可靠性[9]。

2.3 结合小波分析GPS变形监测

GPS在应用于大型建筑、水利设施形变监测时，受到外界各种噪音的影响，给测量结果带来一定的误差，使得变形监测结果存在一种多波段的混合波，严重影响了监测结果的精度。为了克服经典 Fourier分析不能描述信号时频特征的缺陷，可利用小波变换在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率、在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率的特点，将其运用到 GPS动态变形分析，实现GPS动态监测数据的滤波、变形特征信息的提取以及不同变形频率的分离。通过研究发现了小波分析能有效处理监测数据中的粗差识别和噪声处理，对于大坝后期变形特征提取效果较好，处理后的数据具有规律、直观，能够直接反映变形体变形趋势[10-11]。

3 GPS变形监测发展趋势

随着 GPS技术与现代网络信息化技术的快速发展，变形监测精度要求越来越高，目前采用的变形监测技术已不能完全满足现在及其未来的发展需求。基于3S技术、Web动态监测、三维可视化监测、移动终端监测是未来 GPS变形监测的主流发展方向。

3.1 基于3S技术变形监测

基于3S技术变形监测必然是现在及其未来发展的重要潮流。一方面，因为目前3S集成技术的变形监测产品已经被广泛运用，包括地壳运动监测、地质灾害监测、高层建筑监测、水库工程等，广泛的运用且已经被大众所接受，所以是未来发展的趋势；另一方面，基于 GPS变形监测技术方面，针对数据测采集、传输、存储、分析、预报、精度等问题，通过3S技术集成得到了有效地解决，建立综合变形监测系统，实现了不同监测技术之间的优势互补。

3.2 基于web动态监测

目前是一个互联网的时代，将 GPS变形监测数据及其分析结果传输到互联网，同时发布变形监测曲线图、变形速率及预测分析，实现监测预报无人管理，只需要有互联网的地方就能使人们直观了解到变形体的具体变形过程。

3.3 四维监测信息可视化表达

目前三维可视化技术得到了飞快的发展，通过地表、地下、地面信息的采集，采用三维制图软件能快速的构建三维模型，可以直观的查看监测对象的立体形象。另外，通过大量前期监测数据资料，结合针对性的预测模型，分析预测在时间轴上可视化三维预测结果，从而实现在X、Y、Z、T四维监测的可视化表达。同时建立预警预报模型和危害范围四维可视化分析。达到不仅在视觉上，而且在时间曲线上更为直观的表现动态实时变形监测。

3.4 移动端实时监测

随着无线网络技术快速发展，智能手机、ipad、平板等数码设备的功能也越来越强，开发实时在线预警预报App，利用无线网络传输监测数据结果，通过APP软件软件预报分析，实现大众掌握形变体变形结果，向全社会提供安全监测的信息服务，从而更为有效地缩短了反馈给受害人群的时间，为城市应急防灾提供了重要技术支撑，达到了真正意义上的快速防灾减灾动态监测。

4 结语

GPS技术以具有速度快、全天候、高精度、自动化等诸多优点，广泛的运用到了地质灾害、地壳运动、高层建筑、水库工程等变形监测中，同时由于自身的高密物体覆盖区信号差、垂直位移监测精度低、噪声干扰等问题的局限性，促使了GPS与RS、GIS、小波分析等技术相互结合、优势互补，实现实时动态高精度变形监测。随着3S技术、互联网技术、四维可视化技术和移动终端技术的发展，GPS技术与其有效集成，能够实现直观、快速的四维防灾减灾预警预报，为城市应急防灾提供重要的技术支撑。

[1] 胡友健,梁新美,许成功.论GPS变形监测技术的现状与发展趋势[J].测绘科学,2006,31(5):155-157.

[2] 朱代尧,刘小阳.GPS在灾害监测中的应用综述[J].防灾科技学院学报,2007,9(2):73-75.

[3] 李征航,张小红,朱智勤.利用GPS进行高精度变形监测的新模型[J].测绘学报,2002,31(3):206-210.

[4] 艾鸿敏.基于GPS的降雨型滑坡变形监测与预警[D].重庆:重庆大学,2013.

[5] 赵宜行. GPS变形监测技术及其数据处理方法研究[D].西安:西安科技大学,2009.

[6] 芮勇勤,陈佳艺,丁晓利.基于InSAR与GPS技术的公路采空区变形监测[J].东北大学学报:自然科学版, 2010,31(12):1173-1176

[7] 肖海平,陈兰兰,刘德儿,等.基于GPS/GIS集成的远程变形监测智能预警系统的研究[J].测绘通报, 2012,(9):71-73

[8] 刘辉,何春桂,刘小阳,等.基于GPS/GIS的矿区变形监测系统的初步设计[J].煤矿开采,2010,15(3):106-108

[9] 王建,余代俊,戴继红.GPS/GLONASS组合定位及其在变形监测中的应用[J].工程勘察,2014,(2):78-81

[10] 夏秋,周金国.小波分析 GPS变形监测数据处理中的应用[J].地理空间信息,2011,9(6):40-41.

[11] 王波,周仪邦,梁海波,等.基于小波分析的GPS大坝变形监测数据处理[J].青海大学学报:自然科学版,2013, 31(1):48-53.

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

张家明（1973－），男，广东肇庆四会人，肇庆高新区四会产业园管理局工程师，从事规划测量研究。

彭述刚（1989－），男，广东广州人，供职于广州绘宇智能勘测科技有限公司，硕士研究生，从事遥感与测绘研究。