GPS在变形监测中的技术及相关应用

陶杰　罗小宝

【摘要】GPS导航定位技术及大地测量等学科的飞速发展是变形监测革命性变革的助推剂，它具有速度快、全天候、自动化程度高、测站间无需通视、可同时测定点的三维位移等优点。高精度和自动化的GPS变形监测在GPS技术水平不断进步的情况下己经成为可能，目前，诸如大坝、桥梁或工程结构等的变形监测中，GPS技术都扮演着极其重要的角色，这也对变形分析理论提出了更高更细致的要求。

【关键词】GPS；变形监测；技术；应用

引言

随着人类社会的发展进步，对于工程建设效率的要求也在不断提高，并且对于现代工程建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求，在这样的环境下，变形监测工作的重要性不言而喻。本文针对GPS在变形监测中的发展现状，对该项技术在变形监测中应用进行探讨，希望能为今后对于变形监测中GPS的应用提供帮助。

一、GPS在变形监测中的应用及其优点

（一）GPS在变形监测中的应用

作为一种全新的现代空间定位技术出现的全球定位系统（GPS）， 己逐渐在越来越多的领域中取代了常规光学和电子测量仪器。

自上世纪90年代以来，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术的结合，引起了空间定位技术方面的革命性变化，由动态扩展取代静态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后处理扩展发展到即时定位与导航，陆地和近海的三维坐标都能利用GPS技术同时测定，其相对和绝对精度由米级扩展到厘米级甚至亚毫米级，从而使GPS的应用范围得到了极大地扩展，这令在精度要求很高的变形监测领域中GPS的应用变得可能。

（二）GPS在变形监测中的优点

1.测站间无需保持通视。

变形監测网的布设十分自由、方便，可省去大量中间信息传递过渡点的原因是GPS定位时测站之间不需要保持通视，这样就节省了大量布设监测站点的费用。

2.全天候观测

GPS测量不受风雪雨雾，阴天黑夜等恶劣条件的限制，利用GPS卫星数量多，及其他非卫星定位手段等技术优势，实现全天候、全方位的观测。因此在对洪水、滑坡、雪崩及泥石流等突发性地质灾害的监测时，GPS技术十分重要。

3.实现监测的自动化

GPS检测系统可以轻易实现从数据采集、传输、处理、分析、报警到入库的全自动化。因为GPS接收机可以自动进行数据采集工作，用户可以在变形监测站无人值守时把GPS变形监测系统建成无人值守的自动监测系统。而GPS接受机所收集的信息会自动传输到控制中心，同时也能够在控制中心更改数据采样率、监测时长及监测截止高度角等。这极大地节省了变形观测的经费，避免人力资源的浪费。

4.可消除或削弱系统误差的影响

在两期变形监测中所求得的变形监测点的坐标差使我们在变形监测中最为关注的数据，而变形监测点本身的坐标却并不重要。虽然两期变形监测中所含的共同的系统误差会对两期的坐标值造成影响，但却不会影响所求得的变形量。GPS变形监测网中的起始坐标的误差，数据处理中所用的定位软件本身的不完善以及卫星信号在大气层中的传播误差中的公共部分的影响可得以消除或削弱。

5.精度高、效率高

由于GPS定位技术在消除或削弱系统误差，使得测量精度达到其他测量手段难以达到的高度，所以GPS在变形监测中迅速得到了推广，成为变形监测方法中的佼佼者。

二、GPS变形监测的发展现状

众所周知，在多种主观和客观因素的影响下工程建筑物在施工和运营期间会产生变形，变形如果超出了一定限度，就会使建筑物的正常使用收到影响，严重时还会造成建筑物的损坏甚至崩塌，危及建筑物的安全，使社会和人民生活蒙受巨大的损失。尽管工程建筑物在设计时考虑到各种外载荷的影响，会采用了一定的安全系数来规范施工，但是由于施工质量不可能完美无缺，设计中也不可能准确无误地估计出工程的工作条件及承载能力，因此还可能发生某些不利于施工过程顺利进行的变化因素。国内外相继出现的诸多工程事故都是因此发生的。在工程的施工和运营期间使用变形监测的方法，以便及时掌握变形体的实际性状，为判断其安全提供必要信息，来保证工程建筑物的安全。无论是在全球性变形监测研究、区域性变形研究、还是工程与局部性变形研究，GPS变形监测技术都得到了广泛的应用。在监测全球板块运动、地极运动、地球自转速率变化、潮汐、地震预报、地壳运动等方面GPS技术都发挥了巨大的作用，自20世纪90年代以来，世界各国纷纷用GPS布设地壳运动和区域变形监测网。利用价值的不断提高和日渐受人瞩目的地位极大地推动了GPS变形监测技术的开发速度与发展进程，首选GPS 技术建立各类监测网己经形成了一种共识。

三、GPS变形监测技术的发展趋势

（一）建立GPS变形控存线实时分析系统

研究建立GPS变形监控在线实时分析系统，对大型桥梁、水电站、高层建筑物以及滑坡、泥石流、雪崩等地质灾害多发地区进行变形监测依然成为一个重大的发展趋势。这种由数据采集，数据传输和数据处理等几个重要部分组成的系统，可以及时处理变形检测器测得的监测数据，从而对变形的现状和发展趋势进行有效地分析，为灾害发生的可能性分析与预报提供科学依据。

（二）建立“3S”集成变形监测系统

所谓“3S”集成变形监测系统，就是GPS、GIS以及RS三种系统集成的变形监测体系。“3S”技术集成可为分析、研究包括变形信息在内的各种灾变信息之间的相互关系提供技术支撑。特别是时态GIS技术的应用，除了具备一般GIS的功能之外，它不仅可以明确地表述四维空间的地质现象，还能记载监测区域地质现象随时间变化的演变过程，这对于泥石流等地质灾害的监测预报具有重要意义。因此“3S”集成变形监测系统的发展也是完善变形监测工作进行的一大趋势。

（三）建立GPS与其他变形监测技术相结合的集成系统

将GPS与其他变形监测技术（如摄影测量技术、特殊变形检测技术等）结合形成综合变形监测系统，有利于克服单一利用GPS技术的不足和局限性，实现不同技术之间的优势互补，扩展GPS变形监测技术的应用范围。GPS等空间等空间测地技术的集成组合应用于大范围、整体性的地壳运动监测，将会大大提高空间域对于地壳形变观测的控制能力及分析能力。这会成为GPS等空间测地技术运用于大型工程监测带来新的机遇，对高精度变形监测技术的研究产生强大的推动作用。

结语

针对不的监测对象和监测目的，基于GIS、RS、IN— SAR、摄影测量和特殊变形测量技术等研究建设技术先进又实用的GPS在线实时监测分析系统是GPS变形监测技术总的发展趋势。同时鉴于GPS技术在变形监测中所需成本过于高昂，但因其在变形监测中占据战略地位，因此研究低成本的GPS集成实时监测集成系统对变形监测工作的开展具有重要意义。此外，提高GPS垂直位移的监测精度也是一个重要课题。如果能够将上述问题逐一妥善解决，相信能够使GPS同时满足三维位移的优势得到更加充分有效的发挥。

参考文献

[1]杨艳峰.GPS定位技术在变形监测中的应用[D].昆明理工大学，2007.

[2]肖鸾，胡友健，王晓华.GPS技术在变形监测中的应用综述[J]工程地球物理学报，2005.