利用卫星定位技术监测高层建筑物方法研究

田时雨 王润峰 莫雁寒

摘 要：本文利用河北省CORS对石家庄某高层建筑物进行监测，研究卫星定位技术监测高层建筑物的方法，采用研发软件与已有TIM软件分别对监测点进行一段时间的自动化数据处理，结合传统全站仪监测成果，综合进行对比分析。

关键词：高层建筑；北斗卫星定位；形变监测

伴随着城市化进程的加快，城市人口的剧增，高层建筑如雨后春笋般涌现，高层建筑因各种主观和客观原因如結构、地基、风载、城市地铁建设等导致其不可避免地发生形变。这种形变在规定范围内是允许的，一旦这些形变超过了设计规定的允许限度，就会影响高层建筑物的正常使用，给建筑物的生产和运营带来安全隐患。严重时还会危及建筑物的安全，造成诸如倾斜、 垮塌等重大工程安全事故，其结果直接对人民生命财产造成威胁，给国家财产带来巨大损失。高层建筑物变形监测，能够对建筑变形各个方向形成全面客观的反映，在风险发生之前进行预警预报，切实保障人民的生命财产安全。

卫星定位技术的高速发展为建筑物监测提供了更加高效和高精度的方式。但具体如何实施尚无文献报道。河北省地理信息局2016年科研课题“利用卫星定位技术监测高层建筑物方法研究”就是在已有理论基础上开展的技术方案的研究。课题在石家庄市实地选取某典型高层建筑物为实验对象，采用河北省北斗导航定位网建设卫星定位监测站系统，对建筑物观测点进行实时监测，并开发相应软件，通过与利用传统变形监测手段进行监测对比，从而得到高层建筑物不同监测方法的成果和对比分析研究成果。

1 技术条件

河北省卫星定位综合服务系统截至目前共建设覆盖全省的连续运行基准站网，均已配备北斗多模接收机，平均间距40-50公里，建设了完善的数据通信、数据处理中心、系统管理及综合应用服务平台。系统已广泛服务于测绘、国土、气象、规划、水利水电、灾害监测等多个行业，为实现高层建筑物监测提供了可靠的技术基础。

课题的主要作业技术依据有：工程测量规范》（GB50026-2007）；《建筑变形测量规范》（JGJ8-2007）；《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）；《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T 18314-2009）；其它相关标准。 参考基准为：2000国家大地坐标系（ITRF97，2000.0）；1985国家高程基准。主要技术指标：监测点解算平面精度优于±3cm，大地高高程精度±5cm。

2 总体思路

参考相关规范利用传统监测手段（高精度全站仪观测）采集监测点平面位移和高程位移量，记录监测时间段内形变变化量。

本课题选取石家庄某高层建筑物作为监测点，建设永久监测站。

监测站与附近3个河北CORS基准站同步进行GNSS观测，利用RTKOffice软件和TIM软件对监测点进行自动化数据处理，分别得到一段时间的坐标时间序列以及两种软件解算的坐标变化时间序列，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》的相关规定分析该高层建筑物的安全程度。总体流程如图1所示。

3 全站仪监测

用全站仪监测位移属于传统监测方法，技术经过多年的发展已相當成熟和完善，其优点是测量速度快且精度较高，因此，根据监测点周围的实际情况选取满足测量通视条件的观测站和观测后视点，以此两点连线作为监测基线，对项目监测点进行不同时段的位移监测，并与GNSS监测位移变化互为补充。

具体方法：采用测角精度为1″的全站仪对高层建筑物进行位移监测，在满足测量通视条件下，选取观测站和观测后视点两个基准点，根据布设的监测点具体情况，分为两种测量方法，一种直接测量监测点坐标。另外一种为，当不满足通视条件即楼底全站仪不足以观测至楼顶监测站时，在建筑物周围选择若干个工作基点，布设一条通过基准点、工作基点的闭合导线。根据监测目的以及现场条件，在该楼四周稳定的地方布设一条闭合导线，监测点是布设在楼顶的混凝土梁柱上，并采用强制对中墩，直接与建筑物相连。在合适高度的楼层选择大楼四角作为监测点，采用专门设计的标志薄膜，用特定的强力胶使之与墙体紧密粘合。点位布设如图2所示。

图中，A0，A1为布设在远离建筑物一侧的基准点，构成基准边；工作基点A1，A2，……，An布设在建筑物周围便于观测的位置。

以基准点为已知点，假定其中一点为坐标原点，另一点为定向轴，建立独立平面直角坐标系，由导线计算公式及平差求出各工作基点在独立坐标系中的坐标。再由工作基点设站进行建筑物的水平位移观测，求出各监测点的坐标。为保证测量成果可靠，必须进行必要的检核。通过周期观测，即可求出建筑物的水平位移的倾斜度、倾斜方向以及倾斜速度。

4 卫星定位监测

4.1 监测点建设

监测点建设包括监控室和观测墩等部分组成：

1）观测墩：用于支撑GPS观测天线。点位选取在符合选点基本要求的基础上，应选在建筑物的主承重支柱上。在选取的点位上通过连续采集24小时静态数据，查看及分析卫星信号情况、是否存在干扰源等，进一步确定观测墩点位。

2）室外观测墩防雷：室外天线防雷的接地地网原则上使用观测墩所在的大楼的防雷地网。

3）监控室：用于安置基准站设备。要求距离观测墩距离不超过天线电缆的许可长度（60米）。

4.2 GNSS观测

4.2.1观测准备

1）安置GNSS接收机时，天线的定向标志应指向正北，定向误差不宜超过。对于定向标志不明显的接收机天线，可预先设置定向标志。

2）天线高应量测至毫米，测前测后应各量测一次，两次较差不应大于3㎜，并取平均值作为最终成果；较差超限时应查明原因，并记录至GNSS外业观测手簿备注栏内。

4.2.2 GNSS的外业观测应符合下列要求

1）接收机工作状态正常后，应进行自测试，并输入测站名、日期、时段号和天线高等信息。

2）接收机开始记录数据后，应查看测站信息、卫星状况、实时定位结果、存储介质记录和电源工作情况等，异常情况应记录至GNSS外业观测手簿备注栏内。

3）GNSS快速静态定位测量的统一观测单元期间，基准站观测应连续，基准站和流动站采样间隔应相同。

4）作业期间不允许下列操作：关机又重新启动、自测试、改变仪器高度值与测站名、改变GNSS天线位置、关闭文件或删除文件等。

5）在作业期间不得擅自拆卸仪器，应防止仪器被移动，防止人和其他物体靠近天线，遮挡卫星信号。

6）每日观测完成后，应将全部数据双备份，及时对数据进行处理，剔除不合格数据。

4.3 数据处理与分析

数据处理中心设在该楼顶层的一个房间内，配备网络通讯设备和GNSS高精度数据处理软件等，确保楼顶监测点数据能实时传输至数据处理中心，进行监测点坐标解算。对监测点进行坐标解算，显示实时系统误差分析，结果输出频率（监测频率），最高可设置为单历元，即与GNSS接收机的采样率相一致。

根据实际情况对RTKOffice软件和TIM软件进行相关配置，使用这两个软件分别对监测点进行自动化数据处理，得到一个月的坐标时间序列以及二者坐标相对变化时间序列，绘制坐标及变化时间序列图，并且结合全站仪各期的观测成果，分析解算结果的可靠性、准确性以及精度。然后根据《高层建筑混凝土结构技术规程》分析该高层建筑物的安全程度。

5 结语

北斗全球卫星导航系统是中国国土安全和经济安全的关键基础设施，也是实现长期持续发展的战略选择。实现北斗全球卫星导航系统实时监测高层建筑物形变，对维护国民建设的公共安全，提高我国北斗卫星导航系统的综合应用，以及促进高精度数据处理软件的国产化研究水平有着重要的意义。

本课题立足高层建筑监测的现状，旨于更好地发展我国的卫星应用产业，探索北斗导航位置服务新的经济增长点，在产业应用多个方向都具有十分广阔的发展前景。

基金项目：

河北省地理信息局2016年科研课题