GPS测量及其变形监测分析

张 辉

（安徽省核工业勘查技术总院，安徽 芜湖 241002）

1 GPS在变形监测中的应用研究背景概述

当今社会发展越来越快，生产也正以飞速的形式发展，与此同时出现了各类大型的工程建筑，普通人们的生活水平也跟着不断提高，这就意味着人们对生产安全以及生产效率方面的要求自然而然就会有所提高，从而变形监测这一工作就变得具有很大的影响力[1]。就传统测量方式来说，一方面它的工作量极其大，另一方面所测精度也不容易满足要求，GPS测量是一种崭新的当代空间定位技术，它的这一优势使得在实际工作中作用远远大于传统的测量仪器[2]。应用GPS测量时，各测站点间不必要求通视、定位精度高，全天候作业、给出三维坐标、观测时间不长，能够测量到广泛的领域，已作为当代的主要测量手段，从而GPS技术在变形监测中占有了举足轻重的地位。

2 GPS技术在变形监测中的应用

2.1 变形监测网的设计步骤

①监测点的布设：需要遵循必要、适量、最能反映变形体的变形和方便观测的原则。②平面控制网在布设过程中应该注意以下几点：首先应该根据变形监测对象的不同特征布设与其特点对应且匹配的控制网。比如大型建筑物，首选应当安排三角网和边角网的布网形式；而就小型建筑物而言，就应该选用监测基线或单点形式布网控制[3]。

2.2 控制网的建立

所谓的GPS控制网就是指利用全球定位系统卫星定位的技术建立起来。这样建立起来的控制网有着不一般的特点，如下：①GPS控制网的建立所采用的方法正是相对定位的方法，顾名思义，按照相对定位的原理来说就是需要多台接收机实行同步观测，然后利用载波相位测量来定出所选测站点间的相对位置；②测站间无须通视，我们可以灵活的来选择需要的一些测站点；③使用GPS工作时，在一天24小时内都可以正常工作，也不管是刮风还是下雨，都不会阻碍到观测的进行，自然也就不会打乱已有的安排，一切按规定好的计划顺利进行；④采用GPSG观测时，不用持续很长时间，观测时间短，同样可以得到比较好的观测结果；⑤实际工作中，我们用GPS接收机来工作时，不需要人员来记录数据，它可以自动的把观测数据记录下来，省时省力，自动化程度颇高。

至今为止我们一般都将GPS控制网划分为两大类：其中一类是比较高精度的控制网，它涉及的范围比较大，一般来说的话都是国家或者是区域性的。这一类GPS控制网主要是用来作为最高级最为参考性的控制网，服务于一些科学方面的研究；还可以是用来研究地区性的一些板块运动问题等。还有一类就是所涉及的范围小一点的GPS控制网，我们称之为局部性的GPS控制网，比如一些城市啊，或者矿区之类的控制网，然而，这类控制网与第一类控制网不同，在这类控制网中，我们所选的测站点之间的距离没有像第一种那么远，一般几公里或者数十公里就够了，此类控制网主要用来服务于城市建设方面[4]。

一个完整的GPS控制网的建立有外业和内业两部分。外业工作时，首先去野外踏勘选点、埋石建标，之后是在所选的站点上进行实际观测工作；内业工作时，主要是一些GPS网的设计方面的问题以及数据处理，最后写总结报告。

2.3 GPS控制网的技术设计

在设计GPS控制网时，应该首先想到的是所涉及的该控制网的能够满足的大概应用的范围，采用分级布网的方案。对于一个GPS网来说，它本身是具有可靠性的，因此我们在实际工作中应尽可能地提高可靠性，为此我们可以将每一级的GPS网都弄成是由独立基线边所组合而成的闭合网，包括一些三角形网，四边形网，或者是多边形网，甚至也允许是附和路线的存在，但是，GPS网中不允许存在支线[5]。

3 GPS变形监测网的平差

3.1 GPS变形监测网的平差基准

在监测网的平差计算过程中，首先必须确定计算的起算数据，未知参数的平差值要求必须先确定而不是通过观测值算出，起算数据又称为平差基准。监测网可选基准有以下三种：①固定基准；②拟稳基准；③重心基准。首先，固定基准选用原则为：在远离形变区域的监测网内有稳定的基准点，则应选用这些稳定基点为平差基准，基准点坐标在平差前后数据保持不变。其次，监测网如果有较其他点稳定的基点，平差基准则应选用这些相对稳定基点的重心坐标，基准点的重心坐标在平差前后数据将保持不变。最后，如果监测网内没有稳定或点稳定性不明，无法确定选用基点时，将监测网内所有点做为待定点，将监测网内所有点的重心坐标平差后作为监测网基准。

3.2 监测网平差模型

静态平差为现如今GPS变形监测网平差方法采用最多的计算方法。GPS变形监测网静态模型原理：按照最小二乘原理进行平差计算，计算过程为：

变形监测过程红中，观测值的平差结果受平差方法及基准选取的影响，而平差结果又直接影响位移分析的结果。因此，基准的选择及平差方法的选取方式及准确性应格外注意，因为其是变形监测的重要指标。

3.3 GPS高程的原理与拟合模型

GPS测量中的高程异常的问题主要通过GPS高程系统解决。我国采用的是正常高系统，GPS测量过程可直接获得的数据为大地高。重力法与GPS水准仪法是当前我国解决高程异常中最常用的方法。GPS水准法在测量精度上较重力法高，但在山区及水准测量传递困难的地区重力发仍然是工作中首选。

变形监测过程中，主要监测手段是通过采集监测单元的高程数据变化，判断构筑物是否有沉降情况的发生，通过GPS观测获取高程数据大大提高了测量效率。但是由于采用GPS测定的高程是大地高，而我国高程系统采用的是相对于大地水准面的正常高。为了获得我们常用的正常高结果，需要采用GPS测高结合水准高程测量的方法进行GPS高程拟合，求取高程异常数据，进而获得正常高。

图1 高程系统之间的关系