基于CORS的南宁高层建筑自动化监测系统设计与实现

【摘要】为解决南宁城市建设中高层建筑物三维形变累积可能引发的安全隐患，基于CORS技术设计了一种高层建筑自动化监测系统平台，在对监测平台总体设计、关键数据处理技术、成果展示方式进行系统性研究的基础上，提出的CORS框架下的静态滤波解算处理方法实现了毫米级的监测精度，并以楼顶型CORS站点作为监测点进行了模拟监测，验证了系统的技术可行性和监测精度。该系统能够满足建筑物高精度变形监测要求，可为城市高层建筑自动化变形监测提供有效帮助。

【关键词】高层建筑;CORS;变形监测;自动化

【中图分类号】P204

【文献标识码】A

1 GNSS及CORS技术背景介绍

随着社会经济和城镇化建设的快速发展，一座座的摩天大楼如雨后春笋般拔地而起，逐渐成为城市经济繁荣标志性特征。世界高层建筑与都市人居学会在2018年公布的研究报告显示在2017年建成摩天大楼最多的城市中，南宁以7座超200m、总建成高度超过1600m的摩天大楼数据排在深圳之后，位居世界第二，而在建的天龙财富中心等项目，还在不断地刷新首府南宁的天际线。然而建筑物在施工建设与运营管理过程中，不可避免会受地下水结构、气温变化、材料折损、载荷、风振、日照等因素影响，发生水平位移、垂直升降等形变，特别是高层、超高层建筑，因基础深、力矩大等特性，更容易产生并累积三维形变，从而引发建筑物倾斜、垮塌等重大安全事故，给人们的生命财产安全带来严重后果。因此，对高层建筑实施全生命周期自动化监测具有十分重要的意义。全方位了解建筑物三维形变状况不仅可以快速发现建筑安全隐患，及早采取人工干预措施，切实保障高层建筑的使用安全，而且还有助于深入了解建筑物变形诱因、变形机制及发展规律，检验和发展建筑设计相关理论、方法，并为之后的反馈设计和方案优化提供详实科学的数据依据。

CNSS技术的出现与日益发展，以其全天候、高精度、自动化特点，已经成为变形监测领域最先进、最重要的技术方法。再加上GNSS接收机等硬件设备的更新换代和成本持续下降，CNSS技术应用性价比也越来越高。特别是连续运行参考站（ CORS）的建设和普及，使得GNSS定位服务方式从以前慢速、事后发展到快速、实时，精度从厘米级、分米级发展到毫米级。CNSS技术逐渐成为高精度变形监测的首选方式。南宁CORS自2008年开始建设，经过多年的持续建设，现在已经形成了包含34座基准站，实现南宁市全域覆盖服务的测绘基准体系，为全市提供权威、统一的坐标框架，满足各行业各部门不同精度的测绘地理信息应用需求。南宁CORS系统高精度、高可靠性的实时空间定位服务可为城市高层建筑沉降、倾斜等变形监测提供自动化、智能化解决方案。

2 系统总体设计

高层建筑自动化监测系统由GNSS位移监测站设备以及位移监测云平台组成。其中GNSS设备负责监测点数据采集，位移监测云平台负责监测设备控制、数据处理、以及信息发布。平台总体架构如图1所示：

2 技术路线

2.1 数据采集

研制集CNSS、天线、太阳能供电系统、无线网络通讯、防雷装置、含蓄电池及充放电控制器的防雨机箱、观测墩于一体的位移监测站（见图2），具备便捷安装、无人值守、全天候观测特点。利用CNSS收发，4G通信传输、嵌入式模块控制等技术，可在云服务器端实现对监测设备的参数设置、仪器控制以及高精度数据处理，进而实现监测点厘米级、毫米级实时监测。

2.2 数据处理

基于CORS网的高层建筑形变监测数据处理方法需综合考虑项目精度、成本等多种因素进行选择。可以采取连续运行基准站与监测目标联测，以组网解算的方式获取监测点毫米级精度三维坐标，该方法特点是针对较大区域形变监测，但对观测设备性能要求高。本文选取基于南宁CORS框架下的静态滤波解算处理方法，优点是处理速度快、对数据采集设备要求不高，监测精度能达到亚厘米甚至是毫米级别。数据处理流程如下：GNSS静态數据经数据传输和格式转换后，进入基线解算处理模块，经实时周跳处理、接收机天线相位中心改正、Kalman滤波参数估计、系统变形参数的自动探测与提取后，输出最终变形监测成果。

2.2.1实时周跳处理。周跳是载波相位测量中因卫星信号的失锁而导致的整周计数的跳变。周跳的产生破坏了高精度载波观测值平缓变化的规律性，而一周的周跳在载波上将产生约0.2米的系统性粗差。因此，正确地探测并恢复周跳，是实现高精度实时变形监测的关键问题之一。本系统采用TECR+MW方法。利用电离层变化率和宽巷组合进行实时周跳探测。具体公式如下：

2.2.2相位中心改正。接收机天线相位中心的偏差主要包括两部分，一是天线相位中心偏差PCO;二是与信号高度角、方位角、信号强度相关的天线相位中心变化PCV。根据IGS的分析，忽略接收机相位中心改正将会造成毫米级甚至厘米级的定位偏差，且高程方向影响尤为显著。对于同一型号的接收机天线相位中心偏差可以通过差分予以消除，对于不同型号的接收机天线相位中心偏差，则需要使用数学模型进行改正。改正公式如下：

IGS发布的相位偏差改正文件（ICS_08.atx）中获取。

2.2.3 Kalman滤波参数估计。Kalman滤波一种线性最小方差估计，它引入了状态空间的概念，利用状态方程根据前一时刻的状态估计和当前时刻的观测值递推估计新的状态估值，可以实现从一组有限的，包含噪声的，对物体位置的观察序列预测出物体的位置的坐标及速度。对于动态监测数据而言，Kalman滤波参数估计是一种非常有效的数据处理方法。其公式如下：

状态更新：

2.2.4形变参数的自动探测与提取。高精度形变监测观测数据，经过Kalman滤波除噪、自动阀值分类以及基于假设检验方法的形变位移参数自动探测后，可提取出相应的位移形变特征信息。将其分解为与变形监测目标显著相关的位移变化、速度等运动状态参数信息，并作为最终的三维形变监测数据用于高层建筑形态分析、评价和预测。高层建筑变形监测系统的目标是实现对监测建筑物目标点位移、速度等时空运动状态相关参数的动态监测。为实现这一目标;需要以下四个过程：一是奇异值检验，采用基于Kalman滤波残差等外部信息进行粗差探测与剔除，尽可能的去除噪声影响，保留监测点运动状态信息;二是自适应分类，采用基于假设检验理论的数据分析方法，设计与高层变形特征相对应的检验量，判定某一历元是否发生形变;三是形变探测，当发现形变后，记录形变发生时刻以及形变量;四是参数估计，通过Kalman滤波算法将形变监测值转化为表征高层建筑物形态的时空运动状态参数，包括位移参数、速度参数等，实现最终变形监测结果的输出。

2.3 数据发布

位移监测云平台采取基于REST风格的Web服务发布技术实现监测成果数据发布，主要包括监测目标实时三维位移形变图、形变速率图、3D时序图、形变数据表等。

3 案例测试

本文选取南宁市CORS网中马山站2019年12月1日- 15日的观测数据进行了案例测试。马山站位于县自然资源局办公大楼楼顶，采用徕卡CRIO型GNSS接收机，AR25型扼流圈天线，可实时获取三星系统观测数据。经静态滤波处理后，监测结果如图3所示，数据成果表明监测期内站点坐标在东西方向（E）、南北方向（N）有Smm左右的位置偏移，而在高程方向（U）比较稳定，没有显著坐标变化。

4 结语

本文对基于CORS的高层建筑自动化变形监测平台总体设计、关键数据处理技术、成果展示方式进行了系统性研究，提出的CORS框架下的静态滤波解算处理方法实现了毫米级的监测精度，并在马山站案例测试中得到有效验证。随着GNSS技术的进一步发展，CORS基准站网将在更多城市得到推广应用，基于CORS网的变形监测系统将在高层建筑监测领域拥有更加广阔的应用前景。

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[作者简介]肖震（1987-），男，广西南宁人，中级工程师，从事GNSS数据处理以及CORS运维管理工作。