GPS 在建筑物变形监测中应用的探讨

程卫东

(天津市市政工程设计研究院测绘分院，天津300201)

0 引言

变形监测就是利用专用的仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测、对变形体变形性态进行分析和变形体变形的发展态势进行预测等的各项工作。随着城市的发展和人均用地的减少,高层建筑和其他地下工程越来越多。在这些工程的施工过程和建成都会对周围建筑物的稳定造成一定的影响，当变形超过一定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时可能危及建筑物与人民生命财产的安全。因此人们经常需要对一些建筑物进行变形监测。

建筑物的变形观测主要包括沉降观测、倾斜观测。传统的变形观测是针对不同性质的变形量分别量测。而近年来迅速发展的GPS测量技术具有高精度的三维定位能力,为各种工程变形的监测提供了有效的手段。但在精密变形监测中还少有应用,尚处于理论研究和实践之中。

1 传统测量方法及其影响因素

1.1 沉降观测

沉降观测属于垂直位移的观测。其方法是首先按现场地形、地质条件和对变形观测的精度要求，合理布设变形控制网点。在建筑物附近比较稳固的位置埋设工作基点，直接用以测定建筑物上的观测点的位移，尽可能在变形影响范围以外的稳固位置埋设基准点(也称为检查点)，用以检核工作基点本身的稳固性。工作基点与基准点一般都组成一定的网形，用精密水准测量的方法来施测和检验。高程变化值的测定通常采用精密水准方法进行测量。

1.2 倾斜观测

观测建筑物主体的倾斜变形，应测定建筑物顶部观测点相对于底部观测点的偏移值，再根据建筑物的高度，计算建筑物主体的倾斜度。如图1所示，假设M、N两点处于同一竖直线上，若建筑物发生倾斜，则N点相对于M点产生位移ΔB至N′点，则建筑物的倾斜度为，式中H为M点相对于N点的高程。

1.3 传统方法所使用的光学测量仪器受外界影响

1.3.1 温度变化的影响

传统的变形测量方法大都是用光学测量仪器进行的(如沉降观测使用的精密水准仪),温度变化对光学传感有着极大的影响。

1.3.2 大气垂直折光的影响

这种情况主要集中在沉降观测中。由于大气垂直折光的影响,会引起视线弯曲从而使读数产生一定的误差。

1.3.3 仪器和水准标尺垂直位移的影响

仪器及水准标尺的垂直沉降,是精密水准测量(沉降测量)中系统误差的重要来源之一。

1.3.4 其它因素影响

由于公共场所情况复杂,本应固定的导线或者水准路线，甚至监测点常常遭到破坏。这将导致每次的观测精度会有所变化,无法达到客观真实地反映建筑物的水平位移或者竖向位移情况。其变形趋势往往得不到真实的反映。

2 GPS的优点与误差来源

近年来,GPS不论是在硬件方面还是在软件方面都有长足的发展。实践证明,在降低成本、缩短工作时间，以及设计的灵活性等方面,GPS技术较常规技术有不少优越之处。

(1)GPS具有很高的定位精度。经过国内外大量试验表明,GPS卫星定位计算的内符合与外符合精度均能达到±(5mm+1ppm)。

(2)GPS自动化程度高,观测时间短。用GPS作静态相对定位(边长小于15 km)时,采集数据的时间可缩短到1h左右。

(3)GPS可以进行全天候观测。这一特点,保证了变形监测的连续性和自动化。

(4)GPS测量的误差来源于GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。若根据误差的性质,上述误差可分为系统误差和偶然误差两类。偶然误差主要包括信号的多路径效应及观测误差等;系统误差主要包括卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差，以及大气折射误差等。系统误差远大于偶然误差,它是GPS测量的主要误差源。

3 工程应用

实例是采用GPS定位技术对某建筑物进行监测。

3.1 GPS变形监测网的布设

如图2所示,A,B,C,D为建筑物沉降影响区外的监测基准点;1～6号点为变形监测点，设置在建筑物顶部。

3.2 作业实验

采用4台Trimble 5700型GPS接收机进行观测。同时使用全站仪配合监测网点架设棱镜头测量平面位移量,用Ⅱ等几何水准测量垂直位移量。GPS接收机天线采用强制对中设站,每一观测站使用固定接收机观测。用GPS接收机随机所带的平差软件TGOffice进行基线解算、网平差。以B,D 2点的坐标为起算数据。

3.3 GPS监测网基准点稳定性分析

用基线解算软件分别对三期观测数据进行综合处理,得到基准点坐标与首次值之差及其精度见表1所列。

表1 GPS监测网基准点稳定性数据汇总表(单位：mm)

从表1可以看出,C,B,A 3个基准点的N,E方向坐标中误差均小于±0.8mm。基准点相对稳定,可作为监测的基准。

3.4 GPS监测网点的平面位移及精度分析

在GPS测量的同时进行了全站仪观测，可以将GPS测量与传统方法测量测出的平面位移量进行比较。表2列出了GPS平面坐标变形量与全站仪观测平面坐标变形量比较差值。

表2中数据为△=△GPS-△全站仪。△N最大值为1.7mm,最小值为0.4mm,平均值为1.12mm。△E最大值为1.5mm,最小值为0.5mm,平均值为1.04mm。若假设△全站仪无误差,则GPS测得的平面坐标变形量的中误差为:

如果考虑全站仪测量误差影响，实测计算出监测点平均点位中误差为±1.22mm，可以算得GPS测得的平面坐标变形量中误差为±1.02mm。

3.5 GPS监测网点的垂直位移及精度分析

由于监测网点的同时也进行了水准测量,沉降观测点设置在建筑物底部对应于顶部监测点的位置，所以可以将GPS测得的大地高高差和正常高高差进行比较。表3列出了GPS大地高变形量△GPS与水准测量变形量△水准的比较差值。

表2 GPS平面坐标变形量与全站仪观测平面坐标变形量比较表(单位：mm)

表3 GPS大地高变形量与水准测量变形量比较表(单位：mm)

表3中数据为△=△GPS-△水准。△最大值为5.2mm,最小值为0.4mm,平均值为2.28mm。若假设△水准无误差,则GPS测得的高程变形量的中误差为:

若顾及水准测量误差影响,由实际测量结果计算出来的水准测量垂直位移量的中误差为±0.71mm,可以算得大地高测量垂直变形量中误差为±2.59mm,所以大地高的测量中误差为:

mH即体现了GPS变形监测大地高的符合精度。

4 结语

目前GPS测量虽然还未达到建筑物沉降观测所用的二等水准测量精度,但在平面的定位精度已经超越传统测量仪器一个量级,足可以替代传统测量手段进行水平位移的监测。随着GPS信息开放程度、卫星定位精度，以及软、硬件技术的不断提高,GPS在绝对定位精度上会有数量级的跳越,这必将推动GPS技术在工程监测方面的全面应用。

[1]宋宜容，陈广峰.GPS应用于建筑物变形观测的探讨与展望[J].测绘通报，2008,(6):69-71.

[2]李基平.建筑物变形观测方法及实施[J].广西工学院学报,2007,(2),109-111.