GPS在变形监测中的应用与研究

杨鲁强，赵庆志

(1．中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222;2．中国矿业大学(徐州)，江苏徐州221008)

一、引 言

变形监测是指监测工程建筑物或构筑物的地基沉降位移以及整体的倾斜等变形状况，其关键在于捕捉变形敏感部位和各观测周期间的变形观测点的变形信息。当变形在一定的限度之内，可以认为是正常的情况;如果超过了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时会危及建筑物的安全，给人们带来灾难性的危害。变形观测的精度要求取决于该工程建筑物预计的允许变形值的大小和进行观测的目的，通常精度要求在亚毫米级至毫米级。

二、变形监测方法与意义

常规的监测技术是应用水准测量的方法进行沉降监测，应用三角测量(或角度交会)的方法监测地基的位移和整体的倾斜。主要是采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值，其优点是：能够提供变形体整体的变形状态;适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境;可以提供绝对变形信息。缺点是：观测时间长，外业工作量大，布点受地形条件影响;不易实现自动化监测。在有些地方由于受到地形和外界条件等限制，其工作效率和精度往往受到很大的影响。利用GPS技术，可实现数据采集、数据处理以及变形分析的自动化。

由于GPS卫星星历是根据WGS-84坐标系建立的，因此GPS不论是单点定位的坐标，还是相对定位中解算的基线向量都属于WGS-84大地坐标系。在变形监测中我们关心的是变形监测点的三维坐标的变化量，只要求监测点的相对位移量，对监测点的绝对位置坐标并没有过高的要求，所以在GPS水准测量后得到的测点大地高不需要进行坐标系的转换(难以获得足够精确的高程异常值，将大地高转换成正常高)，直接用大地高进行比较就可以得到监测点的位移量，从而减小了坐标系转换带来的误差和计算工作。

现实世界中许多灾害的发生与变形有着极为密切的联系，例如地震、溃坝、滑坡以及桥梁的垮塌等，都是典型的变形破坏现象。因此，变形监测研究在国内外受到了广泛的重视。随着各种大型建筑的大量涌现以及滑坡等地质灾害的频繁发生，变形监测研究的重要性更加突出，推动着变形监测理论和技术方法的迅速发展。目前，变形监测正向多门学科交叉联合的边缘学科方向发展，成为相关学科的研究人员合作研究的领域。已有的研究工作涉及地壳形变、滑坡、大坝、桥梁、隧道、高层建筑、结构工程及矿区地面变形等[2]。

GPS因其快速、准确、实时的观测特点，可以实时地对地震，大坝、桥梁等大型建(构)筑物进行变形监测，预防灾害的发生，对一个国家的经济建设和人民生命财产安全都有着重要的积极的意义。

三、GPS在变形监测中的应用实例

1．实例介绍

本实例采用美国洛杉矶周边变形监测站2004年到2006年40个监测站共15天的观测数据，首先利用GAMIT软件求解基线向量，再利用GLOBK平差求出监测站的观测坐标，以此来求出监测站形变量。

监测区内共有监测站点40个，具体情况如表1所示。

2．监测点空间分布

为了更加直观地表现出观测点的空间分布情况，根据各观测文件，应用控制网优化设计与平差软件做出监测点位置图(如图1所示)。

表1 测区内的监测点

图1 监测点的相对位置

四、形变量与变形规律

1．解算形变量

将40个监测站点从2004年到2006年共15天的观测数据所解得的高程值分别与起始高程值做差，得到各个监测点的高程变化值。根据以上数据可以发现监测区域的变形情况基本一致。为了便于分析，在整个测区范围内根据监测点的疏密情况选择3组观测点，每组3个监测站点。3个监测站基本构成等边三角形。这3组监测站点分别是：

1) 第1组：PSDM，HOL3，CHIL;

2) 第2 组：LONG，HOLP，JPLM;

3) 第3 组：BRAN，CRHS，UCLP。

3组监测点的高程变形如图2～图4所示。

图2 PSDM、HOL3、CHIL测站高程变化图

图3 LONG、HOLP、JPLM测站高程变化图

图4 BRAN、CRHS、UCLP测站高程变化图

由以上3组图可以看出，变形监测区域内各处的变形趋势一致，在变形值上只存在很小的差别。

2．变形区的形变规律

1)依据监测站的位置分布图，在测区中央由南北方向，尽量选取一条直线上的7个测站，用这7个测站的观测数据来分析监测区域中沿南北走向的变形规律。选择测站是：DVPB，CHIL，JPLM ，VDCY，LEEP ，FXHS ，UCLP。

所选的7个测站相对于起始高程的变形值如表2所示。

表2 高程变形值 mm

由图5可以看出，在变形监测区域内，沿南北走向变形基本一致。

图5 测区南北方向高程变化趋势图

2)在南北方向选择测站连线的垂直方向上，选取两组点进行东西变形趋势分析：

1) 第 1 组：CRHS，LASC，FXHS，WMAP;

2) 第2 组：LONG，CHIL，SPMS，VNPS。

第1组监测点的高程变形情况如表6，图6所示。

表6 高程变形值 mm

图6 测区东西方向高程变化趋势图

第2组监测点的高程变形情况如表7，图7所示。

表7 高程变形值mm

由第一组、第二组的图表分析可知，在变形监测区域内，沿南北走向变形基本一致，沿东西走向由东到西变形有逐渐微小的增加。

图7 测区东西方向高程变化趋势图

3．软件自动生成的变形图实例

图8、图9分别为2005年BGIS和WMAP测站的变形图。

图8 BGIS测站变形图

图9 WMAP测站变形图

4．结 论

1)在2005年第341天到2006年第11天的35天里，观测点的高程上升了192±3 mm;

2)在2006年第11天到2006年第46天的35天里，观测点的高程下降了135±3 mm。由此可以得出，观测点在2006年1、2月里上升到了极大值，具体日期和数值因监测不是连续观测而不能求出。

3)在2006年第46天到2006年第81天的35天里，观测点继续下沉，下沉量为133±3mm。由此可以得出在观测点上升到极值以后均匀地下沉，平均下沉速率为134±3 mm/35天。

4)在2006年第81天到2006年第116天的35天时间里，观测点高程比上次观测上升了58±3mm，由此可以得出观测点在2006年3、4月里下沉到了极小值，具体日期和数值因监测不是连续观测而不能求出。

5)在2006年第116天到2006年第151天的35天里，观测点同比上次观测上升了60±3mm。

五、结束语

由观测资料得出，观测区域受地质等各种因素影响，以不等的速率上升和下沉。可见，把GPS技术应用于变形监测方面是非常可行的。

另一方面，GPS虽然成功地应用于变形监测，但在一些特殊环境中因为GPS信号问题和多路径效应的影响，使得GPS所测精度不高甚至不能观测，这就需要跟其他测量技术联合。最后应该注意的是，在GPS变形监测中，水平方向的移动精度要高于垂直方向的移动精度。

[1]罗兵香，张永．GPS变形监测网数据处理问题探讨[J]．株洲工学院学报，2006，20(4)：32-34．

[2]李峰．GPS技术在变形监测中的应用[J]．建筑经济，2007(S2)：62-65．