基于北斗地基增强系统的形变监测系统及应用

● 文 |航天恒星科技有限公司 侯倩

基于北斗地基增强系统的形变监测系统及应用

● 文 |航天恒星科技有限公司 侯倩

一、应用背景

形变是指在各种载荷作用下物体形状、大小及位置在时间域和空间域中的变化。变形体的变形在一定范围内被认为是允许的，如果超出允许值，则可能引发灾害。自然界的变形危害现象很普遍，如地震、滑坡、岩崩、地表沉陷、火山爆发、溃坝、尾矿库沉降、桥梁与建筑物的倒塌等。科学、准确、及时地分析和预报变形体的变形情况，对灾害发生的预防、灾害体的科学管理极为重要。

形变监测按照测量方法可分为地下观测技术、地面观测技术和空间观测技术。地下观测技术主要监测岩土内部变形及结构体的变形，以沉降仪、侧斜仪为代表。地面观测技术监测岩土、建筑表面位移，以全站仪为代表。空间观测技术包括GNSS测量技术、差分干涉测量（D-InSAR）技术以及机载激光雷达技术等。其中GNSS以其全天候、高精度、高效率、实时动态、可实现在线连续监测等优点，成为当今极为重要的监测手段之一。

与全站仪等传统测量仪器测量手段比，GNSS高精度测量方法测量点之间不需要通视，选点不受地形限制，可省略许多中间过渡点，且不必建标，从而可节省大量的人力物力；测量点的三维坐标可同时测定；测量不受天气条件限制，可进行全天候观测；在特定位置的监测点布设可以多点同步观测，测量、记录、计算全自动完成，确保了测量结果的客观性和可靠性；大范围内精度较高，在基线长度大于10km时，其相对精度可达到10-6～10-7，明显优于传统大地测量技术。

当前，我国北斗卫星导航系统已运行服务4年，将北斗应用于形变监测领域，与测斜仪、裂缝计、雨量计、渗压计等传统传感器融合，使零散的传统监测设备有机融合为一体，建设智能自动化立体监测系统，可以满足建筑形变监测、桥梁监测、大坝监测、矿区边坡监测、沉降监测（高铁、高速公路电力塔杆、建筑基坑、地表沉降）等多项国民经济生活中的需求。

二、系统设计

基于北斗地基增强系统的形变监测系统通过在监测区域设置若干监测点，采用北斗/GPS双系统高精度接收机采集GNSS数据，进行坐标的计算，生成各个点位的偏移量，通过与初始数据对比，计算形变位移的累积变化量，通过智能控制软件算法，自动将数据进行拟合，预测位移的发展趋势。系统具备自动报警功能，在形变超限时自动报警（见图1）。

系统综合多种类型传感器、通信技术、网络技术、遥感技术等现代技术手段，可以针对铁路、高速公路、桥梁、水电站、矿山、建筑物等多种类型基建设施，二级开发形成相应健康安全监测系统，围绕具备监测、处理、挖掘、预警等功能的形变监测平台，可以实现形变、沉降、地面塌陷等实时位移监测和形变分析，具备厘米至毫米级监测精度。

高精度形变监测功能是通过北斗地基增强系统的定位信号增强实现的。基于北斗地基增强系统的区域工程形变监测网设计模式可以归结为两种主要网络结构:直联模式和级联模式（见图2）。直接监测法的实质是利用北斗地基增强系统，取代常规监测现场布设的形变监测系统的基准网，利用单频或双频接收机终端布设在监测区域，监测点通过直接与地基增强系统基准站进行联测来实现形变监测。

直联设计模式要求地基增强系统的坐标精度要高于独立建立的变形监测基准站坐标，可以减少大量外业基准联测操作；但是当监测站离地基增强系统网络较远，则需要较长时间才能完成模糊度固定，一定程度上增加作业时间，降低工作效率。

级联设计模式与直联式监测方法的区别主要表现在形变监测系统所依据的基准网的建立上。该方法需在形变监测区域周边搭建基准站，新建基准站与周边已有的地基增强系统的基准站进行联测，其中，新建基准站构成形变监测系统的直接基准，周边北斗地基增强系统的基准站点所在网络形成监测系统的间接基准。

1. 桥梁形变监测系统

随着科学技术的进步以及交通运输的需求，许多大跨度桥梁应运而生，尤其是悬索桥、斜拉桥以其跨度大、造型优美，节省材料而备受人们的青睐，成为大跨度桥梁的首选。但随着跨度的增大（从几百米到3000米），加劲梁的高跨比越来越小(1/40～1/300)，安全系数也随之下降，实时掌握大型桥梁的运营状况和安全状态显得尤其重要。

为了监测桥梁整体的空间几何变化，必须分别对大桥主桥面、主塔、基础以及连续刚构桥桥面进行全面的监测，桥梁形变监测内容见表1。

表1 桥梁监测项目需求

2. 建筑形变监测系统

随着城市建设的迅猛发展，高层建筑越来越多。在工程建筑的建设中，从工程施工到竣工，以及建成后的运营期间都要不断地对工程建筑物进行监测，以便掌握工程建筑物形变的一般规律，及时发现问题、及时分析原因、采取措施，保证工程建筑物的安全。

高层建筑物的形变按其类型来区分，可分为静态形变和动态形变。静态形变通常指形变观测结果只表示在某一期间内形变值，动态形变是指在外力影响下产生形变，这两种形变是相互关联的。形变观测任务是周期性对观测点进行观测，求得同一观测周期内观测量变化。高层建筑形变需监测的项目内容、精度要求分析（见表2）。

表2 高层建筑形变监测项目需求

三、应用案例

1. 桥梁形变监测应用

航天恒星科技有限公司对北京市丰沙铁路转体斜拉桥开展了桥梁形变监测应用。该桥为56m+100m+70m+37m四跨连续子母塔单索面的预应力混凝土斜拉桥，主塔采用塔、梁、墩固结体系，索塔高度与中跨跨长之比为0.33，主梁主跨的跨高比为1/33；子塔采用塔、梁固结体系，索塔高度与中跨跨长之比为0.19。该桥跨越繁忙的丰沙铁路，是北京六环路全线最关键的控制性工程，其健康状态监测对于该路段的交通安全运行意义重大。

在北京丰沙桥进行的北斗高精度监测系统形变监测应用，距桥面5km处建设GNSS基准站作为系统的监测基准，在桥塔顶端、桥面1/2、1/4处分别设置GNSS监测点对桥体振动参数进行采集。基准站及各监测点的监测数据通过无线传输至数据处理中心对桥梁沉降、位移、振幅等参数进行实时解算，并利用解算结果对桥梁健康状态进行分析，若发现某参数超出阈值范围则按照既定策略通过短信、邮件向相关人员报警，若在无网络覆盖地区系统还可通过北斗短报文进行预警及简要报表发送。系统通过长时间稳定运行，精确测量出桥面的实时位移及桥塔、桥墩的缓慢周期性移动及沉降，采用时频分析方法获得了桥梁的震动频谱，测量结果与测斜仪、加速度计等传统传感器互检，振幅测量精度优于2cm，沉降测量优于2.5mm，取得了良好的应用效果（见图3）。

2. 建筑形变监测应用

航天恒星科技有限公司将建筑形变监测应用在哈尔滨某建筑高层（见图4）。以前期在哈尔滨建设的三个北斗基准点以及IGS站点数据作为形变监测基准，在楼体顶端及中部结构上设置若干GNSS监测点，对楼体开展了3年的连续监测，通过专用的建筑形变监测软件进行数据处理及分析，获得了楼体的形变监测数据及处理结果。

以24h观测数据为一组进行数据处理，将监测点数据、基准站数据联合解算得到被测建筑到毫米级沉降结果，同时为进一步提高监测精度及稳定性，将各监测点与北斗基准站及IGS站点组成监测网，进行联网平差。经过3年累积测试，楼体年沉降量小于4mm，符合建筑形变相关规定。

四、结束语

基于北斗高精度定位技术的形变监测系统可以对被测对象进行建模，根据被测对象的形变位移变化，综合其他健康数值，形成科学的健康变化模型，并可据此进行科学预警，有效降低因形变引起的生命财产安全损失，可广泛应用于桥梁健康监测、地铁路基沉降监测、地质滑坡监测、城市采空区沉降、建筑深基坑作业、高层建筑健康监测、电力塔杆倾斜监测等多个行业，具有广阔的市场前景。