关于GPS空间定位在高层建筑变形监测中的应用

李川宁，马霄鹏

（宁夏回族自治区地球物理地球化学勘查院，银川750001）

1 引言

高层建筑项目的数量和规模与日俱增，在对其变形进行监测的过程当中，需要加强对GPS技术的运用，该技术不仅可以在土地滑坡、风电场、航空摄影、超大堆积体储量计算、车辆导航、线路勘测定位等方面起到实际作用，在城市工程项目测量过程当中，特别是在变形测量工作开展的过程中，合理应用GPS技术能够获取相应科学精准的数据。GPS技术除了具有高、精、准、快、活的特点之外，还具有智能化特点，能够满足我国建筑工程项目施工质量和施工水平升级之需，切实保障建筑工程项目的顺利开展和实施。

2 GPS技术概述

目前，高层建筑已成为城市建筑当中的重要角色，针对其特点进行分析，项目需要加强变形监测工作，然而由于其本身结构相对复杂，这样就给工作人员开展变形监测工作造成了一定的困难，监测工作开展和实施的过程当中需要强化对高新技术的广泛应用。在某些方面逐步替代我国传统监测技术，就测量地基沉降而言，虽然可以通过等级水准、精密测角导线的几何方式进行测量，但常受通视条件、测量工作点遭到损毁、工作面内交叉作业、施工环境的局限性等因素的影响，工作效率和有效工作量大幅降低。针对当前高层建筑实际情况进行分析，变形监测工作相对复杂烦琐。在实际工作的过程当中，测量仪器操作人员的劳动强度偏大，应用传统方式难以切实保障自动化监测的理想目标得以实现。在高层建筑变形监测工作中大力推动GPS技术的使用，可以针对水平位移情况进行全面观测，可以获得误差小于2mm 的精确数据，若在高层建筑变形监测工作中结合其他新方法进行应用，可对于高层建筑的工期、成本、质量安全有效控制，具有重大实际应用价值。

GPS技术也被称为全球定位系统。对传统的测量方式进行分析，测量体系当中的控制部分起主导作用，其能否全过程应用，是否可以减轻外业工作负荷是广大技术人员的探索目的。GPS技术主要包括常规大地测量法以及物理学传感器的方法，其中，传感器法能够针对于局部变形情况进行测量，测量方位具有一定的局限性。对于大地测量方式来说，要实现大面积大范围的测控，可配合倾斜摄影测量、高分遥感等技术完成云数据采集信息后的处理工作。目前，GPS技术的平面定位能力较强，对测区控制效果明显，同时，具有较高精确度，可以全天候测量以及不受视线限制，得到了极为广泛的运用，但针对高程测量还需进行水准面精化，异常改正后的大地测量法可应用在工程测量当中，就其改正方法和适用条件而言，需具体情况具体分析。GPS技术和传统建筑变形测量技术相比具有显著优势。首先，GPS技术操作较为便捷，不需要大量人力进行操作；其次，测量时间较短，可以几个观测点在同一时间进行测量，能够显著缩减测量的时间，实现全目标方位覆盖，同时，可跨越线路障碍、降低作业施工风险、节省成本；最后，测量的过程当中，不会受外界环境及天气状况的影响和限制，保障了测量工作顺利开展实施。当前，在国土资源调查、时空建模、数字框架建立、智能化运行当中GPS技术得到了广泛的应用。

3 GPS技术的监测模式

3.1 周期性监测模式

在变形监测的过程当中应用GPS技术是一种效果较好的方式，若是需要采用GPS静态定位方法对建筑物进行测量，通常可以在固定观测点放置两台以上的GPS接收器，这样可以实时同步监测，工作人员采用这样的方式可以对于数据采集平面精度要求较高的地区进行监测，同时，有利于提高高程改正值的确定精度，值得推广和应用。

3.2 连续性监测模式

连续性监测模式主要就是相关作业人员采用监测仪器针对监控数据进行采集，这样可以充分了解高层建筑物的数据，监测的过程当中，监测数据往往都是连续不断的。在不同的时间段，分辨率要求也是相对比较高的，由于受到了连续性监测模式的影响，通过采用实时动态相对定位以及静态相对定位的方式针对高层建筑物开展变形监测工作，精度较高，误差小于1mm。

4 GPS技术在高层建筑变形监测中的应用

4.1 自动化水平高

应用GPS技术对高层建筑进行监测仅需要一名作业人员，在测量作业站当中安装天线，连接电源，启动接收机就可以开始工作。变形监测工作完成之后，相关的工作人员要关闭电源，并且回收接收机即可，同时，可以快速针对于变形监测的数据进行科学有效地采集、储存处理，为快速生成图形创造条件。参见案例一、三。

4.2 误差传播可控性高，精度要求满意度高（同等级别）

根据建筑物的基坑等级和主体总高，针对当前高层建筑轴线距离以及接收机距离间隔进行分析，若距离小于15km，精度可以达到毫米级别。5km 布设四点联测楼体基准线端点，逐层观测、解算、校正。据双频机的标称精度进行选择，基线向量最高可控制到3-5×ppm 内，针对于变形监测工作人员而言，可以采取科学合理的观测方法以及运用相关数据处理软件，这样可以促使变形监测数据精度达到2mm 级别，切实保障监测的有效性和监测的精度。参见案例二、三。

4.3 观测系统（采集）复位迅速，监测系统（后处理）修复功能强大

针对高层建筑开展变形监测工作的过程当中，通过采用GPS技术能够有效地控制误差，相关的作业人员在实际测量过程当中，应当切实保障天线始终处于稳定的状态，在这样的情况下接收器接收数据的误差极小，对于大面积同精度观测，误差传播量级减缓且离散性分布趋于均匀化。参见案例三。

4.4 GPS测量步骤，施测效果对比表格，高层变形测量三维要素图

案例一，1：5万重力。因在大面积丘岭地区进行物探勘测（导线、水准测量）困难。首次应用GPS静态RTK 方法代替四等水准、经纬仪导线测量方式，采集物理工作点三维坐标。

案例二，农村土地确权。因云层掩盖和精度要求，确权调查放弃卫片使用。及时采取1：2000 航摄影，使用RTK 方法进行航片像控点外业测量，室内“空三加密”解算，完成正射影像（DOM）图。

案例三，万豪大厦。因基准线报废（扰动）、工作基点不通视（场地封闭）、垂准线洞口不可用（被堆载物遮盖），地上50m处停工。大胆设计、精心施测，应用GPS技术进行基线复位、基点上移、标高面精确传导，直到216m 处主体封顶，解决施工测量难题后，受到甲方认可和同行业肯定。

图1 GPS测量步骤

4.5 应用前景广

对某地区地质灾害已发生或未发生进行监测，数据具有时效性和预判性，相对宏观平面控制点、微观物理点在三维控制方面具有可控性和重复观测性特点，便于确立深远部探测的信息回馈路径，完善局部的动态变化监测的可追朔方式，定量分析，协助进行物理“靶点”的分布规律和性质的判定。在理论研究方面，准确定位布设精密测量，更方便对移动变化物体的数量和走势进行判断，为基础学科研究中偏离基础点、线、面的位移量的测量提供科学依据。积极倡导“三新”、应用“三S”，借助北斗超低延迟、机械远程把控功能，介入高分、遥感测绘平台，融合各种观测系统，进行设备通道兼容互换互联，依托制造业发展带动相关仪器装备更新换代，推进整装开发科研项目，提高地球资源利用率，实现并完成：一张图、一张网、全覆盖的愿景。伴随“5G”时代的到来，科学技术在人类命运共同体的大环境中高速发展，GPS测量是实现生产力解放并建立共享机制的手段之一，起到重要的纽带作用。

表1 工程项目施测计划与方法变更投入产出对比表（实例）

图2 宁夏固原地区1:5万重力调查测区控制网布置图

图3 宁夏耕地分布图

图4 GPS定位-万豪大厦

GPS技术的应用精度较高，误差极小，在全球范围内GPS技术得到了极为广泛的运用。在高层建筑变形监测工作的过程当中，利用GPS技术能够促使变形监测工作强度降低，缩短监测时间，使优化技术方案和改善技术线路得以实现，同时，提高了监测的水平和效率。

5 结语

综上所述，随着我国斗卫星系统发射数量增加、组网精度提升，以及当前建筑工程项目的使用功能日益加强，城市化进程日益加快，城市高层建筑数量与日俱增。为了切实保障高层建筑的整体质量水平，技术人员需要强化对变形监测工作的创新性研究，充分应用GPS技术是时代的发展趋势，工作过程当中应取长补短，保留原创性理论，运用GPS技术具有显著的优势（传统的测量工具不仅适应度偏低，而且工作效率较为低下，同时，应用成本较高），在拓展测量模型兼容性、碎片化信息数据处理、测量观测系统的维护和修复、现状产生过程的反演，以及事物发展机理的预判和决策、结论成果的验证复核、全过程“长观”监测方案设计优化等方面工作的开展过程中，实现资源综合利用、共享测绘成果，为一张网、一张图的数据信息积累和二次开发利用进行持续探索，应用专业技术人员的智慧服务于社会，GPS技术的应用值得深入实践和理论研究。