基于GNSS-RTK的建（构）筑物变形监测研究——以闽江学院为例

文思远 王俊杰

闽江学院测绘工程系 福建 福州 350108

1 引言

随着我国城镇化进程不断加快，各类建（构）筑物日益增多，开展针对性的变形监测已成为建筑工程防灾减灾的重要工程问题。相比于水准测量[1]、全站仪测量[2]、GNSS静态测量[3,4]等传统变形监测手段，GNSS实时动态载波相位差分（Real-Time Kinematic，RTK）技术具有测量效率高、操作简便、作业限制少、自动化程度高等优势[5]。文献[6]基于连续运行参考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）系统，分析了RTK重复位移测量的精度，指出CORS-RTK测量方式可用于厘米级精度要求的实时变形监测领域。文献[7]探讨了RTK在变形监测领域的应用条件，验证了RTK技术可用于允许变形较大的工程项目的变形监测。然而，目前应用GNSS-RTK技术进行建（构）筑物变形监测的研究较少，有待进一步测试。

自习近平总书记于2021年3月25日到闽江学院考察调研以来，学校进入基础设施快速建设的新阶段，但校园部分早期建（构）筑物表面已出现不同程度的裂缝，个别墙体和道路裂缝最宽处甚至超过1 cm，如图1所示。同时，新上马工程可能引起周边建（构）筑物沉降情况的进一步恶化，产生较大的安全隐患，故须对相关重点区域进行定期监测。本文以闽江学院为例，基于GNSS-RTK技术设计变形监测方案，测试该技术用于建（构）筑物变形监测的可行性。

图1 （a）音乐学院旁墙壁外墙裂缝 （b）福万楼北侧道路裂缝

2 RTK测量基本原理

RTK系统由基准站、流动站和通讯链路构成，其经典作业模式是由1个基准站和1个流动站组成的“1+1”模式，基本原理是在基准站上安置1台GNSS接收机，对所有可见的GNSS卫星进行连续观测，而流动站上的GNSS接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电接收设备获取基准站实时发送的观测数据，并进一步利用相对定位算法解算出两站间的基线向量，实时输出三维坐标和精度。RTK系统正常工作必须具备两个条件：第一，基准站和流动站需同步观测5颗以上的GNSS卫星，其中至少4颗卫星要连续跟踪，一旦发生信号失锁，需重新初始化；第二，基准站和流动站间的距离不能超过20 km，而基于CORS系统的网络RTK技术可突破这一限制[8,9]。

由于GNSS直接定位的结果并不处于地方坐标系下，通常需通过坐标系转换将GNSS定位结果转换到当地坐标系下，该步骤在具体的RTK测量实践中称为工地校正，要求已知地方坐标系下至少1点坐标。按采用的已知点数目分，常见的工地校正方法有单点校正、两点校正、三点校正和四点校正，而采用3个以上的已知点可实现坐标系转换的7参数模型，在实际应用中较为可靠。最后，在解决整周模糊度固定、通讯数据链路稳定性等问题之后，RTK的平面定位精度可达到厘米级甚至毫米级，高程定位精度可达到厘米级[10,11]。

3 变形监测方案

首先建立变形监测独立坐标系，在校园西南角土质稳定且视野开阔的区域，设置变形监测控制点，分布如图2中红色三角形所示。以闭合导线连接各控制点，采用TOPCON GM-52全站仪和苏一光DSZ2水准仪，按二级导线和四等水准精度要求实施观测，进而根据给定的独立起算数据，计算确定各控制点的三维坐标。图2同时给出了21个监测点的分布，涵盖建筑工地周边及地裂缝显著等区域。

图2 闽江学院变形监测的控制点与监测点分布

采用两台Trimble SPS986 GNSS接收机，启用GPS、GLONASS和北斗三大系统，通过接收机内置电台组建“1+1”的RTK测量模式，其中基准站置于广成楼楼顶，截止高度角为15°，而流动站截止高度角为10°，点位精度因子限制为6，开启惯性测量单位倾斜改正和自动限差功能，取至少3个控制点实施工地校正后，再依次测量各监测点的三维坐标，测量历元数为2，并记录其固定解。自2021年10月16日起，按上述作业方式对所有监测点开展了为期2个月的定期观测，共采集得15期的监测结果。

4 监测结果分析

作为RTK测量的关键步骤，工地校正直接关乎各期监测点的坐标基准是否统一。表1统计了各期RTK工地校正的控制点选取情况，以及比例系数、最大水平和垂直残差等结果。其中，第1、3期仅采用3个控制点，不产生垂直残差。从表中可以看出，历次工地校正的比例系数均处于1.0001～1.0004之间，且在增加控制点数量和更改控制点组合后，最大水平和垂直残差在数值上仍表现出一定的随机性而未见改善；同时，即便固定控制点组合，如第5、7、8期及第13、14期等，工地校正的水平和垂直残差也表现出较大的偶然性。需要指出的是，第13期的垂直残差达到-3.8 cm，超出2 cm的残差限差[12]，故后续分析中将舍弃该期观测结果。换言之，对于满足限差要求的各期观测结果，可以统一视为等精度观测。

表1 各期RTK工地校正结果

通过工地校正，RTK测得的监测点坐标即处于所建立的变形监测坐标系中，本文重点关注各点竖直方向的高程变化。以点G02为例，图3给出了其高程随时间的变化情况，以及经抗差拟合得到的趋势线。从图中可以看出，整体上点G02在监测周期内表现出下沉趋势，但各期的高程散点较为离散地分布在趋势线两边，标准差达7.93 cm，可见RTK测得的监测点高程含有较大误差，可能与各点周边的树木遮挡有关（图2）。此外，趋势线两端的高差也达到约11 cm，相对于2个月的监测周期而言，数值上也有偏大之嫌。

图3 监测点G02高程随时间的变化

进一步估计各监测点的沉降速率，结果如图4所示，其中速率为正表示抬升，速率为负表示下沉。从图中可以看出，除点G13和G14表现出抬升趋势外，其余监测点均有不同程度的下沉；近80%的监测点沉降速率超过1 mm/d，点G09的下沉速率甚至超过5 mm/d，数值上显然已脱离实际；而在沉降速率的相对大小方面，点G10 ～ G12的下沉速率较大，可能与该处建筑施工有关；点G09具有最大下沉速率，其附近地表裂缝也远大于其他监测点，可能与该点靠近河边、土质松软有关，且可能已波及到点G06 ～ G08。总之，基于GNSS-RTK技术估计的测站沉降速率在数值上并不可靠，但能在一定程度上反映出建（构）筑物的沉降趋势，且其数值大小在区分沉降程度时也起到一定的指示作用。

图4 各监测点的高程变化速率

5 结语

本文针对应用GNSS-RTK技术进行建（构）筑物变形监测的可行性问题，以闽江学院为例，基于自主搭建的“1+1”RTK测量模式，开展了为期2个月的定期监测。限于RTK本身厘米级的标称精度，以及校园实地较为茂密的树木遮挡，各监测点的高程测定误差较大，估计所得的沉降速率不够准确，但几乎所有监测点都表现出下沉趋势，且监测点沉降速率的相对大小均与实地情况有良好对应。因此，GNSS-RTK技术尽管在定量分析方面不能提供准确的变形监测信息，但在定性分析方面仍有一定参考价值，适用于潜在形变区域的短期快速监测。同时，笔者建议学校有关部门开展全面、系统的校园建（构）筑物变形监测，尽早排除安全隐患。