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摘要：应用GPS定位技术对建筑物变形进行监测具有诸多优点，本文论证了其优越性，指出GPS为变形分析提供极为丰富的数据信息，充分体现了实时、连续、高效、自动化、动态监测的特点
关键词：GPS；变形监测；应用
Abstract: There are many advantages of GPS technology when be applied for building deformation monitoring. This paper demonstrates its superiority, pointes out that the GPS provides extremely rich data for deformation analysis, fully embodying the characteristics of real-time, continuous, efficient, automated, dynamic monitoring.Key words: GPS; deformation monitoring; application
中图分类号:P228.4文献标识码：A 文章编号：
GPS给导航定位及大地测量等学科带来了一场革命性的变革。它具有速度快、全天候、自动化程度高、测站间无需通视、可同时测定点的三维坐标等优点。随着ＧＰＳ技术飞速的发展，高精度和自动化的ＧＰＳ变形监测成为可能。目前，该技术已广泛应用于各种形式，如大坝、各类工程结构等的变形监测。
1 GPS技术应用于变形监测的优点
GPS在变形监测方面的应用前景越来越宽广，常规技术有不少优越之处。
（1）自动化程度高。用GPS接收机进行测量时，仅需一人将天线准确地安置在测站上，量测天线高，接通电源，启动接收机，仪器即自动开始工作。在结束测量时，只需关闭电源，收起接收机，便完成野外数据采集。
（2）定位精度高。短距离（15 km以内）精度可达毫米级，中、长距离（十几千米甚至几百千米)相对精度可达到10- 7~10-8。
现在大型建筑物、构筑物变形监测，在采用特殊的观测措施、精密星历和适当的数据处理模型和软件后，平面精度可达亚毫米级，高程精度可稳定在1mm左右。
（3）可以实现全天候的实时动态观测。实时动态（Real Time Kinematic，简称RTK)测量技术,，是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS(RTD GPS)测量技术。该技术可通过实时计算定位结果，便可监测基准站与用户站观测成果的质量和解算结果的收敛情况，从而可实时地判定解算结果是否成功。
（4）可消除或削弱系统误差的影响。在变形监测中，只要天线在监测过程中能保持固定不动，接收机天线的对中误差、整平误差、定向误差、量取天线高的误差等并不会影响变形监测的结果。
（5）可直接用大地高进行垂直变形测量。由于GPS定位系统测定的是大地高，而在垂直位移监测中我们关注的只是高程变化，因而完全可以在大地高系统中进行监测。
（6）应用前景广阔。由于GPS技术不仅具有以上优点，而且具有全球、无误差积累等优点。使观测工作效率大大提高，同时也节省了大量的人力和物力。
2 GPS变形监测模式
2.1 周期性监测模式
此种模式和传统的变形监测网没有太大的区别，主要用于变形相对较为缓慢的情况。监测频率可为数月、一年甚至数年之久。采用ＧＰＳ静态相对定位方法进行周期性监测，采取边连式构成监测网，数据的处理与分析一般是采用后处理软件进行的，数据处理技术已非常成熟，是最常用的监测模式。
2.2 连续性监测模式
连续性变形监测指的是采用固定监测仪器进行长时间的数据采集,，获得变形数据系列，此时监测数据是连续的，具有较高的时间分辨率。根据变形体的不同特征，GPS连续性监测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测，一般要求变形响应的实时性。其监测的主要目的在于获取变形信息及其特性，数据处理与分析可以在事后进行。系统的精度可按要求设定，目前最高监测精度可达到亚毫米级。
3 实时动态特征监测建筑物实例
建筑物实时动态特征的监测对其安全运营、维护及设计至关重要，尤其要实时或准实时监测建筑物受地震、台风和洪水等外界因素作用下的动态特征，如高层建筑物摆动的幅度和频率。
应用GPS动态定位模式对该大楼进行动态特征监测。研究其在风载、地脉动以及其他外界因素影响下的自振特性。外业观测时采用 Trimble 双频 GPS接收机，其中一台接收机设置在视野开阔且周边环境较好的地面点上，作为基准站；另一台接收机设置在距基准站约300m的固定点位上作为参考点；第三台接收机设置在大楼顶层开阔处，同样要求周围无干扰源。GPS1至GPS3的距离约190 m，如图1所示。
图1 实时动态变形监测
GPS动态观测时的接收机采样间隔设置为1s，卫星高度角限值为15°，按动态定位观测模式连续观测时间约为1h。
将时域内的观测数据序列通过傅立叶级数转换到频域内进行分析，采用频谱分析法可以对试验所获取的三维数据序列时程曲线分别进行处理，计算出相应的频谱特征。它有助于确定时间序列的准确周期并判别隐蔽性和复杂性的周期数据。将监测数据进行傅立叶变换后,所得结果进行作图分析。
图2 频谱曲线图
从图中可以看出，频谱曲线符合建筑物自振的基准频率变化范围。表明采用GPS监测建筑物的实时动态特征是可行的。
4 总结与展望
GPS用于变形监测具有精度高、不受气候条件及通视条件限制、高度自动化等优点。其在建筑物变形监测中的应用对弥补传统的变形监测方法的缺陷具有重要意义。本文通过实验验证了GPS在监测建筑动态特征方面应用的可行性。
而建筑物的实际变形比较复杂，GPS测量的外部环境一般也不是很理想。因此，从实际应用角度考虑需要做的工作还有很多。在监测点以及基准站的布设、接收机的选取、多路径误差的改正、接收机的抗干扰技术和数据处理软件等方面还应做更深入的研究。
参考文献：
[1]李征航 黄劲松．GPS 测量与数据处理[M]．武漢:武汉大学出版社.2010
[2] 独知行，靳奉祥，吴庆忠.高层建筑物整体形变的GPS监测[J].工程勘察，2002(4): 45~ 47
[3]罗志才，陈永奇，刘焱雄. GPS用于监测高层建筑物动态特征的模拟研究 [ J]. 武汉测绘科技大学学报, 2000 , 4( 2): 18~ 25
[4]黄声享，尹辉，蒋征. 变形监测数据处理 [M ]. 武汉: 武汉大学出版社, 2003
关键词：GPS；变形监测；应用
Abstract: There are many advantages of GPS technology when be applied for building deformation monitoring. This paper demonstrates its superiority, pointes out that the GPS provides extremely rich data for deformation analysis, fully embodying the characteristics of real-time, continuous, efficient, automated, dynamic monitoring.Key words: GPS; deformation monitoring; application
中图分类号:P228.4文献标识码：A 文章编号：
GPS给导航定位及大地测量等学科带来了一场革命性的变革。它具有速度快、全天候、自动化程度高、测站间无需通视、可同时测定点的三维坐标等优点。随着ＧＰＳ技术飞速的发展，高精度和自动化的ＧＰＳ变形监测成为可能。目前，该技术已广泛应用于各种形式，如大坝、各类工程结构等的变形监测。
1 GPS技术应用于变形监测的优点
GPS在变形监测方面的应用前景越来越宽广，常规技术有不少优越之处。
（1）自动化程度高。用GPS接收机进行测量时，仅需一人将天线准确地安置在测站上，量测天线高，接通电源，启动接收机，仪器即自动开始工作。在结束测量时，只需关闭电源，收起接收机，便完成野外数据采集。
（2）定位精度高。短距离（15 km以内）精度可达毫米级，中、长距离（十几千米甚至几百千米)相对精度可达到10- 7~10-8。
现在大型建筑物、构筑物变形监测，在采用特殊的观测措施、精密星历和适当的数据处理模型和软件后，平面精度可达亚毫米级，高程精度可稳定在1mm左右。
（3）可以实现全天候的实时动态观测。实时动态（Real Time Kinematic，简称RTK)测量技术,，是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS(RTD GPS)测量技术。该技术可通过实时计算定位结果，便可监测基准站与用户站观测成果的质量和解算结果的收敛情况，从而可实时地判定解算结果是否成功。
（4）可消除或削弱系统误差的影响。在变形监测中，只要天线在监测过程中能保持固定不动，接收机天线的对中误差、整平误差、定向误差、量取天线高的误差等并不会影响变形监测的结果。
（5）可直接用大地高进行垂直变形测量。由于GPS定位系统测定的是大地高，而在垂直位移监测中我们关注的只是高程变化，因而完全可以在大地高系统中进行监测。
（6）应用前景广阔。由于GPS技术不仅具有以上优点，而且具有全球、无误差积累等优点。使观测工作效率大大提高，同时也节省了大量的人力和物力。
2 GPS变形监测模式
2.1 周期性监测模式
此种模式和传统的变形监测网没有太大的区别，主要用于变形相对较为缓慢的情况。监测频率可为数月、一年甚至数年之久。采用ＧＰＳ静态相对定位方法进行周期性监测，采取边连式构成监测网，数据的处理与分析一般是采用后处理软件进行的，数据处理技术已非常成熟，是最常用的监测模式。
2.2 连续性监测模式
连续性变形监测指的是采用固定监测仪器进行长时间的数据采集,，获得变形数据系列，此时监测数据是连续的，具有较高的时间分辨率。根据变形体的不同特征，GPS连续性监测可采用静态相对定位和动态相对定位两种数据处理方法进行观测，一般要求变形响应的实时性。其监测的主要目的在于获取变形信息及其特性，数据处理与分析可以在事后进行。系统的精度可按要求设定，目前最高监测精度可达到亚毫米级。
3 实时动态特征监测建筑物实例
建筑物实时动态特征的监测对其安全运营、维护及设计至关重要，尤其要实时或准实时监测建筑物受地震、台风和洪水等外界因素作用下的动态特征，如高层建筑物摆动的幅度和频率。
应用GPS动态定位模式对该大楼进行动态特征监测。研究其在风载、地脉动以及其他外界因素影响下的自振特性。外业观测时采用 Trimble 双频 GPS接收机，其中一台接收机设置在视野开阔且周边环境较好的地面点上，作为基准站；另一台接收机设置在距基准站约300m的固定点位上作为参考点；第三台接收机设置在大楼顶层开阔处，同样要求周围无干扰源。GPS1至GPS3的距离约190 m，如图1所示。
图1 实时动态变形监测
GPS动态观测时的接收机采样间隔设置为1s，卫星高度角限值为15°，按动态定位观测模式连续观测时间约为1h。
将时域内的观测数据序列通过傅立叶级数转换到频域内进行分析，采用频谱分析法可以对试验所获取的三维数据序列时程曲线分别进行处理，计算出相应的频谱特征。它有助于确定时间序列的准确周期并判别隐蔽性和复杂性的周期数据。将监测数据进行傅立叶变换后,所得结果进行作图分析。
图2 频谱曲线图
从图中可以看出，频谱曲线符合建筑物自振的基准频率变化范围。表明采用GPS监测建筑物的实时动态特征是可行的。
4 总结与展望
GPS用于变形监测具有精度高、不受气候条件及通视条件限制、高度自动化等优点。其在建筑物变形监测中的应用对弥补传统的变形监测方法的缺陷具有重要意义。本文通过实验验证了GPS在监测建筑动态特征方面应用的可行性。
而建筑物的实际变形比较复杂，GPS测量的外部环境一般也不是很理想。因此，从实际应用角度考虑需要做的工作还有很多。在监测点以及基准站的布设、接收机的选取、多路径误差的改正、接收机的抗干扰技术和数据处理软件等方面还应做更深入的研究。
参考文献：
[1]李征航 黄劲松．GPS 测量与数据处理[M]．武漢:武汉大学出版社.2010
[2] 独知行，靳奉祥，吴庆忠.高层建筑物整体形变的GPS监测[J].工程勘察，2002(4): 45~ 47
[3]罗志才，陈永奇，刘焱雄. GPS用于监测高层建筑物动态特征的模拟研究 [ J]. 武汉测绘科技大学学报, 2000 , 4( 2): 18~ 25
[4]黄声享，尹辉，蒋征. 变形监测数据处理 [M ]. 武汉: 武汉大学出版社, 2003