【正文】 ses the very big space to introduce the principle of GPS technology and the deformation monitoring. Coordinate this part focuses on the related and their mutual relationship, positioning and conversion formula and more between the representation of GPS. The GPS measurement error analysis and precision in deformation monitoring is an essential content in this paper is also described. Finally , the reason of building deformation analysis, research and the building deformation monitoring method, the specific scheme. In the concrete scheme of deformation monitoring of the layout and the principle of monitoring and control work. Through the application of GPS technology in engineering, expounds the GPS technology in the process of deformation monitoring, through the analysis of the measured data, shows that the deformation monitoring can be achieved satisfactory results by using GPS technology. Keywords: GPS deformation monitoring of buildings 1 第 1 章 緒論 建筑物變形監(jiān)測(cè)的重要意義 ﹝ 1﹞ 在施工過(guò)程和使用期間的建筑物，因受到地基的工程土壤條 件、地基處理方法、建(構(gòu) )筑物上部結(jié)構(gòu)的荷載等多種主觀和客觀因素的綜合影響，有可能引起地基以及四周地層發(fā)生形變，建筑物由于基礎(chǔ)形變及其外部荷載與內(nèi)部應(yīng)力的共同作用，也會(huì)發(fā)生形變。因?yàn)槭┕ぶ械挠绊懸蛩剌^多且難以預(yù)料，以致在深基坑的開挖及施工階段中，邊坡土體可能發(fā)生較大變形，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或邊坡坍塌等嚴(yán)重事故。 建筑物變形監(jiān)測(cè)是掌握其工作狀態(tài)和安全生產(chǎn)的主要手段，但如果僅對(duì)建筑物進(jìn)行外部變形特征的監(jiān)測(cè)是不夠的，還要對(duì)其內(nèi)部應(yīng)力、動(dòng)力特性、加速度以及外部環(huán)境條件進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，以便掌握建筑物的整體形態(tài)特征，從而進(jìn)行建筑物的安全監(jiān)測(cè)。從 90 年代以來(lái)，世界上許多國(guó)家紛紛布設(shè)地殼運(yùn)動(dòng)GPS 監(jiān)測(cè)網(wǎng)，為地球動(dòng)力學(xué)研究和地震與火山噴發(fā)預(yù)報(bào)服務(wù)。 1995 年 1月 17日 16時(shí) 35 分，在日本阪神 7. 2 級(jí)大地震后，該系統(tǒng)在進(jìn)行快速、準(zhǔn)確精細(xì)地監(jiān)測(cè)與分析地殼運(yùn)動(dòng)方面起到了很大的作用。 自動(dòng)化程度高 GPS 接收機(jī)能自動(dòng)跟蹤鎖定衛(wèi)星信號(hào)，自動(dòng)實(shí)時(shí)地接收數(shù)據(jù)，而且還為用戶預(yù)留了必要的接口，便于結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)建立形成無(wú)人值守的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從采集、傳輸、處理、分析、報(bào)警到入庫(kù)的自動(dòng)化和實(shí)時(shí)化，這對(duì)于長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有十分重要的意義，縮短了觀測(cè)周期，大大 降低了監(jiān)測(cè)成本，提高監(jiān)測(cè)資料的可靠性以及用戶對(duì)變形的響應(yīng)能力。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析過(guò)程中，某些共同系統(tǒng)誤差可能會(huì)直接影響到不同周期變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，但對(duì)形變量的影響卻不大。 此外，偽噪聲碼技術(shù)的應(yīng)用使得數(shù)據(jù)的保密性和抗干擾性特別好。 GPS 應(yīng)用在變形監(jiān)測(cè)中已取得許多試驗(yàn)研究成果。由于 GPS 存在這些不足之處，它不能完全替代其它變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，而應(yīng)在必要時(shí)采用由 GPS 與其它技術(shù) (GIS ,RS 近景攝影測(cè)量和特殊變形測(cè)量技術(shù)等 )集成組合而成的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)于變形的頻率和幅值等主要變形特征的分析，則通常采用頻譜分析法將時(shí)域內(nèi)的數(shù)據(jù)序列通過(guò) Fourier 級(jí)數(shù)轉(zhuǎn)換到頻 域內(nèi)進(jìn)行分析。由于建立連續(xù)運(yùn)行的 GPS 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行大壩和滑坡等變形監(jiān)測(cè)，成本較為昂貴，因此，研究低成本的 GPS 一機(jī)多天線變形在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)也是一個(gè)頗有實(shí)際意義的研究方向。 3)建立 GPS與其它變形監(jiān)測(cè) 技術(shù)集成組合的綜合變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 為克服 GPS技術(shù)用于變形監(jiān)測(cè)的不足和局限性，根據(jù)變形監(jiān)測(cè)的對(duì)象和目的，將 GPS與其它變形監(jiān)測(cè)技術(shù) (如 INSAR、攝影測(cè)量和特殊變形測(cè)量技術(shù)等 )集成組合形成綜合變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)測(cè)技術(shù)之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。 6 第 2 章 GPS 在變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的理論基礎(chǔ) GPS 相關(guān)的坐標(biāo)系統(tǒng) WGS84 大地坐標(biāo)系 原點(diǎn) 是地球的 質(zhì)心 ， 空間直角坐標(biāo)系 的 Z 軸指向 BIH（ ）定義的地極（ CTP）方向，即 國(guó)際協(xié)議原點(diǎn) CIO，它由 IAU 和 IUGG 共同推薦。 1954 年北京坐標(biāo)系 Beijing Geodetic Coordinate System l954 。 1980 年國(guó)家大地坐標(biāo)系 為了進(jìn)行全國(guó)天文大地網(wǎng)整體平差，采用了新的橢球元素和進(jìn)行了新的定位和定向，1978 年以后，建立了 1980 年個(gè)國(guó)家大地坐標(biāo)系。橢球定位時(shí)按我國(guó)范圍內(nèi)高程異常值平方和7 最小為原則求解參數(shù)。因?yàn)槭艿叫l(wèi)星軌道誤差、鐘差以及信號(hào)傳播傳播誤差等因素的影響，靜態(tài)絕對(duì)定位的精度約為米級(jí)，而動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位的精度為10～ 40m。廣泛用于大地測(cè)量、精密工程測(cè)量、地球動(dòng)力學(xué)的研究和精密導(dǎo)航。 不同歷元對(duì)不同衛(wèi)星同步觀側(cè)的偽距觀測(cè)方程式中，有觀側(cè)站坐標(biāo)和接收機(jī)鐘差四個(gè)未知數(shù)。iiq 為權(quán)系數(shù)陣 Qx 主對(duì)角線的相應(yīng)元素 : 1)( ?? iTix AAQ （ 28） 9 在靜態(tài)絕對(duì)定位的情況下，由于觀測(cè)站固定不動(dòng)，可以與不同歷元同步觀測(cè)不同的衛(wèi)星，以 n 表示觀測(cè) 的歷元數(shù)，忽略接收機(jī)鐘差隨時(shí)間變化的情況，由 (28)式可得相應(yīng)的誤差方程式組 LXAV ?? ? (29) 式中 TTnTnzyxALLLLAAA),(),(),(AVVVV2121Tn21?????? ??????? ），（ 按最小二乘法求解得 LAAAX TT 1)( ???? (210) 未知數(shù)的中誤差仍按式 (27)估算。 在用戶接收機(jī)安置在運(yùn)動(dòng)的載體上并處于動(dòng)態(tài)情況下，確定載體瞬時(shí)絕對(duì)位置的定位方法，稱為動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位。在載波相位靜態(tài)絕對(duì)定位中，應(yīng)注意 對(duì)觀測(cè)值加人電離層、對(duì)流層等各項(xiàng)改正，防止和修復(fù)整周跳變，以提高定位精度。同樣，多臺(tái)接收機(jī)安置在若干條基線的端點(diǎn)，通過(guò)同步觀測(cè) GPS 衛(wèi)星可以確定多條基線向量。 在兩個(gè)觀測(cè)站或多個(gè)觀測(cè)站同步觀測(cè)相同衛(wèi)星的情況下，衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及電離層和對(duì)流層的折射誤差等對(duì)觀測(cè)量的影響具有一定的相關(guān)性，利用這些觀側(cè)量的不同組合 (求差 )進(jìn)行相對(duì)定位，可有效地消除或減弱相關(guān)誤差的影響，從而提高相對(duì)定位的精度。所獲得的結(jié)果被當(dāng)做虛擬觀測(cè)值，叫做載波相位觀測(cè)值的一次差或單差。常用的求二次差是在接收機(jī)間求一次差后再在衛(wèi)星間求二次差，叫做星站二次差分。所得結(jié)果叫做載波相位觀測(cè)值的三次差或三差。因而差分觀側(cè)值模型是 GPS測(cè)量應(yīng)用中廣泛采用的平差模型。表 21給出了 GPS 測(cè)量的誤差分類及各項(xiàng)誤差對(duì)距離測(cè)量的影響。②對(duì)流層 。②負(fù)荷潮 圖表所列的誤差可以將信號(hào)的多路徑效應(yīng)歸為偶然誤差，將衛(wèi)星的星歷誤差、衛(wèi)星12 鐘差、接收機(jī)鐘差以及大氣折射的誤差等歸為系統(tǒng)誤差。所以用信號(hào)的傳播時(shí)間乘以真空中光速而得到的距離就不會(huì)等于衛(wèi)星至接收機(jī)間的幾伺距離，這種偏差叫電離層折射誤差。 4. 衛(wèi)星星歷誤差 在一個(gè)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)星歷誤差屬系統(tǒng)誤差特性，是一種起算數(shù)據(jù)誤差。盡管 GPS 衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘，但與理想的 GPS時(shí)之間仍存在著偏差或漂移。 是實(shí)際上天線的相位中心隨著信號(hào)輸人的強(qiáng)度和方向不同而有所變化，即觀測(cè)時(shí)相位中心的瞬時(shí)位登 (一般稱相位中心 )與理論上的相位中心將有所不同，這種差別叫天線相位中心的位置偏差。國(guó)內(nèi)大 多方法只能有效地檢測(cè)出天線相位中心偏差水平分量，對(duì)于垂直偏差分量卻不能精確測(cè)定出。高層建筑物的變形如果超過(guò)一定的限度，就會(huì)影響到它的正常使用 ,尤其是產(chǎn)生不均勻沉降 ,更會(huì)危及建筑物的安全。 由于建筑物的建造，使地基中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生變形，表現(xiàn)為地基沉降。因此，對(duì)于高層建筑而言，對(duì)地基強(qiáng)度有一定的要求。而當(dāng)?shù)鼗休d力的設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際情況不相符，就會(huì)產(chǎn)生建筑物不均勻沉降，影響建筑物的使用。倘若由于某種原因打破了這種平衡 (抽取地下水 )，建筑物將會(huì)產(chǎn)生均勻或不均勻的沉降 ,影響著建筑物的安全。 建筑物變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法 ﹝ 3﹞ 觀測(cè)對(duì)象的變形過(guò)程一般都是動(dòng)態(tài)過(guò)程，只不過(guò)有的變形速度很快，有的則是通過(guò)被研究對(duì)象的不同離散時(shí)刻點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，這時(shí)，把對(duì)象看作靜態(tài)系統(tǒng)看幾個(gè)時(shí)刻的觀測(cè)結(jié)果，再來(lái)研究其運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 在工程和局部性變形監(jiān)測(cè)方面，大地測(cè)量技術(shù)、地面攝影測(cè)量技術(shù)、特殊和專用 以及以 GPS 為主的空間定位技術(shù)等均得到了較好的應(yīng)用，根據(jù)對(duì)象不同，變形體上可分為下列幾類： (1)大地測(cè)量法 大地測(cè)量法應(yīng)用最多的是水準(zhǔn)測(cè)量法。所以，水準(zhǔn)測(cè)量的一些技術(shù)要求需要掌握。單相片攝影測(cè)量只能測(cè)定平行于攝影機(jī)承片框平面上的變形。攝影測(cè)量方法具有很多優(yōu)點(diǎn)，如可于同一時(shí)刻對(duì)建筑物和對(duì)象的很大范圍進(jìn)行觀測(cè)，并可測(cè)定任意數(shù)量的點(diǎn)，其中包括不能直接測(cè)量的點(diǎn)，外業(yè)工作量少，效率高；能夠?qū)⒂^測(cè)得到的全部資料貯存，并可隨時(shí)恢復(fù)其空間模型；而且對(duì)觀測(cè)快速變形具有其他方法所不可及的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于工程建筑物變形觀測(cè)來(lái)說(shuō)，據(jù)此所解算的變形總是相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)。在測(cè)量上， GPS 則具有全球17 性、全天候、高精度、連續(xù)、快速、實(shí)時(shí)的三維定位能力。這樣不僅簡(jiǎn)化了計(jì)算工作，更 重要的是對(duì)保證觀測(cè)成果的精度不受損失具有一定的意義。還應(yīng)具有根據(jù)具體情況擴(kuò)展 GPS 控制網(wǎng)的功能。 采用分級(jí)布網(wǎng)的方案 分級(jí)布設(shè) GPS 網(wǎng)，可根據(jù)測(cè)區(qū)的近期需要和遠(yuǎn)期發(fā)展分期布設(shè)，且可使全網(wǎng)的結(jié)構(gòu)呈長(zhǎng)短邊相結(jié)合的形式。其中 A, B 兩級(jí)一般為國(guó)家 GPS 控制網(wǎng)，我國(guó)的國(guó)家 GPS 網(wǎng)就是按照這一精度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，其中 A 級(jí)網(wǎng) 29 點(diǎn)， B 級(jí)網(wǎng)有數(shù)百個(gè) 點(diǎn)。為此，在 GPS 網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)中，必須說(shuō)明 GPS 網(wǎng)的成果所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)明 GPS 所采用的基準(zhǔn)，或者稱之為 GPS 網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。 (1)坐標(biāo)系統(tǒng) GPS 網(wǎng)的坐標(biāo)系統(tǒng)盡量應(yīng)與測(cè)區(qū)過(guò)去采用的坐標(biāo)系統(tǒng)一致，如果采用的是地方獨(dú)立坐標(biāo)系，一般應(yīng)該了解以下幾個(gè)參數(shù) : ①所采用的參考橢球體，一般是以國(guó)家坐標(biāo)系的參考橢球?yàn)榛A(chǔ) 。 ⑤起算點(diǎn)的坐標(biāo)。為了便于進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，且便于進(jìn)行 GPS 觀測(cè)，提高 GPS 作業(yè)效率， GPS點(diǎn)一般應(yīng)設(shè)在交通方便的地方。 ②點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源 (如電視臺(tái)、微波站及微波通道等 )及高壓電線以避免周圍磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)的干擾 。 ⑥點(diǎn)位應(yīng)選在地面基礎(chǔ)堅(jiān)固的地方，以便于保存。 為了較長(zhǎng)期地保存點(diǎn)位， GPS 控制點(diǎn)一般應(yīng)按照國(guó)家規(guī)范設(shè)置具有中心標(biāo)志的標(biāo)石，精確標(biāo)志點(diǎn)位。 ② GPS 網(wǎng)作為測(cè)量控制網(wǎng)，其相鄰點(diǎn)間基線向量的精度，應(yīng)分布均勻 。 ⑤為 了便于 GPS 的測(cè)量觀測(cè)和水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)， GPS 網(wǎng)點(diǎn)一般應(yīng)設(shè)在視野開闊和交通便利的地方 。 參加同步觀測(cè)的儀器越多，選取獨(dú)立基線向量的可能方式便迅速增加。 GPS 變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì) 前面己指出，網(wǎng)的基準(zhǔn)包括網(wǎng)的位置基準(zhǔn)、方向基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)。在僅含有相對(duì)觀測(cè)量的 GPS 網(wǎng)中，網(wǎng)的方向基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)，由在平差計(jì)算中作為相關(guān)觀測(cè)量的基線向量唯一地確定。確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)，通?？筛鶕?jù)情況，選取以下方法 : 21 ①選取網(wǎng)中一點(diǎn)的坐標(biāo)值并加以固定，或給以適當(dāng)?shù)臋?quán) 。 前兩種方法，對(duì) GPS 網(wǎng)定位的約束條件最少，所以，通常稱為最小約束法 。當(dāng)網(wǎng)中己知點(diǎn)的坐標(biāo)含有較大的誤差，或其權(quán)難以可靠地確定時(shí)，將會(huì)對(duì)網(wǎng)的 定向與尺度產(chǎn)生不利的影響。而且，為了與經(jīng)典地面網(wǎng)相聯(lián)合、通常以采用固定一點(diǎn)的經(jīng)典自由網(wǎng)平差法為宜。 為了提高 GPS 觀測(cè)的 精度與可靠性， GPS 點(diǎn)間應(yīng)構(gòu)成一定數(shù)量的由 GPS 獨(dú)立基線構(gòu)成的非同步閉合環(huán)，使 GPS 網(wǎng)有足夠的多余觀測(cè)。 (2) GPS 觀測(cè) : GPS 作業(yè)方式采用靜態(tài)相對(duì)定位模式