浅谈GPS测量在工程变形监测中的应用

来源:用户上传      作者:

　　 摘要：与传统的变形监测方法相比，GPS的应用在连续性、实时性和自动化程度等方面优势明显。本文分析了GPS在滑坡监测、大坝的变形监测、陆地建筑物的变形和沉陷监测、海上建筑物的沉陷监测、资源开采区的地面沉降监测等领域的应用。
　　 关键词：GPS；RTK；变形监测；精度
　　引言
　　 工程形变的种类很多，主要有滑坡、大坝的变形、陆地建筑物的变形和沉陷、海上建筑物的沉陷、资源开采区的地面沉降等等。工程变形监测是以毫米乃至亚毫米级精度为目的的工程测量工作，随GPS系统的不断完善，软件性能的不断改进，GPS已可用于精密工程变形监测。本文就几个主要的应用方面浅述。
　　1、GPS用于滑坡变形监测
　　 区域断裂运动是影响边坡变形、破坏的重要因素，利用GPS这一先进的空间测量技术研究区域构造运动，解决了常规观测中需要多种方法观测的问题，观测结果能充分反应滑坡的全方位活动性，对监测滑坡变形、掌握滑坡发育的规律切实可行。
　　 在监测项目中布设监测基准点，设立在变形区以外的稳定地带。用这些基准点监测滑动区的滑动点与抗滑点，在抗滑监测点周围已埋设抗滑桩。
　　 建立GPS监测网，在WGS-84坐标系内进行无约束三维平差，在本单位实际工程中应用结果表明，ΔX矢量中误差为2~4 mm；ΔY矢量中误差为4~5 mm；ΔZ矢量中误差为4~5 mm，已满足滑坡监测要求。
　　2、GPS用于大型结构位移实时监测
　　 目前，监测结构位移的仪器主要有：经纬仪、位移传感器、加速度传感器和激光仪等，利用这些常规仪器监测结构位移存在诸多缺陷，最主要的是各种传统方法都难以监测结构位移的实时变化。实时监测大桥的连续位移，评价其力学特性和在设计荷载作用下的工作性能，检验结构承载力十分必要。为了监测到台风、地震、车载及温度变化对桥梁位移产生的影响，了解掌握大桥的安全特性，采用GPS-RTK实时动态测量技术，通过GPS-RTK接收机测量悬索桥关键点的三维位移。该技术具有受外界影响小、自动化程度高、速度快、精度较高等优点，可以全天候24 h测量到大桥各测点的三维位移变化情况，通过计算机处理、分析、积累有关数据，进一步找出大桥三维位移的特性规律，为大桥的安全营运、维修养护提供重要参数和指导作用。
　　3、GPS用于水库大坝外观变形监测
　　 水库或水电站的大坝由于水负荷的重压可能引起变形，需要对大坝的变形进行连续而精密的监测。GPS精密定位技术与经典测量方法相比，不仅可以满足大坝变形监测工作的精度要求(1.0~0.1)×10-6，而且更有助于实现监测工作的自动化。GPS自动化监测系统测点水平分量和垂直分量的精度分别为1.0，1.5 mm(1~ 2 h)，它集GPS定位技术、数字通讯和计算机网络技术、自动控制技术、精密工程测量技术及现代数据处理技术等高新技术于一体，将GPS定位技术用于大坝外部变形的长期连续实时监测，有着显著的社会效益和经济效益。
　　4、GPS用于地面沉陷的监测
　　 由于地下水、煤炭、石油和天然气的开采，引起了许多矿区的地面沉降；由于过量地抽取地下水，也使许多城市的地面，产生了显著的沉陷。使用GPS测量技术对上述沉降现象进行监测是经济而有效的。GPS测量不要求相互通视，且速度快，作业灵活，显著地提高作业效率。监测地面的垂直位移，无需将GPS测量的大地高程进行系统的转换，不仅简化了计算工作，同时也不需要担心由于系统转换而损失观测精度。
　　5、GPS用于海上勘探平台沉陷的监测
　　 在海上，由于石油和天然气的开采，也可能引起海底地壳的沉降，从而引起勘探平台的下沉。根据海上油田的经验，典型的沉降速度每年可达10~15 cm。GPS测量技术由于其操作简单、快速，监测点之间不但不需通视，且距离一般也不受限制，所以它为海上勘探平台的监测工作开辟了重要途径。利用GPS高精度相对定位法，对海上平台进行监测，应定期地重复观测。重复观测周期的长短，视相对定位的精度和平台可能的沉降量而定(例如每月1次或每半年1次)。由于平台位移监测的精度要求很高，又由于在大区域水面观测，所以在实际工作中，要注意削弱多路径效应等项系统性误差的影响，在数据处理中，需设法减弱卫星轨道误差的影响。
　　6、GPS用于高层建筑物监测
　　 高层建筑物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高层建筑物受地震、台风等外界因素作用下的动态特征，如高层建筑物摆动的幅度(相对位移)和频率。传统的高层建筑物的变形监测方法(采用加速度传感器、全站仪和激光准直等)因受其能力所限，在连续性、实时性和自动化程度等方面已不能满足大型构筑物动态监测的要求。近年来，随着GPS硬件和软件技术的发展，特别是高采样频率(如10 Hz甚至20 Hz)GPS接收机的出现，以及GPS数据处理方法的改进和完善等，为GPS技术应用于实时或准实时监测高层建筑物的动态特征提供了可能。目前，GPS定位技术在这一领域的应用研究已成为热点，实验数据分析结果表明，利用GPS观测数据可以精确地鉴别出高层建筑物的低频动态特征，并指出了随GPS接收机采样频率的提高，动态GPS-RTK技术可以监测高层建筑物更高频率的动态特征，最终建立具有GPS-RTK数据采集、数据传输、数据处理与分析、预警等功能的高层建筑物动态变形自动化监测与预警系统。
　　7、结语
　　 各种工程建筑物、大坝、高层建筑、人工及自然边坡等的安全对国家的经济建设、人们的生命财产等都有极为重要的影响，因此对这些对象的变形监测一直是整个工程界的重要研究领域。随着技术的发展，全球卫星定位技术(GPS)逐渐用于变形监测。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，在上述各领域的应用表明，全球定位系统(GPS)在形变观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。观测技术的发展，使其应用前景将会更加广阔。

转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-594138.htm