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【摘 要】GPS技术在建筑物变形监测方面具有全自动化、实时监测的优点，本文介绍了GPS在建筑物变形监测中的应用，分析了GPS用于变形监测的模式、方法和GPS测量的误差来源。最后指出了GPS技术在实时变形监测方面的应用前景。
【关键词】GPS；建筑物；变形监测
1.引言
作为现代化城市建设的标志，高层建筑和高耸构筑物（如超高层大楼、大跨度桥梁、大型水坝等）不仅越来越多，而且造型日趋复杂。为保证安全，我们必须时刻监测这些建筑并分析、掌握这些变形信息，以此来评估这些大型建筑的健康和运营状况。GPS定位技术是一种新的测量技术，已逐渐在越来越多的领域取代了常规测量仪器。随着GPS接收机技术和软件处理技术尤其是GPS卫星信号解算精度的提高，可以实现实时、高动态、高精度的位移测量，为建筑物实时安全性监测提供了条件。由于GPS测量具有高精度的三维定位能力，在变形监测方面，与传统方法相比较，应用GPS不仅具有精度高、速度快、操作简便等优点，而且利用GPS技术、计算机技术、数据通讯技术及数据处理与分析技术进行集成，可实现全自动化、实时监测的目的。
2.GPS应用于变形监测的技术优势
（1）测站间无需保持通视。由于GPS定位时测站间无需保持通视，从而可使变形监测网的布设更为自由、方便，并可省去不少中间传递过渡点，节省大量费用。
（2）能同时测定点的三维位移。采用传统方法进行变形监测时，水平位移和垂直位移是分别测定的，这不仅增加了工作量，而且监测的时间和点位也不一定一致，从而增加了变形分析的难度。
（3）全天候观测。GPS测量不受气候条件的限制，在风雪雨雾中仍能进行正常观测。配备防雷电设施后变形监测系统就能实现全天候观测。这一点对于防汛抗洪、滑坡、泥石流等地质灾害监测等应用领域来讲显得特别重要。
（4）易于实现监测的自动化。由于GPS接收机的数据采集工作是自动进行的，而且又为用户预留了必要的接口，故用户可以较为方便地把GPS变形监测系统建成无人值守的自动监测系统，实现从数据采集、传输、处理、分析、报警到入库的全自动化。
（5）可消除或削弱系统误差的影响。在变形监测中，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，只要天线在监测过程中能保持固定不动即可。同样GPS变形监测网中的起始坐标的误差，数据处理中所用的定位软件本身的不完善以及卫星信号在大气层中的传播误差（电离层延迟、对流层延迟、多路径误差等）中的公共部分的影响也可得以消除或削弱。
（6）可直接用大地高进行垂直变形测量。在GPS测量中高程系统一直是一个棘手的问题。因为GPS定位只能测定大地高，在垂直位移监测中我们关心的只是高程的变化，因而完全可以在大地高系统中进行监测。目前IGS提供的精密星历足以保证大地高系统的稳定性，从而避免在高程系统的转换过程中精度的损失。
3.GPS应用于变形监测的模式和方法
GPS用于变形监测的作业方式可划分为周期性和连续性（Episodic and Continuous Mode）两种模式。周期性变形监测一般采用GPS静态相对定位法进行测量，数据处理与分析一般都是事后进行的。GPS静态相对定位数据处理技术目前已基本成熟。在周期性监测方面，利用GPS技术的最大屏障还是变形基准的选择与确定，它已成为近几年研究的热点。
连续性变形监测是指采用固定仪器进行长时间的数据采集，获得变形数据序列。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，它为数据解算和分析提出了更高的要求。比如，大坝在超水位蓄洪时就必须时刻监视其变形状况，要求监测系统具有实时的数据传输和数据处理与分析能力。当然，有的监测对象虽然要求较高的时间采样率，但是数据解算和分析可以是事后的。比如，桥梁的静荷载、动荷载试验和高层建筑物的振动测量，其监测的目的在于获取变形信息，数据处理与分析可以是事后进行的。
按监测对象及要求不同， GPS在变形监测中可选择静态测量法，快速静态测量法和动态测量法三种。
（1）静态测量法：静态测量法，就是把多于3台GPS接收机同时安置在观测点上同步观测一定时段，一般为1小时至2小时不等，用边连接方法构网，用后处理软件解算基线，经平差计算求定观测点三维坐标。这种方法定位精度高，适用于长边，测边相对精度可达10-9。
（2）快速静态测量法：这种方法尤其适用于对监测点的观测。其工作原理是：把两台GPS接收机安置在基准点上固定不动连续观测，另1～4台接收机在监测点上移动，每次观测5～10分钟（采样间隔为2秒），经事后处理，解算出各监测点的三维坐标，根据各次观测解算出的三维坐标精度为：水平位移±3～±5mm，垂直位移±5～±8mm。
（3）动态测量法：该方法又分准动态测量方法和实时动态测量法。实时动态测量方法又叫RTK方法（Real Time Kinematics），是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术。其原理是：在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续观测，并将观测数据通过无线电传输设备，实时地发送给在各监测点上移动观测（1～3秒钟）的GPS接收机，移动GPS接收机在接收GPS信号的同时，通过无线电接收设备基准的观测数据，再根据差分定位原理，实时计算出监测点三维坐标及精度，精度可达2～5cm。
4.GPS变形监测的误差分析
影响GPS基线处理的因素有很多，比如卫星星历、对流层折射、电离层折射、多路径效应、基准站坐标、解算软件、数学模型等。如果不能正确处理这些因素，将造成基线解算结果含有系统误差，影响结果的精度。
（1）与卫星有关的误差。卫星钟的误差会对伪码测距和载波相位测量产生误差，卫星钟偏差总量达lms，产生的等效距离误差可达300km，因此必须对GPS卫星钟进行钟差改正。通过对观测量的差分技术来进行处理或是在相对定位中通过求取观测量的单差来消除。 星历误差的大小主要取决于卫星跟踪系统的质量，如跟踪站的数量及空间分布，观测值的数量及精度，轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等。对于基线不很长，采用同步观测求差，就可减弱卫星轨道误差的影响。对于长基线、高精度相对定位，需要用精密星历。
（2）与传播路径有关的误差。电离层折射的影响。电磁波传播延迟与传播路径上的电子总量有关，还与电磁波传播到GPS天线的方位有关。水平方向比天顶方向延迟量最大可差3倍。
对流层折射的影响。对流层延迟主要与气候、气压、温度、湿度、和卫星仰角有关。对于低仰角卫星，对流层总延迟最大可达30m。
多路径效应影响。多路径效应的大小主要取决于反射物距测站的距离和反射物光滑程度及GPS卫星信号的性质等多种因素。选择测站时，应避免选择在光滑物体较近的地点，如平静水面，高层建筑附近，也避免在山坡、电磁场严重的地点。
（3）与接收机有关的误差。观测误差主要与仪器的软硬件有关，还跟天线的安置精度有关，即天线对中误差、天线整半误差及量取天线高误差。所以在精密定位中，应注意整平天线，仔细对中，最好采用强制对中。
接收机钟差。如果卫星钟与地面接收机钟同步误差为l?s，引起的等效距离误差为300m，这个误差很大。
天线相位中心的位置偏差。GPS观测时，相位中心的瞬时位置与理论上的相应的相位中心是不一致的。天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的好坏，可达数毫米甚至数厘米。所以对精密相对定位而言，这种影响是不容忽视的。
5.结语
虽说GPS定位技术还有一些问题需要解决，但是其应用在在建筑物变形监测中的还是具有明显优势，它能准确测定建筑物的日照变形、动态变形和垂直度、高程偏差等，为建筑的变形观测提供了一种全新的技术手段。随着GPS技术的不断提高，其在高层建筑、大桥、大坝等大型建筑实时变形监测方面的应用前景必将更加广阔。
参考文献：
[1]黄丁发，熊永良，袁林果. 全球定位系统（GPS）理论与实践[M].南昌：西南交通大学出版社，2006.
[2]黄德武. GPS变形监测中多路径效应影响研究[D].四川：西南交通大学，2005.
[3]赵宜行. GPS在高层建筑变形监测中的应用[J].技术创新与管理，2009.
【关键词】GPS；建筑物；变形监测
1.引言
作为现代化城市建设的标志，高层建筑和高耸构筑物（如超高层大楼、大跨度桥梁、大型水坝等）不仅越来越多，而且造型日趋复杂。为保证安全，我们必须时刻监测这些建筑并分析、掌握这些变形信息，以此来评估这些大型建筑的健康和运营状况。GPS定位技术是一种新的测量技术，已逐渐在越来越多的领域取代了常规测量仪器。随着GPS接收机技术和软件处理技术尤其是GPS卫星信号解算精度的提高，可以实现实时、高动态、高精度的位移测量，为建筑物实时安全性监测提供了条件。由于GPS测量具有高精度的三维定位能力，在变形监测方面，与传统方法相比较，应用GPS不仅具有精度高、速度快、操作简便等优点，而且利用GPS技术、计算机技术、数据通讯技术及数据处理与分析技术进行集成，可实现全自动化、实时监测的目的。
2.GPS应用于变形监测的技术优势
（1）测站间无需保持通视。由于GPS定位时测站间无需保持通视，从而可使变形监测网的布设更为自由、方便，并可省去不少中间传递过渡点，节省大量费用。
（2）能同时测定点的三维位移。采用传统方法进行变形监测时，水平位移和垂直位移是分别测定的，这不仅增加了工作量，而且监测的时间和点位也不一定一致，从而增加了变形分析的难度。
（3）全天候观测。GPS测量不受气候条件的限制，在风雪雨雾中仍能进行正常观测。配备防雷电设施后变形监测系统就能实现全天候观测。这一点对于防汛抗洪、滑坡、泥石流等地质灾害监测等应用领域来讲显得特别重要。
（4）易于实现监测的自动化。由于GPS接收机的数据采集工作是自动进行的，而且又为用户预留了必要的接口，故用户可以较为方便地把GPS变形监测系统建成无人值守的自动监测系统，实现从数据采集、传输、处理、分析、报警到入库的全自动化。
（5）可消除或削弱系统误差的影响。在变形监测中，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，只要天线在监测过程中能保持固定不动即可。同样GPS变形监测网中的起始坐标的误差，数据处理中所用的定位软件本身的不完善以及卫星信号在大气层中的传播误差（电离层延迟、对流层延迟、多路径误差等）中的公共部分的影响也可得以消除或削弱。
（6）可直接用大地高进行垂直变形测量。在GPS测量中高程系统一直是一个棘手的问题。因为GPS定位只能测定大地高，在垂直位移监测中我们关心的只是高程的变化，因而完全可以在大地高系统中进行监测。目前IGS提供的精密星历足以保证大地高系统的稳定性，从而避免在高程系统的转换过程中精度的损失。
3.GPS应用于变形监测的模式和方法
GPS用于变形监测的作业方式可划分为周期性和连续性（Episodic and Continuous Mode）两种模式。周期性变形监测一般采用GPS静态相对定位法进行测量，数据处理与分析一般都是事后进行的。GPS静态相对定位数据处理技术目前已基本成熟。在周期性监测方面，利用GPS技术的最大屏障还是变形基准的选择与确定，它已成为近几年研究的热点。
连续性变形监测是指采用固定仪器进行长时间的数据采集，获得变形数据序列。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，它为数据解算和分析提出了更高的要求。比如，大坝在超水位蓄洪时就必须时刻监视其变形状况，要求监测系统具有实时的数据传输和数据处理与分析能力。当然，有的监测对象虽然要求较高的时间采样率，但是数据解算和分析可以是事后的。比如，桥梁的静荷载、动荷载试验和高层建筑物的振动测量，其监测的目的在于获取变形信息，数据处理与分析可以是事后进行的。
按监测对象及要求不同， GPS在变形监测中可选择静态测量法，快速静态测量法和动态测量法三种。
（1）静态测量法：静态测量法，就是把多于3台GPS接收机同时安置在观测点上同步观测一定时段，一般为1小时至2小时不等，用边连接方法构网，用后处理软件解算基线，经平差计算求定观测点三维坐标。这种方法定位精度高，适用于长边，测边相对精度可达10-9。
（2）快速静态测量法：这种方法尤其适用于对监测点的观测。其工作原理是：把两台GPS接收机安置在基准点上固定不动连续观测，另1～4台接收机在监测点上移动，每次观测5～10分钟（采样间隔为2秒），经事后处理，解算出各监测点的三维坐标，根据各次观测解算出的三维坐标精度为：水平位移±3～±5mm，垂直位移±5～±8mm。
（3）动态测量法：该方法又分准动态测量方法和实时动态测量法。实时动态测量方法又叫RTK方法（Real Time Kinematics），是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术。其原理是：在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续观测，并将观测数据通过无线电传输设备，实时地发送给在各监测点上移动观测（1～3秒钟）的GPS接收机，移动GPS接收机在接收GPS信号的同时，通过无线电接收设备基准的观测数据，再根据差分定位原理，实时计算出监测点三维坐标及精度，精度可达2～5cm。
4.GPS变形监测的误差分析
影响GPS基线处理的因素有很多，比如卫星星历、对流层折射、电离层折射、多路径效应、基准站坐标、解算软件、数学模型等。如果不能正确处理这些因素，将造成基线解算结果含有系统误差，影响结果的精度。
（1）与卫星有关的误差。卫星钟的误差会对伪码测距和载波相位测量产生误差，卫星钟偏差总量达lms，产生的等效距离误差可达300km，因此必须对GPS卫星钟进行钟差改正。通过对观测量的差分技术来进行处理或是在相对定位中通过求取观测量的单差来消除。 星历误差的大小主要取决于卫星跟踪系统的质量，如跟踪站的数量及空间分布，观测值的数量及精度，轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等。对于基线不很长，采用同步观测求差，就可减弱卫星轨道误差的影响。对于长基线、高精度相对定位，需要用精密星历。
（2）与传播路径有关的误差。电离层折射的影响。电磁波传播延迟与传播路径上的电子总量有关，还与电磁波传播到GPS天线的方位有关。水平方向比天顶方向延迟量最大可差3倍。
对流层折射的影响。对流层延迟主要与气候、气压、温度、湿度、和卫星仰角有关。对于低仰角卫星，对流层总延迟最大可达30m。
多路径效应影响。多路径效应的大小主要取决于反射物距测站的距离和反射物光滑程度及GPS卫星信号的性质等多种因素。选择测站时，应避免选择在光滑物体较近的地点，如平静水面，高层建筑附近，也避免在山坡、电磁场严重的地点。
（3）与接收机有关的误差。观测误差主要与仪器的软硬件有关，还跟天线的安置精度有关，即天线对中误差、天线整半误差及量取天线高误差。所以在精密定位中，应注意整平天线，仔细对中，最好采用强制对中。
接收机钟差。如果卫星钟与地面接收机钟同步误差为l?s，引起的等效距离误差为300m，这个误差很大。
天线相位中心的位置偏差。GPS观测时，相位中心的瞬时位置与理论上的相应的相位中心是不一致的。天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的好坏，可达数毫米甚至数厘米。所以对精密相对定位而言，这种影响是不容忽视的。
5.结语
虽说GPS定位技术还有一些问题需要解决，但是其应用在在建筑物变形监测中的还是具有明显优势，它能准确测定建筑物的日照变形、动态变形和垂直度、高程偏差等，为建筑的变形观测提供了一种全新的技术手段。随着GPS技术的不断提高，其在高层建筑、大桥、大坝等大型建筑实时变形监测方面的应用前景必将更加广阔。
参考文献：
[1]黄丁发，熊永良，袁林果. 全球定位系统（GPS）理论与实践[M].南昌：西南交通大学出版社，2006.
[2]黄德武. GPS变形监测中多路径效应影响研究[D].四川：西南交通大学，2005.
[3]赵宜行. GPS在高层建筑变形监测中的应用[J].技术创新与管理，2009.