東英測繪——GPS在變形監測中的應用

一、變形監測

變形是自然界普遍存在的現象，它是指在各種載荷作用下，變形體的形狀、大小及位置在時間域和空間域中的變化。它的范疇十分廣泛，從全球板塊運動、地級運動、地球自轉率變化等全球性變形，到地殼變形、地殼相對運動等區域變形，再到工程建筑物沉降和傾斜、滑坡體滑動、地下開采引起地標移動和下沉、工業設備或構件撓曲偏移等工程和局部性變形，變形現象幾乎無處不在。

變形監測就是利用測量儀器對選定的具有代表性的特征點進行實時或者周期性的監測，以確定變形體在時空中的變化，變形的類型可分為靜態觀測和動態觀測，靜態觀測是變形體隨時間的變化而發生緩慢的變形，需要長時間多周期的監測才能發現其變形規律；動態變形主要是變形體在外界負荷壓力的作用下而發生的變形，一般這種變形是在瞬間壓力的作用下很快的發生。

變形監測的方法：大地測量方法中，常用的大地測量方法主要是通過測角、測邊、水準等方法測定變形，此類傳統的方法費用低、精度可靠、勞動強度大等特點。GPS已經隨著衛星大地測量技術的發展在變形監測領域的應用越來越廣泛，具有著傳統大地測量方法不可比擬的優點；變形監測的新技術中合成孔徑雷達干涉技術、激光掃描技術、計算機層析成像技術等變形監測技術成為國內外研究熱點，并得到廣泛應用。

二、應用GPS進行變形監測的優缺點

利用GPS定位技術進行變形監測具有下列優點，因而得到了廣泛應用，成為變形監測中的一種新的有效手段。

（1）測站間無需保持通視。由于GPS定位時測站間無需保持通視，從而可使變形監測的布設更為自由、方便，并可省去不少中間傳遞過度點，節省大量費用。

（2）能同時測定點的三維位移。采用傳統方法進行變形監測時，平面位移通常是采用正錘線、倒錘線、邊角導線、方向交會、距離交會和全站儀極坐標法等方法來測定的，而垂直位移則一般采用精密水準測量、液體靜力水準測量、傾斜儀等手段來測定。水平位移和垂直位移的分別測定不僅增加了工作量，而且監測的時間和點位也不一定一致，從而增加了變形分析的難度。

（3）全天候觀測。GPS測量不受氣候條件的限制，在風雪雨霧中仍能進行正常觀測。配備防雷電設施后變形監測系統就能實現全天候觀測。這一點對于防汛抗洪、滑坡、泥石流等地質災害監測等應用領域來講顯得特別重要。

（4）易于實現全系統的自動化。由于GPS接收機的數據采集工作是自動進行的，而且又為用戶預留了必要的接口，故用戶可以較為方便的把GPS變形監測系統建成無人值守的自動監測系統，實現從數據采集、傳輸、處理、分析、報警到入庫的全自動化。有必要時，用戶可以很方便的從控制中心的辦公室來觀看每臺GPS接收機的板面信息，也可以在辦公室中發布命令來更改數據采樣率、時段長度和截至高度角等設置。這對于長期連續運行的監測系統是很重要的，可降低監測成本，提高監測資料的可靠性。

（5）可消除或削減系統誤差的影響。在變形監測中我們關心的是在兩期變形監測中所求的的變形監測點的坐標之間的差異，而不是變形監測點本身的坐標。兩期變形監測中所含的共同的系統誤差雖然會分別影響兩期的坐標值，但卻不會影響所求的的變形量。也就是說在變形監測中，接收機天線的對中誤差、整平誤差、定向誤差、量取天線高的誤差等并不會影響變形監測的結果，只要天線在監測過程中能保持固定不動即可。同樣GPS變形監測網中的起始坐標的誤差，數據處理中所用的定位軟件本身的不完善以及衛星信號在大氣層的傳播誤差（電離層延遲、對流層延遲、多路徑誤差等）中的公共部分的影響也可得以消除或削弱。

（6）可直接用大地高進行垂直變形測量。在GPS測量中高程系統一直是一個棘手的問題。以為GPS定位只能測定大地高，而在工程測量、地形測量及日常生活中，大部分用戶需要的是正常高和正高，它們之間有下列關系：

式中的高程異常和大地水準面差距N可從高程異常圖或大地水準面圖中查得，也可據地球重力場模型求得，但精度偏低，從而導致轉換后的正常高或正高的精度下降。在垂直位移的監測中我們關心的是高程的變化，因而完全可以在大地高系統中進行監測。目前IGS提供的精密星歷足以保證大地高系統的穩定性，從而避免在高程系統的轉換過程中的精度損失。

正因為如此，GPS 定位技術在變形監測中迅速得到了推廣，成為一種新的很有前途的變形監測方法。

當然，利用GPS 定位技術進行變形監測時，也存在某些不足之處，主要表現在以下幾個方面：

(1) 點位選擇的自由度較低。為保證GPS測量的正常進行和定位精度，在GPS測量規范中對測站的選擇作出了一系列的規定，如測站周圍高度角15°以上不允許存在成片的障礙物，測站離大型發電機、變壓器、高壓線及微波信號發射臺、轉播臺等有一定的距離（例如200m～400m），測站周圍也不允許有房屋、圍墻、廣告牌、大面積水域等反射信號物，以避免多路徑誤差等。但在變形監測中上述要求往往難以滿足，因為監測點的位置通常是由業主單位依據大壩、橋梁、大型廠房等監測物的建筑結構和受力情況而確定的, 或由地質人員依據滑坡、斷層等地質構造而定的，變動的余地很小。

(2) 從整體上講觀測條件往往較差。如在長江三峽進行滑坡監測時，視場往往很狹窄，大量衛星被遮擋，切多路徑誤差嚴重。如在大壩上進行監測時，由于大壩的一側為大水庫而另一側則為山地等，自然地理環境和植被的明顯差別往往會導致大壩兩側的大氣狀況（溫度、濕度等）產生明顯的差異，從而影響對流層延遲改正的精度。

（3) 函數關系過于復雜，誤差源多。與正倒錘等變形監測手段相比，GPS定位的函數關系要復雜的多，涉及的誤差源也要多得多。在GPS定位中基準站和變形監測點間的坐標差是依據兩站的載波相位觀測值和衛星星歷經過復雜的計算后得到的。定位結果受衛星星歷誤差、衛星鐘誤差和接收機鐘鐘誤差、對流層延遲、電離層延遲、多路徑誤差、接收機測量噪聲以及數據處理軟件本身的質量等多種因素的影響。在數據處理過程中，還將涉及周跳的探測及修復、整周模糊度的確定等一系列問題。其中任一環節處理不好就將影響最終的監測精度。此外接收機天線相位中心的不穩定也是影響GPS定位精度的一個重要因素。目前利用GPS 進行變形監測的最好精度約為±0. 5 mm 左右。這一精度還難以滿足特種工程測量的精度要求。

三、 GPS變形監測模式

GPS定位技術進行變形監測作業可采用兩種模式：連續性監測模式和周期性重復測量監測模式。

（一）連續性變形監測模式：

連續性變形監測指的是采用固定檢測儀器進行長時間的數據采集，獲得變形數據系列，此時監測數據是連續的，具有較高的時間分辨率。根據變形體的不同特征，GPS連續性監測可采用靜態相對定位和動態相對定位兩種數據處理方法進行觀測，一般要求變形響應的實時性。例如，大壩在超水位蓄洪時，必須時刻監視其變形狀況，要求監測系統具有實時的數據傳輸和數據處理與分析能力。對于橋梁的靜動載實驗和高層建筑物的振動測量等，其監測的主要目的在于獲取變形信息及其特征，數據處理及分析可以在事后進行。對于建在活動的滑坡體上的城區、廠房，需要實時了解其變化狀態，以便及時采取措施，保證人民生命財產的安全，可以用全天候實時監測方法，即建立GPS自動化監測系統。系統的精度可按要求設定，目前最高監測精度可達到亞毫米級。系統的響應速度快，從控制中心敲擊鍵盤開始，幾分鐘內可以了解到監測點位置的實時變化情況。

在動態監測方面，過去一般采用加速度計算、激光干涉儀等測量設備測定建筑結構的振動特性，但是隨著建筑物高度的增加和對監測工作的連續性、實時性和自動化程度的要求的提高，常規的測量技術已經越來越受到局限。GPS作為一種新方法，隨著其硬件和軟件的發展與完善，在大型結構物動態特征和變形監測方面已3顯示出獨特的優越性。近幾年來，國內外利用GPS 在這方面進行了一些試驗研究工作。例如，利用GPS 技術對加拿大卡爾加里( Calgary )塔在強風作用下的結構動態變形進行了測定；國內對一些大跨度懸索橋和斜拉橋( 如廣東虎門大橋) 已嘗試安裝GPS實時動態監測系統，深圳帝王大廈的風力振動特性采用了GPS 進行測量。為了獲得監測對象的動態特征，需要進行連續的、高頻率的數據采樣。高采樣率衛星接收機( 20Hz、10Hz、5Hz) 的出現，使之成為研究各種工程建(構)筑物的動態變形特征的新方法。

長期連續監測模式具有下列優點：

a.可以較完善地消除接收機天線的安置誤差-如對中誤差)整平誤差)定向誤差)量測天線高的誤差等"的影響。

b.由于數據量特別多，故可通過濾波和平滑等技術來消除噪聲，提取大壩變形信息，獲得高精度的結果。

c.易于實現系統全自動化，提高系統的響應速度和作業效率。

長期連續性檢測模式的缺點是：

a. 每個變形監測點上均需長期安置一臺GPS接收機，監測成本昂貴。

b.在野外儀器設備的安全問題較難解決。

c.需要提供長期穩定的電源，這個問題也不容易解決。

（二）周期性測量變形監測模式

當形變體的變形速率相當緩慢( 如地殼運動,處于緩慢變形階段的滑坡體位移等)，在局部時間域和空間域內可以認為穩定不動時，可利用GPS進行周期性變形監測，監測頻率視具體情況可為數月、一年或甚至數年之久。此時采用GPS 靜態相對定位方法測量，將2 臺以上GPS 接收機安置在觀測點上同步觀測一段時間，觀測時段長度和時段個數依監測精度的要求而定。一般采用邊連接方式構成監測網，數據處理與分析在事后進行，用后處理軟件進行基線解算，經過平差計算求得觀測點的三維坐標。這種方法尤其適用于長邊監測網，邊長相對精度可高達。

周期性監測模式的優點為：

a.不必長期占用GPS接收機，在周期性復測期外接收機可用于其他用途，利用率高。

b.儀器設備的安全問題和供電問題很容易解決。

周期性監測模式的缺點是：

a.接收機天線的安置誤差難以完全消除，加之數據量又較少，因而監測的精度較低。要達到亞毫米級監測精度有相當大的難度，尤其是高程。

b.勞動強度特別大，響應的速度也特別慢。

四、GPS變形監測網

運用GPS技術進行工程建筑物、構筑物的變形監測時，通常在距離變形區較遠的穩定地方選擇基準點，作為GPS觀測的基準站。在變形體上選擇若干監測點，一般設置強制對中裝置，作為GPS觀測的流動站。如果采用適當的數據傳輸技術，實時地將測量數據自動傳送到數據處理中心，并進行保存、處理、分析和顯示，即可以進行連續地自動變形監測。

為了提高GPS觀測精度，應從GPS變形監測網基準點的影響、觀測誤差與形變信息的分離、周跳的探測與復測、整周模糊度的確定等方面進行深入而詳盡的研究，下面簡要說明GPS變形監測網的基準設計問題與網形設計問題。

（一）基準設計

GPS技術用于變形測量，所解算出的基線向量是屬于WGS-84坐標系的三維坐標差。實際需要的點位坐標可以是WGS-84坐標系的坐標，也可能是國家坐標系或地方獨立坐標系的坐標。所以，在GPS變形監測網的基準設計時，必須明確GPS成果所采用的坐標系統和起算數據，即明確GPS變形監測網所采用的基準。

GPS網的基準與常規測量的基準一樣包括位置基準、方位基準和尺度基準。位置基準由起算的GPS點的坐標確定，而方位基準和尺度基準分別由GPS基線向量的方位和距離確定。GPS測量的結果是三維坐標，位置基準有3個，方為基準有3個，尺度基準一個。如果以固定的基準點作為GPS網的起算數據，則在基準設計時，至少應當選擇3個穩定的基準點。為了增加GPS變形監測網的可靠性，一般應選擇4～5個穩定的基準點。

對于GPS變形監測網坐標系的選擇，如果選擇WGS-84坐標系，在進行GPS網設計時，最好能聯測附近的高精度的國家GPS點。如果附近沒有高精度的國家GPS點，則每期的GPS觀測結果進行數據處理時，都應以第一期的基準點的坐標為基準。如果選擇國家坐標系或地方獨立坐標系，則基準點應同時具有國家坐標系或地方獨立坐標系的坐標值，以便將GPS觀測結果進行坐標轉換，將各點的WGS-84坐標轉換為國家坐標系或地方獨立坐標系。

GPS測量所得的高程為WGS-84坐標系中的大地高。在實際變形監測工作中可以按大地高進行變形分析。如果實際應用中采用水準高程，在GPS網的基準點應同時測定其水準高程，以便將GPS高程通過曲面擬合轉換為水準高程。

（二）網形設計

由于GPS同步觀測不要求點間通視，故GPS網形設計具有較大的靈活性。

根據不同的精度要求，GPS網的網形布設通常有點連式、邊連式及邊點混合連接等幾種基本方式。GPS觀測中，3臺或3臺以上接收機同步觀測獲得的基線向量構成同步環。故所謂點連接、邊連接等方式都是指同步環之間的連接。

點連式是指相鄰同步圖形之間僅有一個公共點的連接，而邊連式的同步圖形之間由一條公共基線連接。顯然，邊連式有較多的重復邊和非同步圖形閉合條件（異步環），網形幾何強度和可靠性比點連式要高，故GPS變形監測網多采用邊連式的網形。

例如，對某地面變形監測網，將三角點（A、B、C、D）作為基準點與變形監測點一同進行GPS網的網形設計。用3臺接收機進行觀測的網形設計如圖5-a所示，若用4臺接收機進行觀測，則網形設計如圖5-b所示。當然，還可以設計出不同的網形，以便選出最佳的布網方案。

對于3臺接收機組成的監測網，基準網點4個，需觀測3個時段。基準點與變形監測點連成16個三角形，觀測16個時段。而應用4臺接收計時，4個基準網點觀測一個時段，基準點與網形監測點連成8個大地四邊形，觀測8個時段。顯然，用4臺接收機觀測比用3臺接收機觀測時段少了一半。兩種網形的多余觀測都比較多，屬于可靠性較強、精度較高的網形。

對于設計出的GPS網形，要依據接收機的觀測精度和網形結構，進行精度預計，同時給出該網的可靠性指標，求出最弱點點位中誤差?？紤]到觀測時段數，最后優化出精度能滿足要求、工作量最省的方案。

五、GPS應用于變形監測的發展趨勢

根據對國內外GPS變形監測的現狀分析和對變形監測的客觀要求, 可將GPS 變形監測的發展趨勢概括為以下幾個方面：

（1) 建立GPS變形監控在線實時分析系統

對于大壩、大型橋梁、高層建(構)筑物、滑坡和地區性地殼變形監測，研究建立技術先進而又實用的GPS變形監控在線實時分析系統是一個重要的發展趨勢。這種系統由數據采集、數據傳輸和數據處理與分析等幾個主要部分組成，可以使監測數據得到及時地分析和處理，從而實時地評價變形的現狀和預測其發展趨勢，為災害發生的可能性分析與預報提供科學依據，這對處于活躍階段的滑坡體變形及斷層的相對運動監測具有特別重要的意義。由于建立連續運行的GPS網絡系統進行大壩和滑坡等變形監測，成本較為昂貴。因此，研究低成本的GPS一機多天線變形在線實時監測分析系統也一個頗有實際意義的研究方向。

（2) 建立“3S”(GPS、GIS、RS) 集成變形監測系統

隨著計算機技術、無線電通訊技術、空間技術及地球科學的迅猛發展，“3S”(GPS、GIS、RS) 技術已從各自獨立發展進入相互集成融合的階段?！?S”技術集成,可為分析、研究包括變形信息在內的各種災變信息之間的相互關系提供技術支撐,特別是時態GIS(Temporal GIS，簡稱TGIS)技術的應用, 它可以描述四維空間的地質現象，除具有一般 GIS 的功能外，還能夠記載研究區域內各種地質現象隨時間的演繹過程，這對滑坡等地質災害的監測預報具有非常重要的作用。因此，研究“3S”(集成變形監測系統, 也是變形監測技術的重要發展趨勢之一。

（3）建立GPS與其他變形監測技術集成組合的綜合變形監測系統

為克服GPS技術用于變形監測的不足和局限性，根據變形監測的對象和目的，將GPS與其他變形監測技術(如IN﹣SAR、攝影測量和特殊變形測量技術等) 集成組合形成綜合變形監測系統，可實現不同監測技術之間的優勢互補。例如，將GPS 與INSAR 集成組合成GPS/INS變形監測系統，可從離散點位測定進入到四維形變場( x, y, z, t) 的整體動態精確測定，使GPS變形監測技術應用范圍更加廣闊?，F在GPS等空間測地技術不僅可以應用于水庫大壩及各種滑坡的精密外觀形變監測，而且已經用于研究板塊運動、亞板塊運動等問題，這在過去是不敢想象的。GPS 等空間測地技術集成組合應用于大范圍、整體性的地殼運動監測，將使地殼形變觀測在空間域的控制能力和分辨能力方面得到極大的提高，這也為GPS等空間測地技術用于大型工程的變形監測帶來了新的機遇，為推進高精度變形監測的研究注入新的活力。

（4) 將小波分析理論用于GPS動態變形分析

為了克服經典Fourier分析不能描述信號時頻特征的缺陷，可將小波變換用于GPS動態變形分析, 即利用小波變換的多分辨率特性，實現GPS動態監測數據的濾波、變形特征信息的提取以及不同變形頻率的分離。通過小波變換提取變

形特征的研究工作已經起步，但尚未取得實質性的研究成果。在第21屆國際大地測量與地球物理聯合會( IUGG )大會上，國際大地測量協會( IAG )將小波理論及其應用（確定為大地測量新理論的研究方向之一。在1999年召開的第22屆IUGG大會上，小波理論及其在大地測量和地球動力學中的應用（再次被IAG確定為GIV 分會(大地測量理論與方法)的新的研究課題。由此可見開展小波理論及其應用研究的重要性。小波分析為高精度變形特征提取提供了一種數學工具，可解決其他方法無法解決的難題，對非平穩信號消噪有著其他方法無法比擬的優點。因此，小波分析理論在GPS動態變形監測的數據處理與分析方面將可發揮重要作用。

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