畢業(yè)論文---gps在變形監(jiān)測中的應用及發(fā)展前景

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p>　　1 GPS技術(shù)與變形監(jiān)測技術(shù)1</p><p>　　1.1 GPS技術(shù)1</p><p>　　1.1.1 GP

2、S簡介1</p><p>　　1.1.2 GPS定位原理、方法2</p><p>　　1.1.3 GPS測量的特點3</p><p>　　1.1.4 GPS外業(yè)測量工作的實施4</p><p>　　1.1.5 GPS高程測量5</p><p>　　1.1.6 GPS網(wǎng)的建立及質(zhì)量控制7</p>

3、<p>　　1.1.7 GPS測量的數(shù)據(jù)處理9</p><p>　　1.1.8 GPS定位中的誤差來源與削弱或消除措施12</p><p>　　1.1.9 GPS的應用12</p><p>　　1.2 變形監(jiān)測技術(shù)14</p><p>　　1.2.1 變形監(jiān)測的含義及分類14</p><p>　　

4、1.2.2 變形監(jiān)測的內(nèi)容及特點14</p><p>　　1.2.3 變形監(jiān)測的數(shù)學模型15</p><p>　　1.2.4 變形監(jiān)測的作用16</p><p>　　2 GPS在變形監(jiān)測測量中的優(yōu)勢及不足分析17</p><p>　　2.1 GPS在變形監(jiān)測測量中的優(yōu)勢分析17</p><p>　　2.1.1

5、 儀器上的優(yōu)勢17</p><p>　　2.1.2 在數(shù)據(jù)處理中的優(yōu)勢18</p><p>　　2.2 GPS在變形監(jiān)測中的不足分析20</p><p>　　3 GPS在變形監(jiān)測中的應用及前景展望20</p><p>　　3.1 GPS在變形監(jiān)測中的應用20</p><p>　　3.1.1 GPS在大壩變形監(jiān)

6、測中的應用21</p><p>　　3.1.2 GPS在礦區(qū)地面沉降監(jiān)測中的應用22</p><p>　　3.1.3 GPS在高層建筑物監(jiān)測中的應用22</p><p>　　3.1.4 GPS在橋梁工程變形監(jiān)測中的應用23</p><p>　　3.2 GPS變形監(jiān)測前景展望24</p><p><b&g

7、t;　　結(jié)論25</b></p><p><b>　　致 謝26</b></p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p>　　GPS在變形監(jiān)測中的應用及發(fā)展前景</p><p><b>　　摘 要</b></p><p

8、>　　隨著GPS測量技術(shù)的快速發(fā)展，工程測量的作業(yè)方法發(fā)生了歷史性的變革。與傳統(tǒng)的工程變形監(jiān)測方法相比，GPS測量技術(shù)在全能性、全球性、全天候、連續(xù)性、實時性和自動化程度等方面,具有不可比擬的優(yōu)勢，現(xiàn)已成功的應用于工程測量等諸多領域。工程的變形監(jiān)測與預報是20世紀70年代發(fā)展起來的新興學科，由于工程建設的有關(guān)對象所可能引發(fā)的災害，關(guān)系到人民生命和財產(chǎn)的安全，所以變形監(jiān)測不僅對監(jiān)測建筑物的安全、防止事故發(fā)生有重大意義，而且在積累監(jiān)測

9、資料、檢驗工程設計是否合理方面也具有重要作用[1]。本文主要論述GPS技術(shù)和變形監(jiān)測方面的一些基本知識，GPS用于變形監(jiān)測的優(yōu)勢體現(xiàn)以及發(fā)展趨勢。</p><p>　　關(guān)鍵詞：GPS技術(shù)；變形監(jiān)測；應用</p><p>　　APPLICATION AND DEVELOPMENT</p><p>　　PROSPECT OF GPS IN DEFORMATION<

10、/p><p>　　MONITORING</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the rapid development of GPS measurement technology，historic changes have taken place in engineering measurement

11、method. Compared with the traditional engineering deformation monitoring methods，GPS measurement technology in totipotent，global，all-weather，continuous，real-time and automation degree， etc， has incomparable advantages，wh

12、ich has already been applied successfully in many fields such as engineering measurement. Deformation monitoring and prediction of engineering is a new discipline</p><p>　　KEY WORDS ：GPS technology；Deformati

13、on monitoring；Application</p><p>　　1 GPS技術(shù)與變形監(jiān)測技術(shù)</p><p><b>　　1.1 GPS技術(shù)</b></p><p>　　1.1.1 GPS簡介 </p><p>　　GPS，全稱Global Positioning System,即全球定位系統(tǒng)。在當時，全球

14、定位系統(tǒng)是一種軍民兩用的新一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，具有很好的保密性和抗干擾能力，如今，GPS在軍事和民用等各個領域里正發(fā)揮著越來越大的作用。其用戶越來越多，使用方式越來越多樣，效用也越來越大，所以全世界的發(fā)達國家都在積極發(fā)展自己的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，以最大限度的謀取經(jīng)濟利益、政治利益和軍事利益。</p><p>　　GPS是由以下三個部分組成：空間部分（GPS衛(wèi)星）、地面監(jiān)控部分和用戶部分[2]。其具體作用與功能分別

15、為：</p><p>　?。?）空間部分即是GPS衛(wèi)星，共24顆，均勻的分布在6個軌道面上，其基本功能是：接收并存儲導航電文；自動生成測距碼和載波；將測距碼和導航電文調(diào)制成載波轉(zhuǎn)發(fā)給用戶；通過對衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘參數(shù)進行調(diào)整，排除衛(wèi)星發(fā)生的故障，如果問題仍然不能解決，必須開啟衛(wèi)星上的備用設施，來確保整個系統(tǒng)能夠正常工作。</p><p>　?。?）地面監(jiān)控部分一般是在地面上建立的硬件設施，用

16、來支撐整個系統(tǒng)的運行，為衛(wèi)星提供一個穩(wěn)定運行環(huán)境。它包括主控站、監(jiān)測站、注入站和通信與輔助系統(tǒng)。其中主控站是系統(tǒng)的核心，是行政管理和技術(shù)中心。監(jiān)測站的作用就是把經(jīng)過處理后的偽距觀測值傳給主控站，其中偽距觀測值是通過GPS和氣象傳感器的共同測量而獲得的。</p><p>　　（3）用戶部分一般是由用戶、GPS接收機、天線單元、接收單元、輸入輸出設備和電源等儀器裝置組成的。GPS衛(wèi)星接收機可以接收來自待測衛(wèi)星的信號，

17、對信號進行一系列的技術(shù)處理，并通過計算機和一些相應的軟件的使用，對獲得的基線向量進行解算和網(wǎng)平差，可以求出GPS接收機天線中心的空間三維坐標。，從而達到定位的目的。</p><p>　　另外，GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號是由載波、測距碼和導航電文三部分組成的。其中導航電文是以“幀”為單位向外傳播的[3]。</p><p>　　1.1.2 GPS定位原理、方法</p><p>

18、;　　如圖1所示，設置在Q點的是GPS接收機，在某一時刻t，它能同時接收來自衛(wèi)星（至少三顆衛(wèi)星）S1、S2、S3所發(fā)出的信號（至少三顆衛(wèi)星），通過對接收信號的處理及數(shù)據(jù)計算，可以測算出在時刻t GPS接收機天線中心與衛(wèi)星S1、S2、S3的空間距離L1、L2、L3。然后可以根據(jù)衛(wèi)星星歷可以推算出三顆衛(wèi)星的三維坐標（Xi，Yi，Zi）,i=1,2,3，從而根據(jù)距離的反算，計算出接收機天線中心點Q的三維坐標（X，Y，Z）。運用距離交會的方法來

19、解算出接收機天線中心的坐標，這就是GPS的定位原理[4]，其具體計算過程如下：</p><p>　　L1=（X-X1）+（Y-Y1）+（Z-Z1）</p><p>　　L2=（X-X2）+（Y-Y2）+（Z-Z2）</p><p>　　L3=（X-X3）+（Y-Y3）+（Z-Z3）</p><p>　　圖1 GPS定位原理圖</p>

20、;<p>　　在靜態(tài)定位中，通常所采用的方法有：取整法、置信區(qū)間法、模糊函數(shù)法、整數(shù)解和實數(shù)解。其中求整數(shù)解一般通過解算載波相位觀測值先求初始解，然后采用取整法來確定整周模糊度參數(shù)，最后求得基線向量的整數(shù)解。在快速定位中，最具有代表性的兩種方法：一個是走走停停（Go and Stop）法，另一個是快速靜態(tài)定位法。動態(tài)定位的方法可分為兩大類：初始化法與實時解算模糊度的方法。單點定位一般采用用測碼偽距觀測值，來獲得觀測方程進行

21、解算的。其中動態(tài)定位與靜態(tài)定位的根本區(qū)別在于一個時段內(nèi)待定點位置的變化與循序的定位誤差相比是否顯著，能否忽略不計；待定點的坐標是否可當做一組不變的未知數(shù)[5]。無論是采用哪種定位方法，整周模糊度的確定都是至關(guān)重要的，當然探測和修復整周的跳變，檢驗和剔除粗差觀測值的工作也是不可少的。相對定位又包括動態(tài)相對定位和靜態(tài)相對定位。由于靜態(tài)相對定位觀測時間較長，誤差得到了充分的消除，定位精度比較高，所以這種定位方法常用于精密工程測量、布設高精度的

22、控制網(wǎng)、測定地殼的形變和板塊的運動等高精度測量。而動態(tài)相對定位觀測時間短，誤差過大，定位精度相對于靜態(tài)定位較差，不能通過多次長時間的觀測來提高定位精</p><p>　　1.1.3 GPS測量的特點</p><p>　　與常規(guī)的測量方法相比，GPS測量主要具有以下特點：</p><p>　　(1)選點比較靈活，測站間無需通視</p><p>

23、　　測站間不需要通視，是GPS測量最具有代表性的特點，解決了常規(guī)測量方法難以逾越的技術(shù)難題。所以在選點時，只要測站上空空間比較開闊，不影響GPS接收機接收信號的話，可以只考慮工程控制網(wǎng)的實際需要來確定點位，保障了工程測量控制網(wǎng)的圖形質(zhì)量，這樣既方便又節(jié)省時間。另外，由于GPS測量對通視條件要求不高，選點靈活還無需造標，省去了測站點中間的傳遞過渡點，也無需多次架站，大大降低了布網(wǎng)所需要的費用。</p><p>　　

24、(2)定位的精度很高</p><p>　　較常規(guī)測量方法而言，GPS定位測量的精度很高，測量出的數(shù)據(jù)也很可靠，，沒有誤差積累，可達到微米級（常規(guī)測量毫米級mm）。尤其是相對精度，GPS的精度更高，這些都是常規(guī)的測量方法難以達到的。在布設GPS控制網(wǎng)中，布設的基線距離越大，相對精度也就越高。然而，隨著現(xiàn)代化工程建設的不斷發(fā)展，各大工程對GPS的數(shù)據(jù)處理技術(shù)也提出了新的要求，對精度的要求也越來越苛刻，所以定位精度還有

25、待進一步提高。</p><p><b>　　(3)全天候作業(yè)</b></p><p>　　全天候觀測，即在一天的24小時之內(nèi)的任何時刻都可以進行GPS測量，不受風雪雨霧、雷電等天氣狀況的影響。均勻分布在空中的GPS衛(wèi)星，可以實時的進行監(jiān)測，獲得連續(xù)的三維坐標。這一特點對于抗洪救災、地震、滑坡和泥石流等地質(zhì)災害的實時連續(xù)監(jiān)測具有重要意義。</p><

26、p>　　(4)操作簡單，自動化程度高</p><p>　　GPS接收機操作方法非常簡單，自動化和集成化程度也很高，測繪功能很強大。用GPS接收機進行外業(yè)測量時,只需一個人將天線安在測站的三腳架上，進行對中、整平、量取天線高等操作，打開手簿設置參數(shù)，設置好之后便可以進行測量了（當然RTK也可以邊走邊測），測量計算出的坐標數(shù)據(jù)儲存在接收機里，能方便快捷的與計算機進行數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了GPS的自動化。由于GP

27、S的數(shù)據(jù)采集工作是自動進行的，基本不受人為控制，不需要再進行多余的常規(guī)測量，減少了人為誤差，極大的保證了測量的精度。</p><p>　　(5)觀測時間短，作業(yè)效率高</p><p>　　隨著GPS測量技術(shù)的不斷的發(fā)展和完善，動態(tài)GPS定位在極短的時間內(nèi)（數(shù)秒）就可以達到厘米級甚至毫米級的精度，而采用靜態(tài)相對測量的方法卻需要30min左右?？焖凫o態(tài)定位方法的應用，使得測量精度又提升了一個臺

28、階，并且觀測所需要的時間更短。比如用GPS接收機進行地籍測量或者地形圖測繪，每兩三秒就能打一個點，極大地提高了工作效率，節(jié)省大量費用，這些都是傳統(tǒng)測量方法不能比擬的。所以，在建立工程控制網(wǎng)時，GPS技術(shù)的應用是一種趨勢，這樣既可以縮短觀測時間，又可以提高工作效率和經(jīng)濟效益。</p><p>　　(6)可獲得三維坐標</p><p>　　GPS測量可以獲得點的三維坐標，但是得到的高程是大地高

29、。而在工程建設、地形測繪及日常生活中，我們需要的是正常高或者是正高，它們有以下數(shù)學關(guān)系：</p><p>　　h正常高=H大地高-n；</p><p>　　h正高=H大地高-N</p><p>　　其中n是高程異常，N是大地水準面的差距。</p><p>　　1.1.4 GPS外業(yè)測量工作的實施</p><p>　　G

30、PS外業(yè)測量工作，即是野外觀測點數(shù)據(jù)的采集。與傳統(tǒng)的外業(yè)測量不同，GPS外業(yè)觀測工作一般都是由GPS接收機自己完成的，除了安置儀器和量取儀器高，參數(shù)設置等，作業(yè)人員不能加以干預[6]。GPS外業(yè)測量的具體實施可分為兩大部分：</p><p>　　（1）實地踏勘選點:采用GPS技術(shù)進行外業(yè)測量，對通視要求不大，選點比較靈活，根據(jù)工程的需要，盡可能的選在比較容易進行觀測采集的地方，以便于提高外業(yè)測量的工作效率。由于G

31、PS外業(yè)測量使用的是GPS接收機，接收來自衛(wèi)星的信號，所以在選點過程中，一定要按照以下幾種要求來做。首先，點位位置必須是在地質(zhì)條件良好，不容易發(fā)生松動的地方，便于補測和后續(xù)測量；然后，要觀測一下點位四周視野是否開闊，不能存在高大建筑物或者電視臺等大功率無線電信號發(fā)射地（損壞接收機天線），而且應該遠離那些能夠遮擋和干擾信號的地方，免得出現(xiàn)多路徑效應；最后，在所選擇的點位及其附近做好標記，便于日后的數(shù)據(jù)采集。</p><

32、p>　?。?）外業(yè)觀測記錄：在觀測之前，首先要對接收機的各項指標進行檢驗，一般包括接收機的外觀、接收信號的強度、接收天線的穩(wěn)定性等等。在各項指標都合格之后，然后安置儀器，量取天線高，設置好參數(shù)等操作，根據(jù)GPS作業(yè)調(diào)度，進行點位數(shù)據(jù)采集，接收機會自動測量并記錄，觀測者在手簿上要標注點位的特征信息，從而完成了數(shù)據(jù)的采集工作。</p><p>　　1.1.5 GPS高程測量</p><p&g

33、t;　　采用GPS技術(shù)可以同時測出點的三維空間位置，而采用傳統(tǒng)的測量技術(shù)來確定點的空間位置，是分開進行的，分別是平面位置和高程位置的確定。采用的方法不同，所以觀測條件也不相同，在過去，水平位置的測設一般是通過測水平角、測邊，然后再計算的方法獲得點位的平面坐標的，而點位的高程信息一般是通過水準測量的方法獲得的[7]。采用GPS技術(shù)測得的高程是大地高（橢球高），不是實際應用中的正高或正常高，一般不能直接用于各個工程及我們的日常生產(chǎn)中，必須通

34、過高程基準的變換轉(zhuǎn)化成我們成常用的水準高程，才能加以應用。</p><p>　　大地高程系統(tǒng)是以參考橢球面為高程基準面來設定的，沒有實際的物理意義；而正高與正常高系統(tǒng)分別則是以大地水準面、似大地水準面為參考基準面的[8]。由于各個高程系統(tǒng)的參考面不同，具體的用途也不盡相同，但是它們之間是有一定的數(shù)學關(guān)系，即是可以相互轉(zhuǎn)化的。因為通過GPS技術(shù)所得到的高程（大地高）精度較高，可達1厘米左右，觀測效率又很高，所以GP

35、S水準的出現(xiàn)，正好彌補了這一缺憾，即是采用GPS技術(shù)測定點的大地高，通過基于大地水準面的差距或者高程異常值的確定，從而根據(jù)它們的數(shù)學關(guān)系，計算出該點的正高或正常高。具體的數(shù)學計算關(guān)系在上文已經(jīng)有所展示，在這里就不多作介紹了。</p><p>　　GPS水準包括兩方面的內(nèi)容，一是大地高的測定，二是大地水準面差距或者高程異常的的確定[9]。大地高一般采用GPS技術(shù)和方法來確定，而確定大地水準面差距或高程異常一般采用以

36、下幾種技術(shù)方法：(1)天文大地法，即利用天文大地點的垂線偏差，結(jié)合大地測量成果來確定大地水準面的差距。該方法具有很大的局限性，只有在具有天文坐標的區(qū)域才能使用。其精度受多方面因素影響，整體精度可達幾米；(2)大地水準面模型法，是以球諧重力位系數(shù)為基本數(shù)據(jù)，這種方法在海洋、陸地中用途廣泛。其絕對精度可達1米，目前的技術(shù)可達幾個厘米；(3)重力測量法，以地面重力觀測值為基本數(shù)據(jù)，計算點附近的區(qū)域必須要有良好的重力特性。其精度較高，相對精度更

37、高；(4)幾何內(nèi)插法，該方法很簡單，不需要復雜的軟件進行計算，適用于一些較平緩的地區(qū)。其精度可達1分米；(5)殘差模型法，以模型殘差值為基本數(shù)據(jù)，克服了幾何內(nèi)插的一些缺點，用途廣泛。</p><p>　　由于大地水準面差距或高程異常值的確定過程中，存在諸多因素的影響，GPS水準的精度還不夠高。這些因素包括大地水準面的平滑程度、地面重力觀測值覆蓋的密度和質(zhì)量、衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的精度與可靠性等。為了提高和保證GPS水準的

38、精度，必須通過提高GPS測量大地高的精度才能實現(xiàn)，首先，必須徹底的改正和消除GPS觀測值中的電離層延遲誤差和多路徑效應產(chǎn)生的誤差，至于電離層延遲誤差的改正和消除可以使用雙頻GPS接收機，多路徑效應的消除可以使用帶有抑徑板或抑徑圈的天線，最好是使用相同類型的天線；其次，對點的觀測要選擇在不同的時段和大氣條件下，利用不同的衛(wèi)星基座，并且進行較長時間的多次觀測，以便于削弱系統(tǒng)誤差對大地高程造成的影響；另外在基線解算時，對對流層延遲進行誤差估計

39、和精密星歷的使用，可以有效的減小衛(wèi)星的軌道偏差和對流層延遲誤差，從而達到提高GPS高程測量的精度。GPS高程的測量精度提高了，GPS水準的精度自然也就提高了。</p><p>　　1.1.6 GPS網(wǎng)的建立及質(zhì)量控制</p><p>　　近年來，隨著GPS測量技術(shù)的發(fā)展和完善，GPS的應用越來越廣泛，同時建立不同類型和不同精度的控制網(wǎng)和變形監(jiān)測網(wǎng)也屬于這個范疇。在確定點的坐標時，不一定要布

40、網(wǎng)，可以直接用GPS進行測量，但是往往這樣的觀測結(jié)果不盡人意，有些誤差或者粗差不能得到有效的處理，缺乏可靠性。而GPS網(wǎng)的建立，就有效的解決了這個問題。因為它可以利用網(wǎng)中點與點之間、基線向量與基線向量之間、點與基線向量之間的相關(guān)性，用來消除觀測值和起算數(shù)據(jù)中所存在的誤差。從而，GPS網(wǎng)更具可靠性，更加的能令人信服。</p><p>　　采用GPS定位技術(shù)建立的測量控制網(wǎng)統(tǒng)稱為GPS網(wǎng)，它是由GPS點和基線向量組成

41、的。因為具有很高的精度及可靠性，既可以用于控制測量，又可以用于變形監(jiān)測。一般情況下，在進行GPS網(wǎng)測量時，在每一個點上都要進行一次或者多次觀測，網(wǎng)的等級和質(zhì)量不同，觀測次數(shù)也不盡相同，以此來確保幾何圖形的圖形質(zhì)量及觀測成果的精度和可靠性。</p><p>　　在進行GPS網(wǎng)的外業(yè)觀測過程中，一般采用多臺GPS接收機同時進行觀測，已達到同步觀測的目的，這樣可以確保GPS接收機在同一時間所處的狀態(tài)相同，消除了測站之間

42、由于衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘、電離層延遲等因素所造成的網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)誤差，也保證了圖形的質(zhì)量和相對定位的精度可靠性。</p><p>　　根據(jù)GPS網(wǎng)觀測作業(yè)的方式，可以把GPS的布網(wǎng)形式分為以下幾種：跟蹤站式、會戰(zhàn)式、多基準站式、單基準站式和同步圖形擴展式。對于不用的工程及其所需要的精度要求，布網(wǎng)形式一般也不同。布設精度很高的A級網(wǎng)時，一般采用跟蹤站式的布網(wǎng)形式，因為采用跟蹤站式的布網(wǎng)形式，必須在網(wǎng)中每個點上都要安置一臺GP

43、S接收機，對測站點進行常年不間斷全天候的連續(xù)觀測，觀測時間長，具有很高的精度及可靠性，當然觀測所需要的費用以及成本也很高，一般不用來布設等級較低的控制網(wǎng)。會戰(zhàn)式布網(wǎng)形式，即是在短期內(nèi)，運用多臺GPS接收機同時作業(yè)，對網(wǎng)內(nèi)的同一批點進行多天、長時間的同步觀測，精度也很高，也很可靠。一般情況下，GPS接收機的數(shù)量遠遠沒有網(wǎng)內(nèi)點的數(shù)量多，可以采用全部的接收機對網(wǎng)內(nèi)的一部分點進行同步觀測，這一批點觀測完之后，再對網(wǎng)內(nèi)的其他點，依次進行下去，直至

44、網(wǎng)內(nèi)所有的點都觀測完畢。由于這種布網(wǎng)形式觀測費用也較高，常用于B級網(wǎng)的布設。采用多基準站式的布網(wǎng)形式來布設GPS網(wǎng)時，在一段時間內(nèi)，用若干臺GPS接收機固定在至少四個點上，進行長時間的觀測，作為基準站，在其周圍再用剩下接收機在這幾點周圍進行小范圍的網(wǎng)觀測，周圍的流動站</p><p>　　GPS網(wǎng)根據(jù)基本圖形的形式，可分為三角形網(wǎng)、多邊形網(wǎng)、附合導線網(wǎng)、星形網(wǎng)，顧名思義，其基本圖形分別是由三角形、多邊形、附合導線

45、、支導線，而這些基本圖形又都是由獨立的基線向量構(gòu)成的。其中的三角形網(wǎng)幾何強度好，抗粗差能力強，具有很高的精度與可靠性，但是觀測工作極其復雜，工作量大，需要的費用也多，一般情況下我們不采用這種網(wǎng)形。</p><p>　　GPS網(wǎng)的質(zhì)量指的是網(wǎng)的精度和網(wǎng)的可靠性，其精度是一些誤差精度指標共同作用的結(jié)果，其可靠性反應了GPS網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和抵御觀測值與起算數(shù)據(jù)中含有的粗差的能力。GPS網(wǎng)的成果質(zhì)量與GPS基線向量的質(zhì)量、常規(guī)地

46、面觀測值得質(zhì)量、起算數(shù)據(jù)的質(zhì)量、GPS網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)處理方法的完備性等因素都存在很大的相關(guān)性，也就是說這些因素的質(zhì)量決定了GPS網(wǎng)的質(zhì)量。其中基線向量的質(zhì)量對GPS網(wǎng)質(zhì)量影響較大，在測量過程中，必須采取措施加以控制，數(shù)據(jù)處理時，也要采取適當?shù)拇胧┘右愿恼托迯?；距離、角度、方向、高差等常規(guī)地面觀測值對GPS網(wǎng)質(zhì)量也有影響，這些觀測值的質(zhì)量取決于它們觀測方法是否合理，實施是否正確；起算數(shù)據(jù)的質(zhì)量取決于起算數(shù)據(jù)的精度、數(shù)量及其分布狀況，也

47、就是說原有的觀測資料的精度和可靠性也能影響GPS網(wǎng)的質(zhì)量；GPS網(wǎng)的結(jié)構(gòu)越復雜，內(nèi)在相關(guān)性越大，GPS網(wǎng)的質(zhì)量也就越高；由于數(shù)據(jù)處理方法和處理模型、處理軟件和解算方案的的不同，所獲得的結(jié)果也不相同，必須采取統(tǒng)一的方案對數(shù)據(jù)進行處理，才能確保GPS數(shù)據(jù)處理的成果質(zhì)量。所以，對于GPS網(wǎng)的中間產(chǎn)品及最終成果進行質(zhì)量檢驗和改善是非常有必要的，對成果加以評定，把不符合</p><p>　　提高GPS網(wǎng)質(zhì)量主要是通過提高G

48、PS網(wǎng)的精度和可靠性的方法來實現(xiàn)的，提高GPS網(wǎng)質(zhì)量的方法主要有以下幾種：</p><p>　?。?）同步觀測網(wǎng)中距離較近的點并獲得他們之間的基線向量，因為相鄰點的相對精度較高；</p><p>　?。?）建立框架網(wǎng)，作為GPS網(wǎng)的骨架結(jié)構(gòu)，增大各個點與點、點與基線、基線與基線的相關(guān)性；</p><p>　?。?）布網(wǎng)時，網(wǎng)中不得超過六條最簡異步環(huán)，保證每個測站連接

49、的獨立基線不少于三條；</p><p>　?。?）引入高精度的激光測距儀，測出基線向量的距離并作為起算邊長；</p><p>　?。?）網(wǎng)中的水準點應盡可能的多，且均勻分布在網(wǎng)的周圍；還可以通過增加精度較高的獨立基線來提高GPS網(wǎng)的精度；</p><p>　?。?）適當?shù)脑黾佑^測期數(shù)和重復觀測次數(shù)，以便于增加獨立基線數(shù)，及時的發(fā)現(xiàn)人為因素造成的影響。</p&g

50、t;<p>　　通過這些方法的運用，GPS網(wǎng)的精度與可靠性得到了保證，從而也提高了GPS網(wǎng)的質(zhì)量。</p><p>　　1.1.7 GPS測量的數(shù)據(jù)處理</p><p>　　GPS測量的數(shù)據(jù)處理過程可劃分為基線解算和網(wǎng)平差兩個階段，都是采用隨機軟件來完成[10]。其中基線解算即是對GPS原始數(shù)據(jù)進行處理獲得同步觀測網(wǎng)的基線解；網(wǎng)平差是對各同步網(wǎng)進行整體平差和分析, 獲得GPS

51、網(wǎng)的整體解。經(jīng)過基線解算、網(wǎng)平差、精度分析和成果質(zhì)量檢核之后，便可得到需要的成果?；€的解算, 應采用IGS精密星歷，重點都在于對同步網(wǎng)的基線處理解算。而對于GPS網(wǎng)平差計算方法和精度評定及控制方面，基本沒有很好的處理模型，尤其是在多個子網(wǎng)的系統(tǒng)誤差分析、粗差分析及隨機誤差處理方面更為顯著[11]。目前。國內(nèi)著名的GPS平差軟件有: 原武漢測繪科技大學研制的GPSAD J系列平差處理軟件及同濟大學的TGPPS靜態(tài)定位后處理軟件，而國際上

52、著名的平差軟件有瑞士Bernese大學的Bernese軟件, 美國的GAMIT/GLOBK 軟件, 德國GFZ的EPOS.V3,美國JPL的GIPSY軟件等，這些軟件主要是對經(jīng)過GPS平差軟件處理后的結(jié)果進行三維和二維平差。使用這些數(shù)據(jù)處理軟件進行GPS網(wǎng)平差和分析, 可以按以下幾個步驟進行:</p><p>　　（1）提取基線向量；</p><p>　?。?）構(gòu)建GPS基線向量網(wǎng)；<

53、;/p><p>　?。?）三維無約束平差 ；</p><p>　?。?）約束平差/聯(lián)合平差；</p><p>　?。?）質(zhì)量分析與控制；</p><p>　?。?）輸出最終結(jié)果。</p><p>　　以中海達GPS接收機靜態(tài)測量為例，運用南方測繪GPS數(shù)據(jù)處理軟件處理GPS 靜態(tài)接收機采集的數(shù)據(jù)。首先，必須要將第一手的觀測

54、數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化為通用格式（Renix）的數(shù)據(jù)文件，然后用南方GPS數(shù)據(jù)處理軟件處理所得到的轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)文件，其實GPS處理軟件主要是對數(shù)據(jù)進行基線解算、無約束平差、約束平差、精度分析和輸出成果等工作。其具體處理步驟如下圖：</p><p>　　GPS數(shù)據(jù)處理具體步驟</p><p>　　對數(shù)據(jù)進行無約束平差和約束平差，主要是對外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量做一個檢核，及時的發(fā)現(xiàn)不合格的成果，可以采用相應

55、的措施加以補救，免得費工費時，造成不必要的損失[12]。</p><p>　　1.1.8 GPS定位中的誤差來源與削弱或消除措施</p><p>　　在GPS定位中，會出現(xiàn)各種誤差，總的而言，可分為偶然（隨機）誤差和系統(tǒng)誤差（偏差）。其中，一般情況下，系統(tǒng)誤差對定位造成的影響比較大，而且誤差又會呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。單論誤差源所造成的誤差來說，誤差可分為三類：發(fā)射信號的衛(wèi)星產(chǎn)生的誤差、信號傳播

56、過程中造成的誤差、接收信號的接收機造成的誤差。有關(guān)衛(wèi)星的誤差包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘的鐘誤差、相對論效應產(chǎn)生的誤差，其中相對論效應指的是衛(wèi)星鐘與接收機鐘狀態(tài)不同步引起的相對鐘誤差；由于衛(wèi)星信號的傳播需要經(jīng)過電離層（有帶電粒子）、平流層、對流層（大氣）等，影響信號的傳播速度與傳播路徑，會產(chǎn)生相應的延遲誤差或多路徑效應；而接收機的誤差指的是接收機的鐘誤差、位置誤差、測量噪聲誤差[13]。</p><p>　　由于系統(tǒng)

57、誤差對衛(wèi)星與觀測點的距離測量造成的影響太大，與實際測量相差過大，對定位精度有極大的危害，必須加以消除和大幅度的削弱。建立誤差改正模型、求差、選擇較好的觀測條件和硬件設施等方法的使用，都能夠有效的消除和削弱這些誤差造成的定位影響[14]。通過對誤差的特性、機制研究分析而建立的理論公式，又或者是根據(jù)成批的觀測數(shù)據(jù)整合而成的經(jīng)驗模型，又或者是采用兩種方法融合而成的綜合改正模型。通過對觀測值的數(shù)據(jù)處理和平差，利用其相關(guān)性，進行求差，有的還要進行

58、求二次差，這種方法比較精確，所以它可以大幅度的削弱和消除誤差的影響。而信號傳播過程中產(chǎn)生的多路徑效應，采用求差的方法卻不能消除誤差影響，也難以建立適當?shù)母恼Ｐ?，只有通過觀測條件的改善和質(zhì)量更好硬件設施的應用，才能盡量減小誤差造成的定位影響，例如選擇較好的接收機和天線，選擇較好的觀測時段，遠離干擾源和反射物等。</p><p>　　1.1.9 GPS的應用</p><p>　　GPS由于精

59、度高的特點。不僅可以提供精確的位置信息（定位），還可以精確的提供時間和速度等信息，滿足了不同用戶的需求。與計算機、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一樣，GPS技術(shù)也在很多領域都得到了廣泛的應用，尤其是在測量、軍事、交通運輸、大氣研究等領域。正在深刻的影響著人類的日常生活、生產(chǎn)活動和科學研究。下面簡單介紹一下在各個領域中的應用：</p><p>　　（1）在軍事：原來研制組建GPS的最初目的就是用于軍事上，它可以為導彈提供精密制導，精確

60、的命中目標并摧毀重要的軍事目標，尤其是在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中。例如在1991年的海灣戰(zhàn)爭及2003年的伊拉克戰(zhàn)爭中，美英各國使用的精確制導武器占了武器總數(shù)的70%，這是一個多么夸張的比例??！</p><p>　?。?）在測量領域：在大地測量與地球動力學中，GPS用來建立和維持國際地球參考框架、測定地球自轉(zhuǎn)參數(shù)，建立和維持區(qū)域性的動態(tài)參考框架、大地定位。在工程測量中，GPS可以布設各種類型的控制點和控制網(wǎng)、變形監(jiān)測和一般的

61、工程測量(對精度要求不高)，相對于常規(guī)的測量方法具有不可比的優(yōu)勢，并且也能保證工程所需要的精度要求。GPS在航測和遙感中，用來進行空中三角測量和遙感衛(wèi)星定軌。此外，GPS還可用在地籍和地形的測量中，用來確定土地的權(quán)屬和位置信息、地形的起伏等變化。其中，GPS在變形監(jiān)測中的應用，下文將給于詳細介紹。</p><p>　?。?）在交通運輸業(yè)：GPS可以為飛機、船舶、車輛等提供導航和管理服務，可以在大霧、大風等不利的天

62、氣條件下完成導航，更加實用和方便。</p><p>　?。?）在氣象學：GPS用于收集氣象資料，測定電離層延遲并建立電離層延遲模型，大幅度的提高時間分辨率和空間分辨率，是傳統(tǒng)的氣象儀器不可比擬的。</p><p>　　（5）另外，GPS還用于精細農(nóng)業(yè)林業(yè)的病蟲害防治、資源勘探、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、移動位置服務等領域中，例如在森林火災的位置和范圍、石油與煤礦的勘測、沙塵暴監(jiān)測等方面，這些都是采用常

63、規(guī)測量方法難以做到的。移動定位服務是GPS技術(shù)與移動通信技術(shù)相結(jié)合提供的，于是GPS導航儀就應運而生了，甚至是手表式的GPS導航儀，用戶越來越多，市場潛力十分巨大。</p><p>　　1.2 變形監(jiān)測技術(shù)</p><p>　　1.2.1 變形監(jiān)測的含義及分類</p><p>　　變形監(jiān)測又可以稱為變形觀測或者變形測量，它是對監(jiān)測對象或物體（簡稱變形體）的空間位置

64、進行測量以確定其形態(tài)隨時間而發(fā)生的變化特征，是對變形體自身形變和剛體位移的幾何量的監(jiān)測[15]。它包括工程的變形監(jiān)測、區(qū)域性的變形監(jiān)測、全球性的變形監(jiān)測。對于工程的變形監(jiān)測來說：“監(jiān)測是基礎，分析是手段，預報是目的”。變形體一般指的是與工程建設有關(guān)的工程建筑物、機器設備以及其他的自然或人工對象，例如鐵路（高鐵）、大壩、隧道、高層建筑物、地下工程、橋梁、大型科學實驗室等都可成為工程變形體。區(qū)域性的變形監(jiān)測是針對區(qū)域性的地殼形變和地面沉降而

65、進行的監(jiān)測。全球性的變形監(jiān)測是指對地球自轉(zhuǎn)速率變化、地殼形變、潮汐、極移、全球板塊運動等地球自身的動態(tài)變化而進行的監(jiān)測。變形監(jiān)測分為動態(tài)監(jiān)測與靜態(tài)監(jiān)測。動態(tài)變形必須通過持續(xù)的監(jiān)測測量才能得到，因為這種變形一般都是變形體在外力的作用下發(fā)生的變形，變形較快；而靜態(tài)變形必須通過進行周期性的測量才能發(fā)現(xiàn)，因為其形變過程較為緩慢，不容易被人看出來。變形監(jiān)測測量可以為變形分析和變形預報提供第一手基礎數(shù)據(jù)。</p><p>　

66、　1.2.2 變形監(jiān)測的內(nèi)容及特點</p><p>　　總的來說，變形監(jiān)測的主要內(nèi)容包括現(xiàn)場巡視、滲流監(jiān)測、位移監(jiān)測、應力應變監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測等幾個方面?，F(xiàn)場巡視在變形監(jiān)測中也是一項重要內(nèi)容，在工程現(xiàn)場施工和運營期間，也是必須要做的，不能缺少的過程。巡查的次數(shù)應該根據(jù)工程的施工進度等現(xiàn)場具體情況來決定。其中，位移監(jiān)測主要有水平位移監(jiān)測、沉降觀測、裂縫觀測、撓度觀測等；滲流觀測主要是對地下水位和壓力的監(jiān)測。具體來說

67、的話，位移監(jiān)測就是對變形體的沉降（垂直位移）、水平位移、擾度、裂縫、傾斜、彎曲、偏距、扭轉(zhuǎn)、震動等進行的測量，主要是發(fā)現(xiàn)變形體幾何量的變化。除了上面所說的之外，還包括與變形有關(guān)的物理量的監(jiān)測，例如滑坡、高邊坡、應力、應變、溫度、風向、氣壓、滲壓等的觀測。</p><p>　　與常規(guī)的測量工作相比，變形監(jiān)測主要具有周期性重復觀測、精度要求高、觀測技術(shù)多等特點。對于不同的任務，變形監(jiān)測所要求的精度不同。一般情況下，在

68、對工程進行變形監(jiān)測時，必須精確測定變形體的空間位置，從而根據(jù)這些數(shù)據(jù)對比來判斷變形體是否發(fā)生變形；有的變形很微小，肉眼看不出來，所以它對精度的要求較高。例如，大壩的水平位移監(jiān)測精度要控制在1mm之內(nèi)。但是，周期性重復觀測卻是變形監(jiān)測的最大特點，所謂的周期性重復觀測就是周期性的對觀測點進行多次觀測，觀測的時間間隔是固定的，在觀測過程中，觀測方案，觀測條件、測量人員和作業(yè)方法都要一致，不能隨意進行更改。在一定的時間內(nèi)完成一個周期的測量工作，

69、此時間間隔稱為觀測周期。第一次觀測周期稱為初始周期或零周期。隨著科技的進步和發(fā)展，變形監(jiān)測技術(shù)也在隨著發(fā)生變化，并得到了不斷地豐富和提高，尤其是新技術(shù)的應用，例如GPS、測量機器人、光纖傳感技術(shù)、CT技術(shù)、激光技術(shù)等，這些技術(shù)的應用，極大地提高了變形監(jiān)測工作的效率和自動化，減輕了測量工作的勞動強度，最重要的是實現(xiàn)了高精度、測量數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。</p><p>　　1.2.3 變形監(jiān)測的數(shù)學模型</p&

70、gt;<p>　　為了準確而合理的處理變形監(jiān)測資料和成果，確定變形發(fā)生的原因及其規(guī)律，對建筑物的安全性做出判斷并預報，這些都需要經(jīng)過對變形監(jiān)測數(shù)據(jù)做進一步的數(shù)據(jù)處理分析、建立相應的數(shù)學模型才能解決，而不是單單的對變形監(jiān)測資料做一個初步的處理，只有這樣，才能找出變形在空間的分布情況及其在時間上的發(fā)展規(guī)律性，才能掌握形變大小與各種內(nèi)外因素的關(guān)系，并確定建筑物的變形是否異常和變形的發(fā)展趨勢，以便于采取及時而適當?shù)拇胧┘右苑婪叮?/p>

71、止因變形量過大而發(fā)生事故和災害。</p><p>　　目前，我們常用的數(shù)學模型可分為：統(tǒng)計分析模型、確定性模型、灰色系統(tǒng)分析模型、時間序列分析模型、神經(jīng)網(wǎng)絡分析模型等。其中統(tǒng)計分析模型是根據(jù)建筑物變形量與各種內(nèi)外部因素的關(guān)系而總結(jié)出來的一種數(shù)學模型，它呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。這種數(shù)據(jù)處理方法稱為回歸分析法，在變形監(jiān)測資料的分析中占有重要地位[16]。統(tǒng)計分析模型可分為一元線性統(tǒng)計模型、多元線性統(tǒng)計模型、逐步回歸統(tǒng)計模型

72、幾種；而確定性模型則是根據(jù)變形體的結(jié)構(gòu)分析、荷載組合情況，應力與變形之間的關(guān)系而建立的，這種模型能夠進一步的表達出變形體或建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形變趨勢。統(tǒng)計分析模型與確定性模型結(jié)合而成的混合模型，集兩種模型的優(yōu)點，應用更加的廣泛； 灰色系統(tǒng)分析模型是根據(jù)因子間的影響程度或因子對主行為的貢獻度而建立的，提供了一種在信息不完全的情況下解決隨機問題的數(shù)據(jù)處理方法。在灰色關(guān)聯(lián)分析中，關(guān)聯(lián)度一般會隨著數(shù)據(jù)處理方法的不同而發(fā)生變化，但關(guān)聯(lián)序則不會隨之發(fā)

73、生改變，所以對于關(guān)聯(lián)序的分析會更加穩(wěn)定和實用；而時間序列分析模型是利用觀測數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在相關(guān)性建立的數(shù)學模型，它是一種動態(tài)的數(shù)據(jù)處理方法，用來描述客觀現(xiàn)象的動態(tài)特征。</p><p>　　在實際運用中，變形體變形量大小與作用因子之間不一定是線性關(guān)系，選擇用逐步回歸統(tǒng)計模型來處理變形觀測的資料，是再適合不過了。但是，回歸因子的選擇不好確定，必須留下那些作用顯著的因子，作用微弱的因子剔除出去。只有初步找出變形體與作用

74、因素之間的函數(shù)關(guān)系，才能夠建立回歸方程和回歸模型[17]。所以說初選因子的確定，就顯得尤為重要。通常情況下，初選因子可以根據(jù)對變形監(jiān)測資料中圖表的分析來確定，有些還要憑借經(jīng)驗和假設來判斷，也可通過對變形的相關(guān)因素與結(jié)構(gòu)應力的初步分析加以確定。</p><p>　　1.2.4 變形監(jiān)測的作用</p><p>　　變形監(jiān)測的作用主要體現(xiàn)在以下兩個方面：</p><p>

75、　?。?）分析和評價變形體的安全狀態(tài)，驗證設計參數(shù)的正確性，修改不合理的設計數(shù)據(jù)，如改善建筑的物理參數(shù)、地基強度參數(shù)，還能反饋設計的施工質(zhì)量，尤其在工程的施工和運營階段，都必須進行變形監(jiān)測。如果監(jiān)測測量出的變形大小在允許范圍內(nèi)，屬于正?，F(xiàn)象，如若超過了一定的限度，就對工程的安全造成隱患，不能正常使用。及時的監(jiān)測工程建筑物、機器設備或者與工程建設有關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造變形，計算其變形大小，并對之安全性、穩(wěn)定性做出正確的判斷，便于采取適當?shù)拇胧﹣硖?/p>

76、理和解決，提前發(fā)現(xiàn)，從而保障了工程的安全，防止了事故的發(fā)生。特別是對于大型水力發(fā)電廠、核力發(fā)電廠、高速鐵路、大型水利樞紐工程、火箭發(fā)射場、粒子加速器等大型精密特種工程的安全具有重要意義。</p><p>　?。?）大量的積累監(jiān)測分析資料，研究正常的變形規(guī)律及特征，預報變形的大小，這樣便能更好的解釋變形的原因，確定變形的趨勢，為研究變形監(jiān)測和預報的理論和方法提供了理論依據(jù)，奠定了基礎，提高了變形體的抗災能力。例如，

77、可以通過監(jiān)測滑坡隨時間的變化過程，可以研究引起滑坡的誘因，預報滑坡災害的大面積發(fā)生；通過對技術(shù)設備的監(jiān)測，可以保證設備的安全、高效的運轉(zhuǎn)，改善了產(chǎn)品的質(zhì)量，為新產(chǎn)品設計思路提供了技術(shù)數(shù)據(jù)，通過對礦山的開采引起的變形的觀測，可提前采用控制開挖量，加固變形處，也許就能避免一場礦難的發(fā)生。</p><p>　　2 GPS在變形監(jiān)測測量中的優(yōu)勢及不足分析</p><p>　　2.1 GPS在變形監(jiān)

78、測測量中的優(yōu)勢分析</p><p>　　隨著GPS空間測量技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)理論的成熟，以其精度高、全天候、測點間無需通視、自動化程度高等諸多優(yōu)點，被廣泛的應用于工程的變形測量、大地測量等各個測量領域。在工程的變形監(jiān)測中，GPS的應用越來越普遍，發(fā)揮著傳統(tǒng)測量方法無可比擬的作用。除了前面所提到的GPS諸多優(yōu)點，本文主要講述一下GPS在變形監(jiān)測中的儀器優(yōu)勢和在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢，具體如下：</p>&l

79、t;p>　　2.1.1 儀器上的優(yōu)勢</p><p>　　傳統(tǒng)的測量儀器有全站儀，水準儀，經(jīng)緯儀、傳感器等，這些儀器容易受天氣狀況、通視條件的影響，但是隨著新興測量技術(shù)的進步，近年來，測量儀器越來越先進，更加的趨于自動化、智能化，功能越來越多，操作更加方便易學；同時，儀器的精度也越來越高。由于集成化電路的運用，儀器的價格也越來越便宜，被廣泛的應用于測量的各個領域。例如，GPS接收機、電子全站儀、陀螺儀、掃描

80、儀、測量機器人等。自從20世紀90年代后，GPS衛(wèi)星定位和導航技術(shù)與現(xiàn)代通訊技術(shù)相結(jié)合，在空間定位技術(shù)方面引起了革命性變化。GPS作為一種跨時代的現(xiàn)代空間科學技術(shù)，已逐漸在越來越多的領域得到廣泛應用。全站儀的也是精度和自動化程度很高的測量儀器，可同時測得測點的三維坐標以及測點間的距離，應用也較廣泛，但容易受通視條件、測量距離、天氣狀況等因素的制約。水準儀、經(jīng)緯儀分別是單純的測高程測角儀器。而GPS的使用，可同時測量出控制點的三維坐標，減

81、小了誤差積累，不需站間通視，不需要造標，它使建立監(jiān)測網(wǎng)的測量變得簡單易行、省工省時又精確。</p><p>　　在工程變形監(jiān)測方面，以GPS為主的空間定位技術(shù)、地面常規(guī)測量技術(shù)、地面攝影測量技術(shù)、特殊和專用的測量技術(shù)等均得到了較好的應用。與傳統(tǒng)的工程變形監(jiān)測方法相比，GPS變形監(jiān)測測量技術(shù)在精度、連續(xù)性、實時性和自動化程度等方面有明顯的優(yōu)勢。GPS技術(shù)在精度上的優(yōu)越性使得它逐步地取代傳統(tǒng)的地面監(jiān)測測量方法、光學和

82、電子測量儀器。GPS這項技術(shù)的使用，大幅度的提高了測量的工作效率，也保證了測量所需要的精度，大大降低了作業(yè)人員的勞動強度，又節(jié)省了大筆的測量經(jīng)費，經(jīng)濟效益顯著。所以，GPS等測量技術(shù)的使用，就顯得迫切而必要了。</p><p>　　2.1.2 在數(shù)據(jù)處理中的優(yōu)勢</p><p>　　GPS在變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)及GPS數(shù)據(jù)處理模型的建立。隨著GPS技術(shù)及

83、其理論的快速發(fā)展，多天線GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)、單歷元GPS變形數(shù)據(jù)處理模型等動態(tài)監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)處理模型也應運而生了。它不僅為動態(tài)變形體的變形監(jiān)測提供了新的途徑，而且變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集得到大幅度的提升，數(shù)據(jù)量暴增，使變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集越來越容易。</p><p>　　變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集變得簡單了，但是數(shù)據(jù)卻明顯表現(xiàn)出一定的非線性特征；同時，運用GPS技術(shù)采集的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，必然包含了噪聲與粗差等特征造成的影響，使得變

84、形監(jiān)測的預報工作變的更加困難。所以說，提取非線性理論的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)特征就成了關(guān)鍵，只有掌握了這些，才能準確實時的預報。</p><p>　　動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理與分析工作主要集中在數(shù)據(jù)的降噪、粗差診斷以及變形預報的研究方面，而關(guān)于變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的非線性特征的研究還很少。但是預報模型的改進工作主要集中在模型自身的參數(shù)調(diào)整設置，以便更好的與變形的內(nèi)在特征相結(jié)合。運用GPS單歷元變形監(jiān)測處理模型來解算動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，首先要經(jīng)

85、過降噪、濾差等預處理，以便最大可能的提取與修復有效信息，才可以進行數(shù)據(jù)非線性特征的提取以及進一步的預測預報工作。常用的信號降噪方法有小波變換法、卡爾曼（KALMAN）濾波模型、FFT變換法等，而粗差的識別則可以用多尺度粗差識別技術(shù)或者擬合法等方法來修復粗差特征造成的定位誤差。因此，綜合的應用非線性科學中的具體理論模型來進行特征的提取和量化，充分利用那些符合物理特性量化特征的數(shù)據(jù)（反之則刪除或舍棄），把這些數(shù)據(jù)放到預報模型中加以修正。如果

86、還不行的話，就應該建立新的有效的預測模型，從而為變形體的監(jiān)測提供技術(shù)和理論依據(jù)。</p><p>　　小波變換降噪方法本質(zhì)上是一種帶通濾波器的信號處理方法。通過正交小波快速分解算法，將信號在不同頻率帶上分離，從而在不同尺度上展現(xiàn)信號的不同特征。利用小波變換法降噪的步驟如下：</p><p>　　（1）通過某種特定規(guī)則，確定閾值；</p><p>　?。?）對不同頻帶

87、上的小波變換系數(shù)進行量化（包括軟閾值和硬閾值的量化）；</p><p>　?。?）通過重構(gòu)算法恢復信號。</p><p>　　經(jīng)過降噪處理后，包含在數(shù)據(jù)序列中的高頻噪聲信息被濾除掉了，很好的描述了動態(tài)變形體的形變大小。與傳統(tǒng)的降噪分析方法相比，小波變換降噪分析方法具有獨特的優(yōu)勢。通過小波變換和MALLAT多尺度分析算法，不僅可以反映監(jiān)測信號的內(nèi)在特征，描述變形體的形變軌跡，還可以分離出形變

88、信號中可用的數(shù)據(jù)，便于進一步的提取信號特征與變形預報。</p><p>　　變形觀測數(shù)據(jù)一般可分為兩種：一種是監(jiān)測網(wǎng)的周期觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)這些周期性觀測的數(shù)據(jù)，可以計算網(wǎng)點坐標，然后對參考點穩(wěn)定性進行檢驗和周期間的疊合分析，從而得到目標點的位移量；另一種是各監(jiān)測點上的某一種特定的形成時間序列的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如該點的沉降值、某一方向上的位移值以及其他與變形監(jiān)測有關(guān)的量如氣溫、體溫、水溫、水位、應力、應變等，對它們進行回歸

89、分析、相關(guān)分析、時序分析、統(tǒng)計分析和統(tǒng)計檢驗，確定變形的過程及趨勢。此外，還應進一步對變形體做變形模型分析，進行變形模型參數(shù)（如剛體變形）及相對形變參數(shù)估計和統(tǒng)計檢驗?？偟脕碚f，變形監(jiān)測是基礎，變性分析是手段，變形預報是目的，變形觀測數(shù)據(jù)處理的過程就是進行變形分析和預報的過程。</p><p>　　2.2 GPS在變形監(jiān)測中的不足分析</p><p>　　GPS技術(shù)除了上面所說的諸多優(yōu)點之

90、外，到目前為止，仍存在著一些不足和局限性，應該進一步的加以改善和研究[18]，其中不足之處有：</p><p>　?。?）載波相位觀測值含有較多噪聲、粗差特征，信號處理不夠準確，如今通常采用小波變換、卡爾曼濾波模型等方法來降噪和剔除粗差，仍有一定的局限性，所以建立適當?shù)慕翟搿⑻蕹植畹奶幚矸椒ê湍Ｐ?，有待進一步研究。</p><p>　?。?）周跳難以探測和修復，整周模糊度難以快速確定，目

91、前探測和修復周跳一般通過用三差觀測方程的常數(shù)項和三差觀測值的殘差、卡爾曼濾波法、線性擬合法等，都有其局限性。如果一組觀測值含有太多的周跳特征，單純依靠內(nèi)業(yè)處理的方法來獲得高精度的結(jié)果基本是不可能的。即使現(xiàn)在確定整周模糊度的模型和方法很多，但是也各有各的優(yōu)點和缺點。如何能夠快速的確定整周模糊度必將成為了一種發(fā)展趨勢。</p><p>　　（3）在高山峽谷深處、密集森林區(qū)、城鎮(zhèn)高樓密布區(qū)，共用的衛(wèi)星較少，GPS衛(wèi)星信

92、號被遮擋時間較長，被阻擋機會較多，信號質(zhì)量較差，容易造成失鎖，初始化時間長，有時甚至不能初始化，使接收機在一天中的作業(yè)時間受到限制。選擇合理的觀測時段和觀測條件，還有接收機的信號強度有待改善。</p><p>　　3 GPS在變形監(jiān)測中的應用及前景展望</p><p>　　3.1 GPS在變形監(jiān)測中的應用</p><p>　　隨著GPS技術(shù)和理論的不斷完善，軟件系統(tǒng)

93、的不斷升級和建立，GPS在各個測量領域都有著廣泛的應用。GPS在變形監(jiān)測中的應用，主要體現(xiàn)在工程測量的領域中，尤其是對于精密工程的變形監(jiān)測預報[19]。變形體的形變大小和趨勢時刻威脅著人民的生命和財產(chǎn)安全，所以變形監(jiān)測的廣泛運用具有重要的意義。工程的變形監(jiān)測測量工作一般對于精度的要求很高，甚至可達毫米乃至亞毫米級[20]。工程的變形監(jiān)測主要包括對橋梁的結(jié)構(gòu)（塔柱、撓度等）變形觀測、大壩的變形監(jiān)測、礦區(qū)地面的沉降觀測、高層建筑物的沉降及結(jié)

94、構(gòu)變形觀測等，下面就這幾個方面來闡述一下GPS在變形監(jiān)測中的應用[21]。</p><p>　　3.1.1 GPS在大壩變形監(jiān)測中的應用</p><p>　　大壩，顧名思義，就是大型的壩體，是水利樞紐的擋水建筑物，一般都與大型的水庫或者水電站有關(guān)。水電站或水庫一般要儲存大量的水資源，由于水把它的重大壓力傳遞給壩體，很容易引起壩體的結(jié)構(gòu)變形或發(fā)生移動，如壩體的水平位移、沉降、傾斜、裂縫、應力

95、變等，這些變形都能對大壩的壽命及人民的生命財產(chǎn)安全造成危害，必須時刻要對這些變形進行全天候的精密監(jiān)測。</p><p>　　與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測測量方法相比，GPS技術(shù)優(yōu)越性顯而易見。特別是它的高精度，可以滿足大壩變形監(jiān)測所需要的精度要求。GPS自動化程度高，更加有利于實現(xiàn)大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)的自動化和智能化[22]。</p><p>　　到目前為止，國內(nèi)把GPS技術(shù)應用到大壩的變形監(jiān)測的工程實例

96、還不是很多，其中湖北清江隔河巖水電站的大壩變形觀測系統(tǒng)首次運用了GPS技術(shù)，獲得了圓滿成功并實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的自動化，并且監(jiān)測精度高安全可靠、抗干擾能力強[23]。該系統(tǒng)采用七臺雙頻GPS接收機對五個壩頂測點和兩個基準點進行全天候的連續(xù)觀測，基線解算和控制網(wǎng)平差也由相應的專業(yè)軟件完成，1998年3月正式投入使用。一個小時的GPS觀測資料解算的監(jiān)測點位水平精度優(yōu)于1mm，垂直精度優(yōu)于1.5毫米，六個小時GPS觀測資料解算水平精度優(yōu)于0.

97、5毫米，垂直精度優(yōu)于1毫米。在1998年長江流域150年一遇的特大洪水期間，大壩監(jiān)測系統(tǒng)仍能正常工作，數(shù)據(jù)處理比較及時，反應時間小于15分鐘，能夠快速反映大壩在超高蓄水下的3D變形，使得大壩能夠超容量的攔洪蓄水。該系統(tǒng)不僅保證了大壩自身的安全，而且還避免了清江洪峰與長江洪峰的相遇，極大的緩解了長江中下游的防汛抗洪壓力和增多了兩岸群眾轉(zhuǎn)移的時間，對于抗洪救災意義重大。隨著隔江巖大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)的成功運行，GPS技術(shù)在大壩中的應用越來越多。

98、如黃河小浪底的大壩監(jiān)測系統(tǒng)，三峽大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)、葛洲壩的變形</p><p>　　3.1.2 GPS在礦區(qū)地面沉降監(jiān)測中的應用</p><p>　　我國礦產(chǎn)資源豐富，約有150多種，有些儲量還居世界前列。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求到了一個令人咋舌的地步，礦區(qū)的安全生產(chǎn)形勢不容樂觀。在我們許多地區(qū)，由于煤炭、石油、天然氣等資源的過度開采，引起礦區(qū)地面塌陷或滲水；由于對地下水的

99、過度汲取，造成地下水位嚴重下降，造成地下下陷，引起道路的中端或者建筑物的傾斜和倒塌等。兩者加在一起，地面塌陷面積竟然高達約1150平方公里。這些都能對人的生命財產(chǎn)安全造成危害，安全隱患較大。所以，對礦區(qū)地面沉降的觀測勢在必行。</p><p>　　礦物變形監(jiān)測就是在不同的時刻，對礦區(qū)地面點的空間位置（三維坐標）進行測量，即獲得測點的水平位置及高程信息，然后對它們進行比對分析，來確定地面點的水平位移量及沉降量，從而

100、對礦區(qū)地面的變形大小進行分析和預報。</p><p>　　GPS測量技術(shù)在礦沉降變形監(jiān)測中的使用，不要求相互通視，選點靈活，觀測時間短，又不受天氣條件的影響，大大提高了變形監(jiān)測的工作效率。另外，由于是對礦區(qū)地面進行的監(jiān)測，GPS測量的大地高不需要轉(zhuǎn)化成正高或者正常高，既簡化了處理計算工作，又保障了沉降觀測需要的高精度。無疑。GPS技術(shù)的使用對于礦區(qū)地面的沉降觀測是經(jīng)濟而實用的。</p><p&

101、gt;　　3.1.3 GPS在高層建筑物監(jiān)測中的應用</p><p>　　隨著國民經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，高層建筑物越來越多，可以說是隨處可見；形體也越來越復雜多樣。由于高層建筑物受地震、臺風等外力因素影響較大，地基易發(fā)生水平位移和沉降，建筑物整體也易發(fā)生擺動、傾斜等。牽涉著廣大人民群眾的利益，所以高層建筑物的變形監(jiān)測應具有更高的精度要求，以保障高層建筑物的安全運營和維護工作[24]。</p><

102、p>　　對于傳統(tǒng)的高層建筑物的變形監(jiān)測方法，監(jiān)測地基的沉降一般采用水準測量的方法，監(jiān)測地基的水平位移和整體的傾斜大小一般采用三角測量的方法，常用的儀器有全站儀、水準儀、激光準直儀、加速度傳感器等。在測量過程中，都有一定的局限性，在精度、連續(xù)性、實時性、作業(yè)效率和自動化程度等方面都不能滿足高層建筑物對于動態(tài)變形監(jiān)測的要求。所以說，開發(fā)一種新的技術(shù)手段和研究方法來進行變形監(jiān)測就顯得尤為必要了。</p><p>

103、　　目前，隨著GPS技術(shù)理論以及數(shù)據(jù)處理方法、模型的發(fā)展和完善，尤其是GPS接收機（采樣頻率高達20Hz）的出現(xiàn)，使得GPS技術(shù)用于高層建筑物的變形監(jiān)測成為了一種可能。GPS以其高精度、高效率、高自動化等諸多優(yōu)點，已廣泛的應用于各個測量區(qū)域，當然高層建筑物的變形觀測也不例外。針對高層建筑物的變形監(jiān)測，所建立的高層建筑物動態(tài)變形自動化監(jiān)測和預警系統(tǒng)，它具有GPS數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和分析、預警等功能。它可以根據(jù)GPS采集的數(shù)據(jù)精確