关于GPS在变形监测中的应用和展望

摘要：GPS在测绘测量中应用日益广泛，也带来了深刻的影响。近几年来，GPS技术也广泛应用与变形监测中，发挥了重要的作用，但是也存在很多不足之处。本文简单介绍了变形监测的意义以及常用的监测技术，重点探讨了GPS用于变形监测中存在的问题和不足，最后对其发展做了简要的展望。

关键词：GPS；变形监测；技术；展望

所谓变形是指物体在外来因素的作用下而产生的性状和尺寸的改变。与变形相联系的现象不计其数，比如地震、滑坡以及桥梁坍塌等，这些都是由于物体在受力情况下而产生变形，最终导致破坏。由于变形带来极大的危害，因而关于变形的监测也越来越受到人们的广泛关注。同时，随着科学技术手段的日新月异发展，工程机械化已经成为了现实，这些机械化的工程操作不仅加快了工程项目建设的速度，同时也从一个程度上导致了灾害发生的可能性。人类频繁的探索和建设活动，导致了地质灾害的大量发生。这些灾害给人们生活和经济建设带来了极大的危害。研究人员认为，通过监测物体的变形，进而能够提出预报和预警，可以有效的降低灾害危害。变形监测因此进入了人们的视线。本文就变形监测的应用技术和展望进行简单探讨。

变形监测技术的意义及概述

所谓变形监测技术是指利用测量的方法与专用仪器对变形体的变形现象进行监视观测的测量工作，主要是确定在各种载荷和外力的作用下，掌握变形体的空间状态和时间特征。变形监测技术具有积极的意义：

1、通过变形监测，确保物体的安全性。变形监测分析，通过对变形体的性状等及时、适时的监测，能够掌握其构造的稳定性，为安全判断提供了必要的信息，可以及时的分析原因，发现问题，预测问题，解决问题；

2、通过变形监测，可以有效进行灾害防治。通过对变形监测数据进行分析，可以预测灾害的发生，能够起到提前防范的作用，达到安全目的；

3、通过变形监测，对工程设计进行验证。变形监测的另一个作用就是通过变形监测数据的分析，获得变形机理，可以用以验证有关工程设计的理论正确与否。

在20世纪80年代以前，变形监测主要是采用常规大地测量和某些特殊测量技术。发展到目前，大概有以下几种应用技术：

1、摄影测量技术。该技术包括地面摄影测量技术和航空摄影测量技术，在隧道、桥梁、大坝、滑坡、结构工程以及高层建筑变形的监测方面应用广泛，精度可以达到毫米级，可以在瞬间记录被摄物体的点位，用于不规则或规则物体变形监测，并且数据保存容易便于分析；

2、测量机器人。这是一种在全站仪的基础上集成马达、CCD影像传感器构成的视频成像系统，由于配置了智能化的控制以及应用软件，能够自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标获取信息。下图1为其一个应用实例，显示为观测点Q1所在的蹲位不同时间段内其振动值，并且揭示其影响因素。

图1 监测点变化过程图

3、GPS监测技术。GPS技术的兴起给测量技术带来一场革新革命。资料显示，国外于20世纪80年代开始应用GPS进行变形监测。而我国从1990年开始进行建设GPS监测网。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从一般层面扩展到更高的层面，精度高，广泛应用于大坝、地面沉陷、高层建筑物的检测系统中，作用重大。

二、GPS变形监测技术的应用及其存在问题

就工程变形来说，其种类众多。目前，GPS变形监测技术主要应用领域有以下几个：

1、在大坝监测系统的应用。大坝的变形监测一般包括水平位移、垂直沉陷、挠度、倾斜以及裂缝监测。由于水负荷的重压使得大坝发生变形现象，因此需要对大坝进行严密的变形监测。GPS技术与传统的监测技术比较，在满足大坝变形监测工作的精度要求的同时还有助于实现监测工作的自动化，精密化。

2、用于地面沉陷的监测。随着经济的快速发展和能源的需求增大，地下采煤、石油和天然气日渐增多，这些物质的大量开采引起了地面沉降的发生；同时，大量地下水的抽取，也使得城市的地面发生了显著沉降。因此，地面变形的监测需要给予足够的重视。地面变形监测主要有地表移动、边坡移动。这些变形的监测主要是通过选择不同观测时间、测定地面点的水平位置和高程，数据对比分析出其变形情况，进行变形分析与与预测。GPS在地面沉陷监测中的应用，不仅快速、灵活、准确度高，而且能显著的提高监测效率，简化了计算工作。

3、用于高层建筑物的监测。高层建筑物由于其高度较高，容易发生变形，所以关于其变形的监测就是其安全的重要保障。传统的监测方法和手段由于其测绘能力有限，难以满足高层建筑变形监测的需要。采用GPS监测技术，通过先进的硬件和软件技术，可以实时的准确监测高层建筑物的高频动态特征，并通过实验数据的分析和总结，精确地鉴别出高层建筑物的低频动态特征。高频动态特征和低频动态特征的获得与组合，最终建立数据采集、传输、分析与处理、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，极大程度的满足了监测需求，最大可能的通过预测确保建筑物的安全使用。

GPS技术，在应用于变形监测方面具有其他技术难以比拟的优点，也提高了监测准确性和监测效率。但是仍然存在着一些不足之处。

1、地形条件的限制，使得其存在监测盲点。对于一些诸如高山峡谷、地下区域以及建筑物高达密集的地方，由于GPS技术是以卫星信号为基础的技术，当卫星信号被遮挡或者信号较弱时，其本来的监测精度和可靠性会下降，甚至于难以进行监测。同时，对于例如滑坡这样的地质灾害监测时，由于GPS监测水平位移精度高二监测垂直位移精度低，导致其GPS的高精度失去应用的作用和效果。

2、动态监测，精度较低。目前，该技术主要采用的是整周模糊度动态解算法，精度只有cm级别，这样的精度无法满足动态高精度监测需要。同时，由于监测点在短时间的变形微小，由此带来的误差却增大，使得GPS在提取微弱信息以增加变形监测的精度时，效果不够理想。

三、GPS变形监测技术的发展趋势

随着技术的发展和科学的进步，GPS变形监测技术日后将会逐步得到完善，其发展趋势也受到人们的重视。

1、先进而实用的在线GPS变形监控分析系统。对于大坝、桥梁、滑坡等地壳的变形监测，需要通过技术的升级建立其实时在线监控分析系统。该系统主要由数据采集、传输、处理和分析等部分组成，对得到的数据进行实时、有效、准确地分析，能够评价变形的现状并对其发展趋势作出有效预测，为灾害的发生提供科学预测。

2、通过与其他变形监测技术有机组合建立综合变形监测系统。任何一个单一的技术都存在其不足之处，通过不同技术的有机组合，可以弥补彼此存在的缺陷，做到优势互补。通过将GPS技术与其他变形监测技术（摄影测量技术、特殊变形测量技术等）集成组合，形成综合变形监测系统，提升整体的监测水平和精度，做到更广范围的应用。

3、小波分析理论应用于动态变形分析。经典的Fourier分析对信号视频特征的描述存在缺陷，可以利用小波分析理论变化多分辨率的特性，实现GPS动态变形分析监测数据的滤波、变形特征信息提取以及变形频率的分离，提高动态监测的精度。

四、结束语

变形体的变形监测不仅关系到变形体的安全性能，也间接关系到整个国民经济的建设和人民的生活安全，具有重要的作用。GPS变形监测技术应用于变形监测，精度高、不受气候条件以及通视条件限制，并且自动化程度高，也存在着动态监测精度低等不足，通过建立实时的分析系统、集成的综合变形监测系统以及采用小波分析理论可以减少这些不足。相信，随着科技的发展和GPS技术的不断完善，GPS技术在变形监测方面的应用前景必将十分广阔！

参考文献：

[1] 王继卫, 徐学辉, 刘茂华. GPS在变形监测中的应用[J]. 江西测绘, 2006, 04.

[2] 王静瑶, 吴云. 现代地壳运动与地震监测预报研究现状和发展趋势[J]. 地球科学与进展, 2000, 01.

[3] 黄声亭, 尹辉, 蒋征. 变形监测数据处理[M]. 武汉：武汉大学出版社, 2003.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。