变形监测课程论文
题 目： 浅谈GPS在变形监测 中的应用 学 院： 矿业学院 专 业： 测绘工程 班 级： 测绘131 学 号： 1308010192 学生姓名： 龙彬 指导教师： 王莉
2016年 12 月 23 日
论文成绩 教 师 评 语 年 月 日
龙彬：浅谈GPS技术在变形监测中的应用
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浅谈GPS技术在变形监测中的应用
龙彬
（1. 贵州大学矿业学院测绘工程，贵州贵阳550025）
Application of GPS technology in deformation monitoring
Long Bin
摘要：GPS技术具有连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点, 在变形监测的应用中
充分发挥了巨大的作用。对变形监测概念进行了介绍，论述了现阶段变形监测的主要技术手段，强调GPS技术对变形监测的重要性与其不足，指出了GPS技术在变形监测中应用的发展前景，最后进行总结。
关键词：变形监测；GPS技术数据处理；应用现状
一、引言
随着我国城镇化以及经济的不断发展，在我们生活周边的大型工程和高程建筑不断增多，地下工程和水利水电工程相继建成。我国建筑工程的规模日益增大，费用也相继增加，技术水平得到了国际社会的认可。但是，在建设过程中引起的安全问题也受到越来越越多人的关注。造成这一问题的主要因素就是自身的变形。如果我们能有效地对其进行变形监测，就可以提出预报和防治措施，从而将人们的生命财产损失降到最低。
变形监测就是利用专用的仪器和方法对边形体的变形现象进行持续的观测，对变形体变形性态进行分析，并对变形体变形的空间状态和时间特征进行预测等所开展的各项工作。变形监测涉及的具体内容主要有：工业与民用建筑监测、高层建筑监测、桥梁检测、水工建筑物变形监测、矿区岩层与地表
移动监测、古文物的保护监测、地下工程变形监测、各种工艺设备和导轨的监测、地面沉降监测。
随着科学技术的飞速发展和进步，变形监测的技术手段也随之越来越先进，监测方法越来越多样化。而GPS技术作为一种全新的现代空间定位技术，已在诸多领域逐步取代了常规的传统测量方法。GPS自动化检测系统具有速度快、全天候观测、自动化程度高、测点间无需通讯等优点，能对各监测点进行同步变形监测，并实现了数据采集、传输、处理、分析、显示、存储等的一体化和自动化，测量精度可达0.1mm。然而，GPS技术在变形监测中的应用也有其局限性和不足。本文着重概述了变形监测的主要方法，GPS在变形监测中的应用状况，展望GPS技术在变形监测应用中的未来，最后进行总结。
二、变形监测技术概述
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变形监测的主要方法有边角网方法、基准线测量法、GPS变形监测技术、3D激光扫描技术、摄影测量方法、光纤传感检测技术、卫星遥测技术。边角网法和基准线测量法是最常用的传统方法，该类方法的主要特征是：可以利用传统的大地测量仪器，理论和方法成熟，测量数据可靠，测量费用相对较低，设备简单、操作简便。但该类方法也有很大的缺陷：观测时间长，劳动强度高，容易受到外部条件的影响，不能实现自动化量测。
3D激光扫描技术是近年来发展起来的一门新技术，被誉为“继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命”。该技术以其快速、精确、无接触测量、高精度地获取空间点位及变化信息等优势正逐渐被用于不同的测绘领域，并推动了各领域工作方法的创新。
无论是摄影测量方法主要以数字摄影测量实时摄影测量发展最为迅速，并为传统摄影测量技术在变形监测中的广泛应用开拓了非常广泛的前景。数字摄影测量技术是利用数字摄影处理技术和数字影像匹配技术获得同名像点坐标，然后计算对应物点空间坐标，对比不同时刻目标点坐标差异而得到他们的位移。利用摄影测量的方法可以全面、快速、直观地采集变形体变形的特征信息。摄影测量方法已广泛应用于滑坡、高边坡等的监测工作。但该方法存在一定的缺陷，就是测量精度相对较低。光导纤维是以不同折射率的石英玻璃包层及石英玻璃细芯组合而成的一
种新型纤维。光导纤维可以使光线的传播以全反射的形式进行，能将光和图像曲折传递到所需要的任意空间。光纤传感检验技术已应用在土木工程的应力、裂缝、位移、温度、应变、渗流等的监测。它的优点在于：能实现在线分布式检测；测量对象广泛；体积小、质量轻、非电连接、无机械活动件、不影响埋设点特性；灵敏度高、可远距监测；耐水性、电绝缘好、耐腐蚀、抗电磁干扰；频带宽、有利于超高速测量。
卫星遥感技术是运用合成孔径雷达干涉技术InSAR对大面积的滑坡、崩塌、泥石流以及地裂缝、地面沉降等地质灾害进行监测预报，精度可达1mm，是一项快速、经济的空间探测高兴技术。目前，随着合成孔径雷达技术研究的快速发展，InSAR技术也慢慢变得成熟。但由于InSAR技术对大气误差、卫星轨道误差、地表状况以及时态不相关等因素非常敏感，这造成该技术在地表变形探测应用中的困难。
随着接收技术和数据处理技术的提高，使得测量精度和速度也在不断提高，GPS技术在我国的变形监测领域中得到广泛应用。GPS技术是监测地壳形变和板块运动的良好选择。可以布设多个GPS跟踪站阵列测得变形量来为地震预报提供信息。在这方面，我国已建成国家地壳形变GPS监测网、青藏高原地壳运动GPS观测网、首都圈GPS形变监测网。GPS用于变形监测的主要方法有静态测量和
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动态测量，用于短距离的变形监测可达亚毫米级，为大型建筑等高精度变形监测提供了一种新的手段。将GPS用于变形监测有其相对于其他传统测量方法有着不可比拟的优势。
三、GPS变形监测技术发展现状
3.1 GPS变形监测数据处理方法
（1）GPS中的误差源：GPS定位会出此现各种误差，从误差源来讲大体可以分为三类，①与卫星有关的误差：卫星星历误差、卫星钟的钟误差、相对论效应；②与信号传播有关的误差：电离层延迟、对流层延迟、多路径效应；③与接收机有关的误差：接收机钟的钟误差、接收机的位置误差、接收机的测量噪声。消除或削弱上述误差影响的主要方法和措施有建立误差改正模型，误差改正模型既可以是通过对误差的特性、机制以及产生的原因进行研究分析、推导而建立起来的理论公式，也可以是通过对大量观测数据的分析、拟合而建立起来的经验公式，有时也可以同时采用两种方法。误差改正模型的精度大不相同的，双频电离层折射改正模型残差约为总量的1%或更小，对流层折射改正公式的残余误差为总量的1%-5%左右，而广播星历所提供的单频电离层折射改正模型则高达30%-40%。利用误差在观测值之间的相关性或在定位结果之间的相关性，通过求差来消除或大幅度的削弱其影响的方法也可以减小误差的影响。其残余误差估算公式为：
?b?(1/4?1/10)b??s?，当基线长度b=50km，卫
星至测站的距离ρ=23000km，卫星星历误差=5s时，
它对基线的影响?b只有1.1?2.7mm。然而有的误差既不能用求差的方法来抵消，也不能用建立改正模型，所以就只能选择较好的硬件和观测条件。
（2）静态数据处理方法：以每一期测值作为一次相对定位，通过计算两期之间监测点位置的变化来测定变形量。该方法中监测网由基准点和监测点构成，基准点用于建立监测网的基准，保证变形监测在同一基准下进行。采用该方法要正确剔除观测值中的粗差，而且不受基准点的影响。对于如何剔除观测值中粗差，国内外众多学者都进行了比较深入的研究，主要是采用抗差估计来克服观测值中的粗差对参数估计的影响，对粗差进行近与实际的估计，该方法相对于传统的数据处理方法取得了良好的结果。对于如何判断基准点是否稳定，可以使用秩亏自由网差、拟稳平常的方法来解决，用这两种方法可以提高变性分析结果的准确性。
（3）单历元解算方法：首先确定GPS的近似点坐标。后选择PODP值最小几何图形最优的4颗卫星为基本星座，采用L1载波建立3个双差方程解算实数解，对所有模糊度组合算出相应的坐标。其次，根据计算的坐标、所有测站、L1、L2、观测值计算模糊度函数值，对模糊度进行筛选以构建新的模糊度搜索空间，最后，根据双差方程，采用最小二乘估计方法计算残差平方和，再用F检验正
确的模糊度。
（4）谱分析法：谱分析方法是将时间域