東英測(cè)繪——GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

一、變形監(jiān)測(cè)

變形是自然界普遍存在的現(xiàn)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(shí)間域和空間域中的變化。它的范疇十分廣泛，從全球板塊運(yùn)動(dòng)、地級(jí)運(yùn)動(dòng)、地球自轉(zhuǎn)率變化等全球性變形，到地殼變形、地殼相對(duì)運(yùn)動(dòng)等區(qū)域變形，再到工程建筑物沉降和傾斜、滑坡體滑動(dòng)、地下開采引起地標(biāo)移動(dòng)和下沉、工業(yè)設(shè)備或構(gòu)件撓曲偏移等工程和局部性變形，變形現(xiàn)象幾乎無處不在。

變形監(jiān)測(cè)就是利用測(cè)量?jī)x器對(duì)選定的具有代表性的特征點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)或者周期性的監(jiān)測(cè)，以確定變形體在時(shí)空中的變化，變形的類型可分為靜態(tài)觀測(cè)和動(dòng)態(tài)觀測(cè)，靜態(tài)觀測(cè)是變形體隨時(shí)間的變化而發(fā)生緩慢的變形，需要長(zhǎng)時(shí)間多周期的監(jiān)測(cè)才能發(fā)現(xiàn)其變形規(guī)律；動(dòng)態(tài)變形主要是變形體在外界負(fù)荷壓力的作用下而發(fā)生的變形，一般這種變形是在瞬間壓力的作用下很快的發(fā)生。

變形監(jiān)測(cè)的方法：大地測(cè)量方法中，常用的大地測(cè)量方法主要是通過測(cè)角、測(cè)邊、水準(zhǔn)等方法測(cè)定變形，此類傳統(tǒng)的方法費(fèi)用低、精度可靠、勞動(dòng)強(qiáng)度大等特點(diǎn)。GPS已經(jīng)隨著衛(wèi)星大地測(cè)量技術(shù)的發(fā)展在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，具有著傳統(tǒng)大地測(cè)量方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)；變形監(jiān)測(cè)的新技術(shù)中合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)、激光掃描技術(shù)、計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)等變形監(jiān)測(cè)技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，并得到廣泛應(yīng)用。

二、應(yīng)用GPS進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)

利用GPS定位技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)具有下列優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用，成為變形監(jiān)測(cè)中的一種新的有效手段。

（1）測(cè)站間無需保持通視。由于GPS定位時(shí)測(cè)站間無需保持通視，從而可使變形監(jiān)測(cè)的布設(shè)更為自由、方便，并可省去不少中間傳遞過度點(diǎn)，節(jié)省大量費(fèi)用。

（2）能同時(shí)測(cè)定點(diǎn)的三維位移。采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)時(shí)，平面位移通常是采用正錘線、倒錘線、邊角導(dǎo)線、方向交會(huì)、距離交會(huì)和全站儀極坐標(biāo)法等方法來測(cè)定的，而垂直位移則一般采用精密水準(zhǔn)測(cè)量、液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量、傾斜儀等手段來測(cè)定。水平位移和垂直位移的分別測(cè)定不僅增加了工作量，而且監(jiān)測(cè)的時(shí)間和點(diǎn)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(cè)。GPS測(cè)量不受氣候條件的限制，在風(fēng)雪雨霧中仍能進(jìn)行正常觀測(cè)。配備防雷電設(shè)施后變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)全天候觀測(cè)。這一點(diǎn)對(duì)于防汛抗洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域來講顯得特別重要。

（4）易于實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的自動(dòng)化。由于GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)采集工作是自動(dòng)進(jìn)行的，而且又為用戶預(yù)留了必要的接口，故用戶可以較為方便的把GPS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建成無人值守的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析、報(bào)警到入庫(kù)的全自動(dòng)化。有必要時(shí)，用戶可以很方便的從控制中心的辦公室來觀看每臺(tái)GPS接收機(jī)的板面信息，也可以在辦公室中發(fā)布命令來更改數(shù)據(jù)采樣率、時(shí)段長(zhǎng)度和截至高度角等設(shè)置。這對(duì)于長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是很重要的，可降低監(jiān)測(cè)成本，提高監(jiān)測(cè)資料的可靠性。

（5）可消除或削減系統(tǒng)誤差的影響。在變形監(jiān)測(cè)中我們關(guān)心的是在兩期變形監(jiān)測(cè)中所求的的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)之間的差異，而不是變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)本身的坐標(biāo)。兩期變形監(jiān)測(cè)中所含的共同的系統(tǒng)誤差雖然會(huì)分別影響兩期的坐標(biāo)值，但卻不會(huì)影響所求的的變形量。也就是說在變形監(jiān)測(cè)中，接收機(jī)天線的對(duì)中誤差、整平誤差、定向誤差、量取天線高的誤差等并不會(huì)影響變形監(jiān)測(cè)的結(jié)果，只要天線在監(jiān)測(cè)過程中能保持固定不動(dòng)即可。同樣GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的起始坐標(biāo)的誤差，數(shù)據(jù)處理中所用的定位軟件本身的不完善以及衛(wèi)星信號(hào)在大氣層的傳播誤差（電離層延遲、對(duì)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(jìn)行垂直變形測(cè)量。在GPS測(cè)量中高程系統(tǒng)一直是一個(gè)棘手的問題。以為GPS定位只能測(cè)定大地高，而在工程測(cè)量、地形測(cè)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(guān)系：

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

正因?yàn)槿绱?，GPS 定位技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中迅速得到了推廣，成為一種新的很有前途的變形監(jiān)測(cè)方法。

當(dāng)然，利用GPS 定位技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)時(shí)，也存在某些不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 點(diǎn)位選擇的自由度較低。為保證GPS測(cè)量的正常進(jìn)行和定位精度，在GPS測(cè)量規(guī)范中對(duì)測(cè)站的選擇作出了一系列的規(guī)定，如測(cè)站周圍高度角15°以上不允許存在成片的障礙物，測(cè)站離大型發(fā)電機(jī)、變壓器、高壓線及微波信號(hào)發(fā)射臺(tái)、轉(zhuǎn)播臺(tái)等有一定的距離（例如200m～400m），測(cè)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(hào)物，以避免多路徑誤差等。但在變形監(jiān)測(cè)中上述要求往往難以滿足，因?yàn)楸O(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置通常是由業(yè)主單位依據(jù)大壩、橋梁、大型廠房等監(jiān)測(cè)物的建筑結(jié)構(gòu)和受力情況而確定的, 或由地質(zhì)人員依據(jù)滑坡、斷層等地質(zhì)構(gòu)造而定的，變動(dòng)的余地很小。

(2) 從整體上講觀測(cè)條件往往較差。如在長(zhǎng)江三峽進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)時(shí)，視場(chǎng)往往很狹窄，大量衛(wèi)星被遮擋，切多路徑誤差嚴(yán)重。如在大壩上進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，由于大壩的一側(cè)為大水庫(kù)而另一側(cè)則為山地等，自然地理環(huán)境和植被的明顯差別往往會(huì)導(dǎo)致大壩兩側(cè)的大氣狀況（溫度、濕度等）產(chǎn)生明顯的差異，從而影響對(duì)流層延遲改正的精度。

（3) 函數(shù)關(guān)系過于復(fù)雜，誤差源多。與正倒錘等變形監(jiān)測(cè)手段相比，GPS定位的函數(shù)關(guān)系要復(fù)雜的多，涉及的誤差源也要多得多。在GPS定位中基準(zhǔn)站和變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的坐標(biāo)差是依據(jù)兩站的載波相位觀測(cè)值和衛(wèi)星星歷經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算后得到的。定位結(jié)果受衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差和接收機(jī)鐘鐘誤差、對(duì)流層延遲、電離層延遲、多路徑誤差、接收機(jī)測(cè)量噪聲以及數(shù)據(jù)處理軟件本身的質(zhì)量等多種因素的影響。在數(shù)據(jù)處理過程中，還將涉及周跳的探測(cè)及修復(fù)、整周模糊度的確定等一系列問題。其中任一環(huán)節(jié)處理不好就將影響最終的監(jiān)測(cè)精度。此外接收機(jī)天線相位中心的不穩(wěn)定也是影響GPS定位精度的一個(gè)重要因素。目前利用GPS 進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)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(cè)量的精度要求。

三、 GPS變形監(jiān)測(cè)模式

GPS定位技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)作業(yè)可采用兩種模式：連續(xù)性監(jiān)測(cè)模式和周期性重復(fù)測(cè)量監(jiān)測(cè)模式。

（一）連續(xù)性變形監(jiān)測(cè)模式：

連續(xù)性變形監(jiān)測(cè)指的是采用固定檢測(cè)儀器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，獲得變形數(shù)據(jù)系列，此時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是連續(xù)的，具有較高的時(shí)間分辨率。根據(jù)變形體的不同特征，GPS連續(xù)性監(jiān)測(cè)可采用靜態(tài)相對(duì)定位和動(dòng)態(tài)相對(duì)定位兩種數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行觀測(cè)，一般要求變形響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。例如，大壩在超水位蓄洪時(shí)，必須時(shí)刻監(jiān)視其變形狀況，要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理與分析能力。對(duì)于橋梁的靜動(dòng)載實(shí)驗(yàn)和高層建筑物的振動(dòng)測(cè)量等，其監(jiān)測(cè)的主要目的在于獲取變形信息及其特征，數(shù)據(jù)處理及分析可以在事后進(jìn)行。對(duì)于建在活動(dòng)的滑坡體上的城區(qū)、廠房，需要實(shí)時(shí)了解其變化狀態(tài)，以便及時(shí)采取措施，保證人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，可以用全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)方法，即建立GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的精度可按要求設(shè)定，目前最高監(jiān)測(cè)精度可達(dá)到亞毫米級(jí)。系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，從控制中心敲擊鍵盤開始，幾分鐘內(nèi)可以了解到監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)變化情況。

在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面，過去一般采用加速度計(jì)算、激光干涉儀等測(cè)量設(shè)備測(cè)定建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，但是隨著建筑物高度的增加和對(duì)監(jiān)測(cè)工作的連續(xù)性、實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化程度的要求的提高，常規(guī)的測(cè)量技術(shù)已經(jīng)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(fā)展與完善，在大型結(jié)構(gòu)物動(dòng)態(tài)特征和變形監(jiān)測(cè)方面已3顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。近幾年來，國(guó)內(nèi)外利用GPS 在這方面進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究工作。例如，利用GPS 技術(shù)對(duì)加拿大卡爾加里( Calgary )塔在強(qiáng)風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形進(jìn)行了測(cè)定；國(guó)內(nèi)對(duì)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，深圳帝王大廈的風(fēng)力振動(dòng)特性采用了GPS 進(jìn)行測(cè)量。為了獲得監(jiān)測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特征，需要進(jìn)行連續(xù)的、高頻率的數(shù)據(jù)采樣。高采樣率衛(wèi)星接收機(jī)( 20Hz、10Hz、5Hz) 的出現(xiàn)，使之成為研究各種工程建(構(gòu))筑物的動(dòng)態(tài)變形特征的新方法。

長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)模式具有下列優(yōu)點(diǎn)：

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

b.由于數(shù)據(jù)量特別多，故可通過濾波和平滑等技術(shù)來消除噪聲，提取大壩變形信息，獲得高精度的結(jié)果。

c.易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全自動(dòng)化，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和作業(yè)效率。

長(zhǎng)期連續(xù)性檢測(cè)模式的缺點(diǎn)是：

a. 每個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)上均需長(zhǎng)期安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，監(jiān)測(cè)成本昂貴。

b.在野外儀器設(shè)備的安全問題較難解決。

c.需要提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的電源，這個(gè)問題也不容易解決。

（二）周期性測(cè)量變形監(jiān)測(cè)模式

當(dāng)形變體的變形速率相當(dāng)緩慢( 如地殼運(yùn)動(dòng),處于緩慢變形階段的滑坡體位移等)，在局部時(shí)間域和空間域內(nèi)可以認(rèn)為穩(wěn)定不動(dòng)時(shí)，可利用GPS進(jìn)行周期性變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率視具體情況可為數(shù)月、一年或甚至數(shù)年之久。此時(shí)采用GPS 靜態(tài)相對(duì)定位方法測(cè)量，將2 臺(tái)以上GPS 接收機(jī)安置在觀測(cè)點(diǎn)上同步觀測(cè)一段時(shí)間，觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度和時(shí)段個(gè)數(shù)依監(jiān)測(cè)精度的要求而定。一般采用邊連接方式構(gòu)成監(jiān)測(cè)網(wǎng)，數(shù)據(jù)處理與分析在事后進(jìn)行，用后處理軟件進(jìn)行基線解算，經(jīng)過平差計(jì)算求得觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。這種方法尤其適用于長(zhǎng)邊監(jiān)測(cè)網(wǎng)，邊長(zhǎng)相對(duì)精度可高達(dá)。

周期性監(jiān)測(cè)模式的優(yōu)點(diǎn)為：

a.不必長(zhǎng)期占用GPS接收機(jī)，在周期性復(fù)測(cè)期外接收機(jī)可用于其他用途，利用率高。

b.儀器設(shè)備的安全問題和供電問題很容易解決。

周期性監(jiān)測(cè)模式的缺點(diǎn)是：

a.接收機(jī)天線的安置誤差難以完全消除，加之?dāng)?shù)據(jù)量又較少，因而監(jiān)測(cè)的精度較低。要達(dá)到亞毫米級(jí)監(jiān)測(cè)精度有相當(dāng)大的難度，尤其是高程。

b.勞動(dòng)強(qiáng)度特別大，響應(yīng)的速度也特別慢。

四、GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)

運(yùn)用GPS技術(shù)進(jìn)行工程建筑物、構(gòu)筑物的變形監(jiān)測(cè)時(shí)，通常在距離變形區(qū)較遠(yuǎn)的穩(wěn)定地方選擇基準(zhǔn)點(diǎn)，作為GPS觀測(cè)的基準(zhǔn)站。在變形體上選擇若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一般設(shè)置強(qiáng)制對(duì)中裝置，作為GPS觀測(cè)的流動(dòng)站。如果采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實(shí)時(shí)地將測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送到數(shù)據(jù)處理中心，并進(jìn)行保存、處理、分析和顯示，即可以進(jìn)行連續(xù)地自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)。

為了提高GPS觀測(cè)精度，應(yīng)從GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)的影響、觀測(cè)誤差與形變信息的分離、周跳的探測(cè)與復(fù)測(cè)、整周模糊度的確定等方面進(jìn)行深入而詳盡的研究，下面簡(jiǎn)要說明GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)問題與網(wǎng)形設(shè)計(jì)問題。

（一）基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

GPS技術(shù)用于變形測(cè)量，所解算出的基線向量是屬于WGS-84坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)差。實(shí)際需要的點(diǎn)位坐標(biāo)可以是WGS-84坐標(biāo)系的坐標(biāo)，也可能是國(guó)家坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系的坐標(biāo)。所以，在GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)，必須明確GPS成果所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)，即明確GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)所采用的基準(zhǔn)。

GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)與常規(guī)測(cè)量的基準(zhǔn)一樣包括位置基準(zhǔn)、方位基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)。位置基準(zhǔn)由起算的GPS點(diǎn)的坐標(biāo)確定，而方位基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)分別由GPS基線向量的方位和距離確定。GPS測(cè)量的結(jié)果是三維坐標(biāo)，位置基準(zhǔn)有3個(gè)，方為基準(zhǔn)有3個(gè)，尺度基準(zhǔn)一個(gè)。如果以固定的基準(zhǔn)點(diǎn)作為GPS網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)，則在基準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)，至少應(yīng)當(dāng)選擇3個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)。為了增加GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的可靠性，一般應(yīng)選擇4～5個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)。

對(duì)于GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)坐標(biāo)系的選擇，如果選擇WGS-84坐標(biāo)系，在進(jìn)行GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，最好能聯(lián)測(cè)附近的高精度的國(guó)家GPS點(diǎn)。如果附近沒有高精度的國(guó)家GPS點(diǎn)，則每期的GPS觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，都應(yīng)以第一期的基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)為基準(zhǔn)。如果選擇國(guó)家坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系，則基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)同時(shí)具有國(guó)家坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，以便將GPS觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將各點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為國(guó)家坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系。

GPS測(cè)量所得的高程為WGS-84坐標(biāo)系中的大地高。在實(shí)際變形監(jiān)測(cè)工作中可以按大地高進(jìn)行變形分析。如果實(shí)際應(yīng)用中采用水準(zhǔn)高程，在GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)同時(shí)測(cè)定其水準(zhǔn)高程，以便將GPS高程通過曲面擬合轉(zhuǎn)換為水準(zhǔn)高程。

（二）網(wǎng)形設(shè)計(jì)

由于GPS同步觀測(cè)不要求點(diǎn)間通視，故GPS網(wǎng)形設(shè)計(jì)具有較大的靈活性。

根據(jù)不同的精度要求，GPS網(wǎng)的網(wǎng)形布設(shè)通常有點(diǎn)連式、邊連式及邊點(diǎn)混合連接等幾種基本方式。GPS觀測(cè)中，3臺(tái)或3臺(tái)以上接收機(jī)同步觀測(cè)獲得的基線向量構(gòu)成同步環(huán)。故所謂點(diǎn)連接、邊連接等方式都是指同步環(huán)之間的連接。

點(diǎn)連式是指相鄰?fù)綀D形之間僅有一個(gè)公共點(diǎn)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(fù)邊和非同步圖形閉合條件（異步環(huán)），網(wǎng)形幾何強(qiáng)度和可靠性比點(diǎn)連式要高，故GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)多采用邊連式的網(wǎng)形。

例如，對(duì)某地面變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，將三角點(diǎn)（A、B、C、D）作為基準(zhǔn)點(diǎn)與變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)一同進(jìn)行GPS網(wǎng)的網(wǎng)形設(shè)計(jì)。用3臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè)的網(wǎng)形設(shè)計(jì)如圖5-a所示，若用4臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，則網(wǎng)形設(shè)計(jì)如圖5-b所示。當(dāng)然，還可以設(shè)計(jì)出不同的網(wǎng)形，以便選出最佳的布網(wǎng)方案。

對(duì)于3臺(tái)接收機(jī)組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)4個(gè)，需觀測(cè)3個(gè)時(shí)段?；鶞?zhǔn)點(diǎn)與變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)連成16個(gè)三角形，觀測(cè)16個(gè)時(shí)段。而應(yīng)用4臺(tái)接收計(jì)時(shí)，4個(gè)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)觀測(cè)一個(gè)時(shí)段，基準(zhǔn)點(diǎn)與網(wǎng)形監(jiān)測(cè)點(diǎn)連成8個(gè)大地四邊形，觀測(cè)8個(gè)時(shí)段。顯然，用4臺(tái)接收機(jī)觀測(cè)比用3臺(tái)接收機(jī)觀測(cè)時(shí)段少了一半。兩種網(wǎng)形的多余觀測(cè)都比較多，屬于可靠性較強(qiáng)、精度較高的網(wǎng)形。

對(duì)于設(shè)計(jì)出的GPS網(wǎng)形，要依據(jù)接收機(jī)的觀測(cè)精度和網(wǎng)形結(jié)構(gòu)，進(jìn)行精度預(yù)計(jì)，同時(shí)給出該網(wǎng)的可靠性指標(biāo)，求出最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差?？紤]到觀測(cè)時(shí)段數(shù)，最后優(yōu)化出精度能滿足要求、工作量最省的方案。

五、GPS應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外GPS變形監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀分析和對(duì)變形監(jiān)測(cè)的客觀要求, 可將GPS 變形監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)概括為以下幾個(gè)方面：

（1) 建立GPS變形監(jiān)控在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)

對(duì)于大壩、大型橋梁、高層建(構(gòu))筑物、滑坡和地區(qū)性地殼變形監(jiān)測(cè)，研究建立技術(shù)先進(jìn)而又實(shí)用的GPS變形監(jiān)控在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。這種系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理與分析等幾個(gè)主要部分組成，可以使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到及時(shí)地分析和處理，從而實(shí)時(shí)地評(píng)價(jià)變形的現(xiàn)狀和預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，為災(zāi)害發(fā)生的可能性分析與預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)，這對(duì)處于活躍階段的滑坡體變形及斷層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)具有特別重要的意義。由于建立連續(xù)運(yùn)行的GPS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行大壩和滑坡等變形監(jiān)測(cè)，成本較為昂貴。因此，研究低成本的GPS一機(jī)多天線變形在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)也一個(gè)頗有實(shí)際意義的研究方向。

（2) 建立“3S”(GPS、GIS、RS) 集成變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線電通訊技術(shù)、空間技術(shù)及地球科學(xué)的迅猛發(fā)展，“3S”(GPS、GIS、RS) 技術(shù)已從各自獨(dú)立發(fā)展進(jìn)入相互集成融合的階段。“3S”技術(shù)集成,可為分析、研究包括變形信息在內(nèi)的各種災(zāi)變信息之間的相互關(guān)系提供技術(shù)支撐,特別是時(shí)態(tài)GIS(Temporal GIS，簡(jiǎn)稱TGIS)技術(shù)的應(yīng)用, 它可以描述四維空間的地質(zhì)現(xiàn)象，除具有一般 GIS 的功能外，還能夠記載研究區(qū)域內(nèi)各種地質(zhì)現(xiàn)象隨時(shí)間的演繹過程，這對(duì)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)具有非常重要的作用。因此，研究“3S”(集成變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 也是變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。

（3）建立GPS與其他變形監(jiān)測(cè)技術(shù)集成組合的綜合變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為克服GPS技術(shù)用于變形監(jiān)測(cè)的不足和局限性，根據(jù)變形監(jiān)測(cè)的對(duì)象和目的，將GPS與其他變形監(jiān)測(cè)技術(shù)(如IN﹣SAR、攝影測(cè)量和特殊變形測(cè)量技術(shù)等) 集成組合形成綜合變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)測(cè)技術(shù)之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。例如，將GPS 與INSAR 集成組合成GPS/INS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可從離散點(diǎn)位測(cè)定進(jìn)入到四維形變場(chǎng)( x, y, z, t) 的整體動(dòng)態(tài)精確測(cè)定，使GPS變形監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用范圍更加廣闊?，F(xiàn)在GPS等空間測(cè)地技術(shù)不僅可以應(yīng)用于水庫(kù)大壩及各種滑坡的精密外觀形變監(jiān)測(cè)，而且已經(jīng)用于研究板塊運(yùn)動(dòng)、亞板塊運(yùn)動(dòng)等問題，這在過去是不敢想象的。GPS 等空間測(cè)地技術(shù)集成組合應(yīng)用于大范圍、整體性的地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，將使地殼形變觀測(cè)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(cè)地技術(shù)用于大型工程的變形監(jiān)測(cè)帶來了新的機(jī)遇，為推進(jìn)高精度變形監(jiān)測(cè)的研究注入新的活力。

（4) 將小波分析理論用于GPS動(dòng)態(tài)變形分析

為了克服經(jīng)典Fourier分析不能描述信號(hào)時(shí)頻特征的缺陷，可將小波變換用于GPS動(dòng)態(tài)變形分析, 即利用小波變換的多分辨率特性，實(shí)現(xiàn)GPS動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(jīng)起步，但尚未取得實(shí)質(zhì)性的研究成果。在第21屆國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)( IUGG )大會(huì)上，國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)( IAG )將小波理論及其應(yīng)用（確定為大地測(cè)量新理論的研究方向之一。在1999年召開的第22屆IUGG大會(huì)上，小波理論及其在大地測(cè)量和地球動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用（再次被IAG確定為GIV 分會(huì)(大地測(cè)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(yīng)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(shù)學(xué)工具，可解決其他方法無法解決的難題，對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)消噪有著其他方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。因此，小波分析理論在GPS動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理與分析方面將可發(fā)揮重要作用。

以上就是GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，如果你還有什么不了解的地方，歡迎留言或者在線咨詢，我們會(huì)及時(shí)與您聯(lián)系。東英測(cè)繪儀器有限公司提供RTK/GPS、全站儀、水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、無人機(jī)等測(cè)繪儀器的銷售、租賃、檢定、校正、維修等服務(wù)，也承接測(cè)繪培訓(xùn)與各種內(nèi)外業(yè)工程測(cè)量任務(wù)，有相關(guān)的需要了解都可以留言或者在線咨詢我們，我們將詳細(xì)為你解答。