工程建筑物GPS动态监测试验及分析.docx

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工程建筑物GPS动态监测试验及分析

学号__2011301610393_

密级_________________

武汉大学本科毕业论文

工程建筑物GPS动态监测试验及分析

院（系）名称：

测绘学院

专业名称：

测绘工程

学生姓名：

指导教师：

二○一五年六月

郑重声明

本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。

本学位论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名：

日期：

摘要

随着全球定位系统GPS的不断发展与完善，特别是高采样率的GPS接收机的出现，利用GPS技术进行连续、实时、动态监测已经成为可能。

与传统的变形监测方法相比较，GPS动态监测具有高精度、实时、动态、连续监测等传统监测方法所不具备的优势，这也为其在研究大型工程建筑物的动态特征和变形监测领域提供了得天独厚的条件。

本论文通过制定一个简单的GPS动态监测试验，采集大量客观有效的监测数据，将试验所得到的数据利用华测CGO软件进行PPK后处理，对GPS动态监测的结果和精度做出了较为客观的评价，同时对工程建筑物GPS动态监测的特性进行了较为全面的分析和研究。

关键词：

动态监测；GPS全球定位技术；GPS动态监测数据解算

ABSTRACT

Withthecontinuousdevelopmentandperfectofglobalpositioningsystem（GPS）,especiallytheemergenceofthehighsamplingrateofGPSreceiver,usingGPStechnologyforcontinuous,real-time,dynamicobservationhasbecomepossible.Comparedwiththetraditionaldeformationmonitoringmethods,GPSdynamicmonitoringwithhighprecision,real-time,dynamicandcontinuousmonitoringofthetraditionalmonitoringmethods,suchasdonothavetheadvantageofthisalsoforthestudyofdynamiccharacteristicsoflargeengineeringstructuresandprovidestheadvantagedconditionsindeformationmonitoring.Inthispaper,bymakingasimpleGPSdynamicmonitoringtest,collectingalargenumberofobjectiveeffectivemonitoringdata,thetestdataobtainedbyusingHuaCeCGOsoftwareanalysisprocessing,theaccuracyandresultsofGPSdynamicmonitoringfortheobjectiveevaluation,thefeaturesofGPSdynamicmonitoringofengineeringbuildinghascarriedonthecomprehensiveanalysisandresearch.

Keywords:

dynamicmonitoring；GPStechnology；GPSdynamicmonitoringdatadecoding

摘要..................................................................................................I

ABSTACT...........................................................................................II

1绪论...............................................................................................1

1.1论文的研究背景及意义................................................................1

1.1.1论文的研究背景...................................................................1

1.1.2论文的研究意义...................................................................2

1.2国内外研究与发展的现状和趋势...................................................3

1.2.1工程建筑物GPS动态监测的发展现状.......................................3

1.2.2工程建筑物GPS动态监测的发展趋势.......................................4

1.3论文的研究内容与组织...............................................................5

1.3.1论文的研究内容..................................................................5

1.3.2论文的整体组织..................................................................5

2工程建筑物动态监测主要内容和方法介绍......................................7

2.1工程建筑物动态监测主要内容......................................................7

2.2建筑结构GPS动态监测方法........................................................7

2.2.1GPS动态监测原理—GPSRTK技术..........................................7

2.2.2动态监测系统组成..............................................................8

3工程建筑物GPS动态监测试验方案的制订与实施.........................10

3.1GPS变形监测试验操作规范与要求.............................................10

3.2工程建筑物GPS动态监测方案设计............................................10

3.2.1变形监测内容的确定.........................................................10

3.2.2监测方法和仪器的选择......................................................10

3.2.3变形监测精度的确定.........................................................10

3.2.4监测位置及测点布置的确定................................................11

3.2.5监测频率的确定...............................................................11

3.3试验实施流程........................................................................11

3.3.1具体操作流程.................................................................11

3.3.2注意事项.......................................................................12

4GPS动态监测试验数据处理与结果分析........................................13

4.1GPS动态监测试验外业数据处理................................................13

4.2GPS动态监测试验结果分析和精度评价......................................17

5结语..............................................................................................22

参考文献.........................................................................................23

致谢................................................................................................25

1绪论

1.1论文的研究背景及意义

1.1.1论文的研究背景

新中国成立以来，随着社会主义事业的不断发展和完善，工程建设的步伐也越来越快。

高楼大厦如雨后春笋般拔地而起，大型悬索桥、大跨度斜拉桥让“一桥飞架南北”成为了现实，水电风电太阳能等清洁能源建设也在蓬勃有力的发展，“一带一路”的战略构想更是将中国的高速铁路建设推向了国际市场。

现代工程建筑物在规范、造型、难度方面提出了更高的要求，工程建筑物变形监测也成为了工程建设工作中的重中之重。

在温度变化、荷载变化以及强风、地震等因素的影响下，许多大型工程建筑物诸如大桥、高层建筑物和大坝等都会产生震动和发生位移，严重的甚至会有倒塌事故的产生。

这种情况之下，科学、有效、实时地监测以及预报工程和结构建筑物的变形状况，对于工程建筑物的规划设计、施工建设和运营管理就显得尤为重要，而这一工作便属于变形监测的范畴。

回顾国内外变形监测技术几十年来发展的历史，由于知识水平的局限性和技术条件的限制，在过去传统的工程建筑物变形监测方法主要是加速度计法、激光干涉仪法，位移传感器测试法和全站仪测试法等[9]。

这些方法虽然能够达到变形监测的目的，但也存在一定的弊端：

不能同时测定不同监测点位移，位移量比较大时观测困难；很难实时的得到观测值；对于高大的构筑物，特别在强风、大雨的条件下，跟踪目标困难等等。

总而言之，随着工程建筑物在规范、造型、难度方面越来越高的要求，传统的变形监测技术手段已经不能满足现代工程建筑物动态监测的需要，在这种情况下连续、实时和自动监测的GPS动态监测技术手段也应运而生。

20世纪80年代以来，全球卫星定位技术和导航技术与现代电子通信技术和计算机技术相结合，在空间定位方面引起了革命性的变革。

计算机技术、数据通信技术和以GPS为代表的空间定位技术得到了快速的发展和完善，GPS技术为实现工程建筑物的连续、动态和实时监测提供了可能[1]。

在现代工程建筑物变形监测方面，采用GPS动态监测技术有许多传统方法不可比拟的优势：

（1）即使在恶劣的气候条件的影响下，观测仍可以正常进行，观测不受气候条件的制约。

（2）基准站和监测站之间无需保持通视，在布设变形监测网是可以更加的自由和灵活。

（3）既能够采用人工手段进行周期性监测，也可以实现长期连续的实时自动监测。

采用后一种监测方式时，从数据采集，处理分析到资料整理存档都能够全程自动化进行。

（4）与传统的常规变形监测方式相比较，其还拥有定位精度高，效率高等优点。

总而言之，GPS定位测量的这些优点为对大型工程建筑物进行实时，高精度的动态监测提供了很好的技术条件。

1.1.2论文的研究意义

由于大型建（构）筑物在国民经济建设中的重要性，其安全问题受到普遍关注。

现代工程建筑物在建设规模和难度方面越来越大，工程造价和预算也水涨船高，工程的安全性和精密度也越来越高。

在这种前提下，一旦由于某些不确定性的因素而引起人员或者财产上的损害，其后果将不堪设想。

因此，准确地掌握各类工程的变形状态，实现预测和防治工程灾害的目的，显得十分重要。

工程建筑物GPS动态监测的主要目的和意义具体表现在以下几个方面：

（1）科学、准确、及时的分析和预报建筑物的安全状态

由于所处地理位置地质构造的变化、工程内部结构、外界温度条件、天气因素、工程建筑物自重和振动等方面因素的影响，工程建筑物及其设备在施工建设和运营管理阶段都会发生一定程度的变形，如工程建筑物整体或局部的水平位移，垂直位移，渗透以及裂缝等。

在合理的变形限度之内，这些情况不影响工程建筑物的正常使用，但是如果超出了变形限度，那么就会影响工程建筑物的正常工作，严重的甚至会引起垮塌、崩裂等极端情况的发生。

因此，科学、准确、及时的分析和预报建筑物的安全状态，对于大型工程建筑物的安全使用具有重要的意义。

（2）验证设计原理，反馈施工质量

　　回顾国内外许多工程建设案例，有很多都因为设计原因或者是因为施工质量不达标而导致工程事故的发生。

变形监测不仅能监视建（构）筑物的安全状态，而且其结果也是对设计数据的验证，同时起到反馈施工质量的重要作用，为改进设计和科学研究提供重要的资料和依据。

（3）研究变形规律，进行合理分析和预报

各类工程建筑物变形有一定的规律，通过对大量监测数据的分析处理可以对各类工程建筑物的变形规律做客观系统的评价，更好的掌握各类工程建筑物的变形机制和原理，给出合理的解释，建立合理的变形监测预报模型。

全球定位系统GPS技术的应用是测量技术领域的一项革命性变革，它凭借测站之间不需要相互通视、测量速度快、不受天气条件影响、可全天候作业、实时动态监测、操作简便可以实现监测自动化等一系列优势，被广泛应用于经济建设和科学研究等众多领域，是测绘科学技术和测量技术改革和创新的新的方向。

随着人类社会的进步和人们生活水平的提高，大型工程建筑物的建设也更加迅速，建筑物的质量也越来越高，伴随而来的大型工程建筑物的变形监测和安全预报也显得越来越重要。

传统的变形监测技术手段已经不能满足现代大型工程建筑物动态监测的需求，不仅工作量大效率低，而且其精度也很难满足工程建设的需求。

此时应用而生的GPS定位技术便显示出了传统监测技术所无法取代的重要作用。

1.2国内外研究与发展的现状和趋势

1.2.1工程建筑物GPS动态监测的发展现状

目前，变形监测方法和技术正由传统的单一监测模式向点、线、面立体交叉的空间模式转变。

工程建筑物变形监测的方法主要有常规大地测量方法，高精度地面监测方法（如测量机器人）、地面摄影测量方法、GPS动态监测及自动化系统、三维激光扫面技术和特殊的测量手段（应变测量、准直测量、倾斜测量）等。

随着测绘科学技术、计算机通信技术以及雷达激光技术等的发展革新，近些年来工程建筑物动态监测领域国际国内研究的热点也由传统的变形监测技术转变到新兴的GPS技术、合成孔径雷达干涉技术（INSAR）、计算机层析成像（CT）技术、激光扫描技术等，并且把这些技术广泛应用于变形监测的各个领域。

工程建筑物GPS动态监测技术，是目前广泛采用的变形监测新方法、新技术之一。

全球定位系统GPS技术的应用是测量技术领域的一项革命性变革，它凭借测站之间不需要相互通视、测量速度快、不受天气条件影响、可全天候作业、实时动态监测、操作简便可以实现监测自动化等一系列优势，被广泛应用于经济建设和科学研究等众多领域，是测绘科学技术和测量技术改革和创新的新的方向，其广泛的适用性和优异的性能，是传统常规测量作业难以比拟的。

GPS技术作为一种新的变形监测方法，凭借其完善的硬件和软件系统，特别是高采样率GPS接收机的出现，在大型工程建筑物的动态特性研究和变形监测方面已经表现出了其独特的优越性能。

在工程测量方面，利用GPS静态相对定位技术布设精密工程控制网，在水电大坝动态监测、大型高层建筑物安全预报分析、隧道贯通测量、城市和矿区地面沉降监测方面得到了广泛的应用。

利用GPSRTK技术加密测图控制点，也广泛应用于各种类型的比例尺地形图的测绘工作和工程建设中的施工放样工作中。

近些年来，一些大型工程建筑物已经开展了成效显著的GPS动态监测试验与测试工作。

在桥梁变形监测方面，一些大跨度悬索桥或者斜拉桥（如广东虎门大桥、浙江杭州湾大桥，香港青马大桥）已经尝试安装了GPS动态监测系统；大型工程建筑物安全预报分析方面，深圳帝王大厦的风力振动特性采用了GPS进行测量；加拿大加里（Calgary）塔在强风作用下的结构动态变形也采用了GPS动态监测技术。

正如Loves所言，随着GPS动态变形监测技术能力的进一步证实，这一技术可望被采纳为测量结构振动的标准技术[1]。

1.2.2工程建筑物GPS动态监测的发展趋势

（1）建立GPS实时在线动态监测系统。

利用计算机网络技术、数字通讯技术与GPS全球定位技术相结合，对水电大坝、大型高层建筑物、大跨度桥梁和区域性地壳形变和地面沉降做实时动态的监测，研究建立高效率的GPS动态监测在线实时分析系统是GPS动态监测一个重要的发展趋势。

该系统可以由数据采集系统、数据传输系统、数据处理和分析系统组成，对于变形监测数据实现自动化、智能化、系统化、网络化的处理和分析，更加注重时空模型和时频分析，科学预报和分析工程建筑物和地质结构的变形状况，从而达到减少灾害发生时带来的财产和人员损失。

（2）建立”3S”（GPS、GIS、RS）集成的变形监测系统。

随着数字通信技术、计算机网络技术和空间定位技术、地球科学技术的高速发展，“3S”（GPS、GIS、RS）技术已从各自独立发展进入相互集成融合的阶段。

“3S”技术的集成，可为研究、包括动态监测信息在内的各种灾变信息之间的相互关系提供技术支撑，这对地面沉降、山体滑坡、泥石流等地质灾害的监测预报具有非常重要的作用。

（3）建立以数据库、知识库、方法库和多媒体库为主体的安全监测专家系统。

各类工程建筑物变形都有着一定的规律，通过对大量监测数据的分析处理可以对各类工程建筑物的变形规律做客观系统的评价，更好的掌握各类工程建筑物的变形机制和原理，给出合理的解释。

我们可以通过分析大量变形监测案例，客观分析整理出合理的变形监测数据库，建立安全监测专家系统，这对各类工程建筑物变形状况的安全预报和分析具有重要意义。

（4）建立GPS与其他变形监测技术集成的综合变形监测系统。

由于各类变形监测方法都有其优点和不足，我们可以将各类方法整合起来形成优势互补，将GPS与其他变形监测技术（如IN2SAR、摄影测量和特殊变形测量技术等）集成组合形成综合变形监测系统。

这也为GPS等空间测地技术用于大型工程的变形监测带来了新的机遇，为推进高精度变形监测的研究注入新的活力。

1.3论文的研究内容和组织

1.3.1主要内容

论文的主攻方向：

本课题的主旨是通过实验研究GPS动态监测运用在工程建筑物上面的可行性，通过与传统的监测方法对比，表现出GPS动态监测具有实时、动态且具有高精度的特性。

论文研究的主要内容：

（1）工程建筑物动态监测技术的发展现状及趋势分析；

（2）建筑结构GPS动态监测的方法；

（3）建筑结构GPS动态监测试验方案的制定与实施；

（4）GPS动态监测试验数据处理与结果分析评价。

1.3.2论文组织

本论文共五章，具体组织如下：

第一章:

是本文的引言部分。

说明本论文的选题背景与选题意义，综合分析

了工程建筑物GPS动态监测的研究现状以及其发展趋势，并指出存在的优缺点与当前的解决思想，最后说明了本论文的研究内容与论文结构。

第二章：

对工程建筑物变形监测的方法做了比较系统、全面的介绍整理，首先介绍了建筑结构变形监测的传统方法和新兴方法技术，然后对GPS动态监测的方法进行简介，最后通过建筑结构GPS动态监测的原理和系统组成，突出了GPS变形监测应用于建筑结构领域的可行性和优点。

第三章：

通过制定建筑结构GPS动态监测试验方案并实施该方案来得到试验所需数据。

第四章：

通过对GPS动态监测试验数据处理与结果分析评价，分析GPS动态监测应用于工程建筑物变形监测的精度和可靠性。

第五章：

结语。

总结全文的研究内容，对我所进行的试验以及整篇论文进行一个简单的总结。

2工程建筑物动态监测主要内容和方法介绍

2.1工程建筑物动态监测主要内容

变形是自然界普遍存在的现象，它是指变形体在各种荷载的作用下，其形状、大小及位置在时间域和空间域中的变化。

所谓变形监测，就是指利用测量与专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视观测的工作。

其任务是确定在各种荷载和外力的作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。

变形监测工作是人们通过变形现象获得科学认识、检验理论和假设的必要手段[1]。

工程建筑物动态监测的主要内容要根据变形体的性质和地基情况来定，但总得来说就是监测结构建筑物的主要特征点在外界环境（如温度、风力、天气状况和极端条件）和内在因素影响下空间状态和时间特征的变化，并对结构建筑物进行损伤监测，安全性和使用寿命进行客观评估等工作。

2.2建筑结构GPS动态监测方法

工程建筑物结构比较稳定，受外界影响而引起的位移和振动比较不明显，利用GPS技术进行大型工程建筑物动态监测时，就需要采用高精度的GPS定位技术。

采取差分GPS载波相位技术可以使得定位精度精确到厘米级甚至是毫米级。

另外，通过GPS载波相位技术难以对振动范围较小的刚性结构物体进行动态监测，故GPS定位技术一般用于柔性结构建筑物的动态位移监测中，比如大跨度悬索桥或者斜拉桥，高层钢结构建筑物或者高塔等结构建筑物。

2.2.1GPS动态监测原理—GPSRTK技术

GPSRTK（RealTimeKinematic）技术是一种利用GPS载波相对观测值进行实时动态相对定位的技术。

采用GPSRTK技术能够实时定位在野外对空通视任一测点的三维坐标，因此GPSRTK技术在工程建设，大型结构建筑物变形监测和定位导航方面应用前景很广。

GPS定位是通过同时接受4颗以上GPS卫星信号，测定卫星到接收机的距离进行定位。

为提高定位精度，可利用载波相位进行定位。

载波相位进行定位是利用差分方式。

即将一台接收机安装在一个已知坐标的固定点上，也称基准站，在待测点上（称监测站）安置GP