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摘 要：由于GPS 可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数， 目前在各类变形监测中已得到了广泛的应用。本文简要介绍了GPS 变形监测技术概念和意义，详细总结了GPS变形监测的应用现状及发展趋势。
关键词：GPS；变形监测；应用现状；趋势
Abstract: Because GPS can continuously provide high precision 3D coordinates, to any user global all-weather three-dimensional velocity and time information and other technical parameters, present in all kinds of deformation monitoring has been widely used. This paper briefly introduces the concept and significance of GPS deformation monitoring technology, summarizes the application status and development trend of GPS deformation monitoring.
Key words: GPS; deformation monitoring; application status; trend
中圖分类号：P228.4文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
一、GPS概述
全球定位系统(GPS)作为20世纪一项高新技术，具有速度快、全天候、自动化、测站间无需通视、可同时测定点的三位坐标及精度高等优点，因而获得了广泛应用。目前GPS精密定位技术已经广泛地渗透到经济建设和科学技术的许多领域，对经典大地测量学的各个方面产生了极其深的影响。它在大地测量学及其相关学科领域，如地球动力学、海洋大地测量、地球物理探测、资源勘探、航空与卫星感、工程变形监测、运动目标的测速以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分显示了卫星定位技术的高精度与高效益。随着社会和生产的飞速发展，各种大型的工程建筑越来越多，所以其变形监测的工作也变得越来越重要。若用传统的测量方法不仅工作量大，而且其精度也很达到，而GPS定位技术此时在变形监测中以其显示出传监测技术所无法取代的重要作用。
二、变形监测的基本概念
变形是自然界普遍存在的现象，它是指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时间域和空间域中的变化。变形体的变形在一定范围内被认为是允许的，如果超出允许值，则可能引发灾害。自然界的变形危害现象很普遍，如地层、滑坡、岩崩、地表沉陷、火山爆发、溃坝、桥梁与建筑物的倒塌等。
所谓变形监测，就是利用测量仪器及其他专用仪器和方法对变形体进行监视、观测的工作。变形监测又称变形测量或变形观测，其任务是确定在各种荷载和外力作用下，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，是工程测量学的重要内容。
三、变形监测的目的与意义
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。各种工程规模越来越大，造价越来越高，工程要求也越来越精密，而一旦由于某种原因引起工程灾害，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。对重要建(构)筑物实施变形监测的主要目的及意义体现在以下几个方面。
1.分析和评价建筑物的安全状态
由于工程的地质条件、内部结构、使用中的荷载及振动等内外因素的影响，建(构)筑物及其设备在施工及运营过程中都会产生一定的变形，如建(构)筑物的整体或局部发生沉陷、倾斜、扭曲、裂缝等。这种变形如果超过了一定的限度，就会影响建(构)筑物的正常使用，可能危及其安全。因此，在各类工程在施工及运营期间，尤其是大型工程，一般都要进行变形监测，以监视建(构)筑物的安全状态。
2.验证设计原理，反馈施工质量
在国内外，存在不少因设计或施工质量问题而造成的工程事故。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
通过大量的监测数据对变形体的变形规律进行系统的分析研究，更好的掌握变形机理，给出合理的物理解释，建立有效的变形预报模型，是变形监测的中心任务。
总而言之，变形监测有实用上和科学上两方面的意义。首先是实用上的意义，掌握各种建筑物和地质构造的稳定性，为安全性诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取措施;其次是科学上的意义，包括更好地理解变形的机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，进行反馈设计以及建立有效的变形预报模型等。
四、GPS在变形监测应用的现状
工程变形监测方法主要有常规大地测量方法、特殊大地测量方法、摄影测量方法、智能全站仪(测量机器人)、空间测量技术(如GPS技术、合成孔径雷达干技术(INSAR))等。近年来，合成孔径雷达干涉技术(INSAR)、GPS技术、激光扫描技术、布里渊散射光时域反射测量技术(BOTDR)、计算机层析成像(CT)技术等变形监测新技术成为国内外研究热点，并得到了广泛应用.基于GPS技术的变形监测理论与方法，是当前广泛采用的变形监测新方法、新技术之一。GPS卫星定位技术相比于传统的测绘作业方法与模式有着显著的特点和优越性，其优越的性能及广泛的适用性，是常规测量作业难以比拟的。GPS以其全天候、高精度、高效率、实时动态等优点，成为当今极为重要的监测手段之一。如今，GPS技术已广泛应用与地壳运动观测，区域地面沉降监测，矿区、坝区边坡稳定性监测，桥梁大坝及其他大型工程形变监测等诸多方面并取得了一系列成果，在实践中逐步发展、完善，积累了丰富的经验。将GPS技术应用于桥梁工程的变形监测方面，国内外开展了广泛的研究和试验。
80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自己的卫星导航系统。至今十多年来，据有关人士估计，目前我国的GPS接收机拥有量约有10万台左右，其中测量类约800-1200台，航空类约几百台，航海类约6万多台，车载类约2万多台。而且以每年2万台地速度增加。足以说明GPS技术在我国各行业中应用的广泛性。
在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面。组织个部门参加1992年全国GPS定位大会战。经过数据处理，GPS网点地心坐标精度优于0.2m，点间位置精度优于10-8。在我国建成了平均边长约100km的GPS A级网，提供了亚米级精度地心坐标基准。此后，在A级网的基础上，我国又布设了边长约30-100km的B级网，全国约2500个点。A、B级GPS网点都联测了几何水准。这样，就为我国各部门的测绘工作，建立各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。我国已完成西沙、南沙群岛个岛屿与大陆的GPS联测，使海岛与全国大地网联结成一个整体。
在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技术（简称RTK）测绘各种比例尺地形图和用于工程建设中的施工放样。
在我国，也有许多将GPS技术成功运用于桥梁变形监测的案例。2000年，香港高速公路管理局的Kai.Yue Wong等人利用GPS实时动态载波相位差分(RTK)技术建立了香港青马大桥监测系统1141，在桥面、桥柱和桥塔上布有27个测站，另外还设有两个基准站。GPS接收机与其它监测传感器一起组成了监测系统对青马大桥的安全进行监测，数据采样率为10Hz，通过通信光纤把数据从各个监测站传输到数据处理中心。该系统通过对桥梁位移和变形的高精度实时监测和分析，为桥梁的管理和维护提供了科學的依据。
五、GPS变形监测的发展趋势
1.建立GPS变形监控在线实时分析系统对于大坝、大型桥梁、高层建(构)筑物、滑坡和地区性地壳变形监测，研究建立技术先进而又实用的GPS变形监控在线实时分析系统是一个重要的发展趋势。这 种系统由数据采集、数据传输和数据处理与分析等几个主要部分组成，可以使监测数据得到及时地分析和处理，从而实时地评价变形的现状和预测其发展趋势，为灾害发生的可能性分析与预报提供科学依据，这对处于活跃阶段的滑坡体变形及断层的相对运动监测具有特别重要的意义。由于建立连续运行的GPS网络系统进行大坝和滑坡等变形监测，成本较为昂贵，因此，研究低成本的GPS一机多天线变形在线实时监测分析系统也一个颇有实际意义的研究方向。
2.建立“3S”(GPS、GIS、RS)集成变形监测系统随着计算机技术、无线电通讯技术、空间技术及地球科学的迅猛发展，“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[20，21]。“3S”技术集成，可为分析、研究包括变形信息在内的各种灾变信息之间的相互关系提供技术支撑，特别是时态GIS(Temporal GIS，简称TGIS)技术的应用，它可以描述四维空间的地质现象，除具有一般GIS的功能外，还能够记载研究区域内各种地质现象随时间的演绎过程，这对滑坡等地质灾害的监测预报具有非常重要的作用。因此，研究“3S”集成变形监测系统，也是变形监测技术的重要发展趋势之一。
3.建立GPS与其他变形监测技术集成组合的综合变形监测系统为克服GPS技术用于变形监测的不足和局限性，根据变形监测的对象和目的，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，可实现不同监测技术之间的优势互补。例如，将GPS与INSAR集成组合成GPS/INS变形监测系统，可从离散点位测定进入到四维形变场(x，y，z，t)的整体动态精确测定，使GPS变形监测技术应用范围更加广阔。现在 GPS等空间测地技术不仅可以应用于水库大坝及各种滑坡的精密外观形变监测，而且已经用于研究板块运动、亚板块运动等问题，这在过去是不敢想象的。GPS等空间测地技术集成组合应用于大范围、整体性的地壳运动监测，将使地壳形变观测在空间域的控制能力和分辨能力方面得到极大地提高，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。
4.将小波分析理论用于GPS动态变形分析为了克服经典Fourier分析不能描述信号时频特征的缺陷，可将小波变换用于GPS动态变形分析，即利用小波变换的多分辨率特性，实现GPS动态监测数据的滤 波、变形特征信息的提取以及不同变形频率的分离。通过小波变换提取变形特征的研究工作已经起步，但尚未取得实质性的研究成果。在第21届国际大地测量与地球物理联合会(IUGG)大会上，国际大地测量协会(IAG)将“小波理论及其应用”确定为大地测量新理论的研究方向之一。在1999年召开的第22届IUGG大会上，“小波理论及其在大地测量和地球动力学中的应用”再次被IAG确定为GIV分会(大地测量理论与方法)的新的研究课题。由此可见开展小波理论及其应用研究的重要性。小波分析为高精度变形特征提取提供了一种数学工具，可解决其他方法无法解决的难题，对非平稳信号消噪有着其他方法无法比拟的优点。因此，小波分析理论在GPS动态变形监测的数据处理与分析方面将可发挥重要作用。
参考文献：
[1]过家春.GPS术在桥梁变形监测中的应用研究[J].合肥工业大学出版社.2010.
[2]胡友健.梁新美.许成功，论GPS变形监测技术的现状与发展趋势[J]，测绘科学，2006.
[3]王博.GPS变形监测网数据分析探讨[J].科技情报开发与经济.2010
关键词：GPS；变形监测；应用现状；趋势
Abstract: Because GPS can continuously provide high precision 3D coordinates, to any user global all-weather three-dimensional velocity and time information and other technical parameters, present in all kinds of deformation monitoring has been widely used. This paper briefly introduces the concept and significance of GPS deformation monitoring technology, summarizes the application status and development trend of GPS deformation monitoring.
Key words: GPS; deformation monitoring; application status; trend
中圖分类号：P228.4文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
一、GPS概述
全球定位系统(GPS)作为20世纪一项高新技术，具有速度快、全天候、自动化、测站间无需通视、可同时测定点的三位坐标及精度高等优点，因而获得了广泛应用。目前GPS精密定位技术已经广泛地渗透到经济建设和科学技术的许多领域，对经典大地测量学的各个方面产生了极其深的影响。它在大地测量学及其相关学科领域，如地球动力学、海洋大地测量、地球物理探测、资源勘探、航空与卫星感、工程变形监测、运动目标的测速以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分显示了卫星定位技术的高精度与高效益。随着社会和生产的飞速发展，各种大型的工程建筑越来越多，所以其变形监测的工作也变得越来越重要。若用传统的测量方法不仅工作量大，而且其精度也很达到，而GPS定位技术此时在变形监测中以其显示出传监测技术所无法取代的重要作用。
二、变形监测的基本概念
变形是自然界普遍存在的现象，它是指变形体在各种荷载作用下，其形状、大小及位置在时间域和空间域中的变化。变形体的变形在一定范围内被认为是允许的，如果超出允许值，则可能引发灾害。自然界的变形危害现象很普遍，如地层、滑坡、岩崩、地表沉陷、火山爆发、溃坝、桥梁与建筑物的倒塌等。
所谓变形监测，就是利用测量仪器及其他专用仪器和方法对变形体进行监视、观测的工作。变形监测又称变形测量或变形观测，其任务是确定在各种荷载和外力作用下，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，是工程测量学的重要内容。
三、变形监测的目的与意义
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。各种工程规模越来越大，造价越来越高，工程要求也越来越精密，而一旦由于某种原因引起工程灾害，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。对重要建(构)筑物实施变形监测的主要目的及意义体现在以下几个方面。
1.分析和评价建筑物的安全状态
由于工程的地质条件、内部结构、使用中的荷载及振动等内外因素的影响，建(构)筑物及其设备在施工及运营过程中都会产生一定的变形，如建(构)筑物的整体或局部发生沉陷、倾斜、扭曲、裂缝等。这种变形如果超过了一定的限度，就会影响建(构)筑物的正常使用，可能危及其安全。因此，在各类工程在施工及运营期间，尤其是大型工程，一般都要进行变形监测，以监视建(构)筑物的安全状态。
2.验证设计原理，反馈施工质量
在国内外，存在不少因设计或施工质量问题而造成的工程事故。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
通过大量的监测数据对变形体的变形规律进行系统的分析研究，更好的掌握变形机理，给出合理的物理解释，建立有效的变形预报模型，是变形监测的中心任务。
总而言之，变形监测有实用上和科学上两方面的意义。首先是实用上的意义，掌握各种建筑物和地质构造的稳定性，为安全性诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取措施;其次是科学上的意义，包括更好地理解变形的机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，进行反馈设计以及建立有效的变形预报模型等。
四、GPS在变形监测应用的现状
工程变形监测方法主要有常规大地测量方法、特殊大地测量方法、摄影测量方法、智能全站仪(测量机器人)、空间测量技术(如GPS技术、合成孔径雷达干技术(INSAR))等。近年来，合成孔径雷达干涉技术(INSAR)、GPS技术、激光扫描技术、布里渊散射光时域反射测量技术(BOTDR)、计算机层析成像(CT)技术等变形监测新技术成为国内外研究热点，并得到了广泛应用.基于GPS技术的变形监测理论与方法，是当前广泛采用的变形监测新方法、新技术之一。GPS卫星定位技术相比于传统的测绘作业方法与模式有着显著的特点和优越性，其优越的性能及广泛的适用性，是常规测量作业难以比拟的。GPS以其全天候、高精度、高效率、实时动态等优点，成为当今极为重要的监测手段之一。如今，GPS技术已广泛应用与地壳运动观测，区域地面沉降监测，矿区、坝区边坡稳定性监测，桥梁大坝及其他大型工程形变监测等诸多方面并取得了一系列成果，在实践中逐步发展、完善，积累了丰富的经验。将GPS技术应用于桥梁工程的变形监测方面，国内外开展了广泛的研究和试验。
80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自己的卫星导航系统。至今十多年来，据有关人士估计，目前我国的GPS接收机拥有量约有10万台左右，其中测量类约800-1200台，航空类约几百台，航海类约6万多台，车载类约2万多台。而且以每年2万台地速度增加。足以说明GPS技术在我国各行业中应用的广泛性。
在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面。组织个部门参加1992年全国GPS定位大会战。经过数据处理，GPS网点地心坐标精度优于0.2m，点间位置精度优于10-8。在我国建成了平均边长约100km的GPS A级网，提供了亚米级精度地心坐标基准。此后，在A级网的基础上，我国又布设了边长约30-100km的B级网，全国约2500个点。A、B级GPS网点都联测了几何水准。这样，就为我国各部门的测绘工作，建立各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。我国已完成西沙、南沙群岛个岛屿与大陆的GPS联测，使海岛与全国大地网联结成一个整体。
在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技术（简称RTK）测绘各种比例尺地形图和用于工程建设中的施工放样。
在我国，也有许多将GPS技术成功运用于桥梁变形监测的案例。2000年，香港高速公路管理局的Kai.Yue Wong等人利用GPS实时动态载波相位差分(RTK)技术建立了香港青马大桥监测系统1141，在桥面、桥柱和桥塔上布有27个测站，另外还设有两个基准站。GPS接收机与其它监测传感器一起组成了监测系统对青马大桥的安全进行监测，数据采样率为10Hz，通过通信光纤把数据从各个监测站传输到数据处理中心。该系统通过对桥梁位移和变形的高精度实时监测和分析，为桥梁的管理和维护提供了科學的依据。
五、GPS变形监测的发展趋势
1.建立GPS变形监控在线实时分析系统对于大坝、大型桥梁、高层建(构)筑物、滑坡和地区性地壳变形监测，研究建立技术先进而又实用的GPS变形监控在线实时分析系统是一个重要的发展趋势。这 种系统由数据采集、数据传输和数据处理与分析等几个主要部分组成，可以使监测数据得到及时地分析和处理，从而实时地评价变形的现状和预测其发展趋势，为灾害发生的可能性分析与预报提供科学依据，这对处于活跃阶段的滑坡体变形及断层的相对运动监测具有特别重要的意义。由于建立连续运行的GPS网络系统进行大坝和滑坡等变形监测，成本较为昂贵，因此，研究低成本的GPS一机多天线变形在线实时监测分析系统也一个颇有实际意义的研究方向。
2.建立“3S”(GPS、GIS、RS)集成变形监测系统随着计算机技术、无线电通讯技术、空间技术及地球科学的迅猛发展，“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[20，21]。“3S”技术集成，可为分析、研究包括变形信息在内的各种灾变信息之间的相互关系提供技术支撑，特别是时态GIS(Temporal GIS，简称TGIS)技术的应用，它可以描述四维空间的地质现象，除具有一般GIS的功能外，还能够记载研究区域内各种地质现象随时间的演绎过程，这对滑坡等地质灾害的监测预报具有非常重要的作用。因此，研究“3S”集成变形监测系统，也是变形监测技术的重要发展趋势之一。
3.建立GPS与其他变形监测技术集成组合的综合变形监测系统为克服GPS技术用于变形监测的不足和局限性，根据变形监测的对象和目的，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，可实现不同监测技术之间的优势互补。例如，将GPS与INSAR集成组合成GPS/INS变形监测系统，可从离散点位测定进入到四维形变场(x，y，z，t)的整体动态精确测定，使GPS变形监测技术应用范围更加广阔。现在 GPS等空间测地技术不仅可以应用于水库大坝及各种滑坡的精密外观形变监测，而且已经用于研究板块运动、亚板块运动等问题，这在过去是不敢想象的。GPS等空间测地技术集成组合应用于大范围、整体性的地壳运动监测，将使地壳形变观测在空间域的控制能力和分辨能力方面得到极大地提高，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。
4.将小波分析理论用于GPS动态变形分析为了克服经典Fourier分析不能描述信号时频特征的缺陷，可将小波变换用于GPS动态变形分析，即利用小波变换的多分辨率特性，实现GPS动态监测数据的滤 波、变形特征信息的提取以及不同变形频率的分离。通过小波变换提取变形特征的研究工作已经起步，但尚未取得实质性的研究成果。在第21届国际大地测量与地球物理联合会(IUGG)大会上，国际大地测量协会(IAG)将“小波理论及其应用”确定为大地测量新理论的研究方向之一。在1999年召开的第22届IUGG大会上，“小波理论及其在大地测量和地球动力学中的应用”再次被IAG确定为GIV分会(大地测量理论与方法)的新的研究课题。由此可见开展小波理论及其应用研究的重要性。小波分析为高精度变形特征提取提供了一种数学工具，可解决其他方法无法解决的难题，对非平稳信号消噪有着其他方法无法比拟的优点。因此，小波分析理论在GPS动态变形监测的数据处理与分析方面将可发挥重要作用。
参考文献：
[1]过家春.GPS术在桥梁变形监测中的应用研究[J].合肥工业大学出版社.2010.
[2]胡友健.梁新美.许成功，论GPS变形监测技术的现状与发展趋势[J]，测绘科学，2006.
[3]王博.GPS变形监测网数据分析探讨[J].科技情报开发与经济.2010