本科毕业论文---gps在变形监测中的应用论文及发展前景.doc

GPS在变形监测中的应用及发展前景目 录摘 要IABSTRACTII1 GPS技术与变形监测技术11.1 GPS技术11.1.1 GPS简介11.1.2 GPS定位原理、方法21.1.3 GPS测量的特点31.1.4 GPS外业测量工作的实施41.1.5 GPS高程测量51.1.6 GPS网的建立及质量控制71.1.7 GPS测量的数据处理91.1.8 GPS定位中的误差来源与削弱或消除措施121.1.9 GPS的应用121.2 变形监测技术141.2.1 变形监测的含义及分类141.2.2 变形监测的内容及特点141.2.3 变形监测的数学模型151.2.4 变形监测的作用162 GPS在变形监测测量中的优势及不足分析172.1 GPS在变形监测测量中的优势分析172.1.1 仪器上的优势172.1.2 在数据处理中的优势182.2 GPS在变形监测中的不足分析203 GPS在变形监测中的应用及前景展望203.1 GPS在变形监测中的应用203.1.1 GPS在大坝变形监测中的应用213.1.2 GPS在矿区地面沉降监测中的应用223.1.3 GPS在高层建筑物监测中的应用223.1.4 GPS在桥梁工程变形监测中的应用233.2 GPS变形监测前景展望24结论25致 谢26参考文献27GPS在变形监测中的应用及发展前景摘 要随着GPS测量技术的快速发展，工程测量的作业方法发生了历史性的变革。与传统的工程变形监测方法相比，GPS测量技术在全能性、全球性、全天候、连续性、实时性和自动化程度等方面,具有不可比拟的优势，现已成功的应用于工程测量等诸多领域。工程的变形监测与预报是20世纪70年代发展起来的新兴学科，由于工程建设的有关对象所可能引发的灾害，关系到人民生命和财产的安全，所以变形监测不仅对监测建筑物的安全、防止事故发生有重大意义，而且在积累监测资料、检验工程设计是否合理方面也具有重要作用1。本文主要论述GPS技术和变形监测方面的一些基本知识，GPS用于变形监测的优势体现以及发展趋势。关键词：GPS技术；变形监测；应用 APPLICATION AND DEVELOPMENTPROSPECT OF GPS IN DEFORMATIONMONITORING ABSTRACTWith the rapid development of GPS measurement technology，historic changes have taken place in engineering measurement method. Compared with the traditional engineering deformation monitoring methods，GPS measurement technology in totipotent，global，all-weather，continuous，real-time and automation degree， etc， has incomparable advantages，which has already been applied successfully in many fields such as engineering measurement. Deformation monitoring and prediction of engineering is a new discipline developed in the 1970s，due to the construction of the object may lead to disaster, related to peoples life and property safety，so the deformation monitoring is of great significance，not only for monitoring the safety of the buildings, to prevent the accident. but also plays an important role in the accumulation of monitoring data，and testing engineering design that is reasonable. This article mainly discusses some basic knowledge of the GPS technology and the deformation monitoring，the advantages and development trend of the GPS for deformation monitoring.KEY WORDS ：GPS technology；Deformation monitoring；Application28 GPS在变形监测中的应用及发展前景1 GPS技术与变形监测技术1.1 GPS技术1.1.1 GPS简介 GPS，全称Global Positioning System,即全球定位系统。在当时，全球定位系统是一种军民两用的新一代卫星导航定位系统，具有很好的保密性和抗干扰能力，如今，GPS在军事和民用等各个领域里正发挥着越来越大的作用。其用户越来越多，使用方式越来越多样，效用也越来越大，所以全世界的发达国家都在积极发展自己的卫星导航定位系统，以最大限度的谋取经济利益、政治利益和军事利益。GPS是由以下三个部分组成：空间部分（GPS卫星）、地面监控部分和用户部分2。其具体作用与功能分别为：（1）空间部分即是GPS卫星，共24颗，均匀的分布在6个轨道面上，其基本功能是：接收并存储导航电文；自动生成测距码和载波；将测距码和导航电文调制成载波转发给用户；通过对卫星轨道和卫星钟参数进行调整，排除卫星发生的故障，如果问题仍然不能解决，必须开启卫星上的备用设施，来确保整个系统能够正常工作。（2）地面监控部分一般是在地面上建立的硬件设施，用来支撑整个系统的运行，为卫星提供一个稳定运行环境。它包括主控站、监测站、注入站和通信与辅助系统。其中主控站是系统的核心，是行政管理和技术中心。监测站的作用就是把经过处理后的伪距观测值传给主控站，其中伪距观测值是通过GPS和气象传感器的共同测量而获得的。（3）用户部分一般是由用户、GPS接收机、天线单元、接收单元、输入输出设备和电源等仪器装置组成的。GPS卫星接收机可以接收来自待测卫星的信号，对信号进行一系列的技术处理，并通过计算机和一些相应的软件的使用，对获得的基线向量进行解算和网平差，可以求出GPS接收机天线中心的空间三维坐标。，从而达到定位的目的。另外，GPS卫星发射的信号是由载波、测距码和导航电文三部分组成的。其中导航电文是以“帧”为单位向外传播的3。1.1.2 GPS定位原理、方法如图1所示，设置在Q点的是GPS接收机，在某一时刻t，它能同时接收来自卫星（至少三颗卫星）S1、S2、S3所发出的信号（至少三颗卫星），通过对接收信号的处理及数据计算，可以测算出在时刻t GPS接收机天线中心与卫星S1、S2、S3的空间距离L1、L2、L3。然后可以根据卫星星历可以推算出三颗卫星的三维坐标（Xi，Yi，Zi）,i=1,2,3，从而根据距离的反算，计算出接收机天线中心点Q的三维坐标（X，Y，Z）。运用距离交会的方法来解算出接收机天线中心的坐标，这就是GPS的定位原理4，其具体计算过程如下：L1=（X-X1）+（Y-Y1）+（Z-Z1）L2=（X-X2）+（Y-Y2）+（Z-Z2）L3=（X-X3）+（Y-Y3）+（Z-Z3）图1 GPS定位原理图 在静态定位中，通常所采用的方法有：取整法、置信区间法、模糊函数法、整数解和实数解。其中求整数解一般通过解算载波相位观测值先求初始解，然后采用取整法来确定整周模糊度参数，最后求得基线向量的整数解。在快速定位中，最具有代表性的两种方法：一个是走走停停（Go and Stop）法，另一个是快速静态定位法。动态定位的方法可分为两大类：初始化法与实时解算模糊度的方法。单点定位一般采用用测码伪距观测值，来获得观测方程进行解算的。其中动态定位与静态定位的根本区别在于一个时段内待定点位置的变化与循序的定位误差相比是否显著，能否忽略不计；待定点的坐标是否可当做一组不变的未知数5。无论是采用哪种定位方法，整周模糊度的确定都是至关重要的，当然探测和修复整周的跳变，检验和剔除粗差观测值的工作也是不可少的。相对定位又包括动态相对定位和静态相对定位。由于静态相对定位观测时间较长，误差得到了充分的消除，定位精度比较高，所以这种定位方法常用于精密工程测量、布设高精度的控制网、测定地壳的形变和板块的运动等高精度测量。而动态相对定位观测时间短，误差过大，定位精度相对于静态定位较差，不能通过多次长时间的观测来提高定位精度，一般只有那些对精度要求不高的领域才会用到，例如车载导航、导弹的制导、飞机及船舶的控制及管理，又或者是航拍、激光扫描等方面。1.1.3 GPS测量的特点与常规的测量方法相比，GPS测量主要具有以下特点：(1)选点比较灵活，测站间无需通视测站间不需要通视，是GPS测量最具有代表性的特点，解决了常规测量方法难以逾越的技术难题。所以在选点时，只要测站上空空间比较开阔，不影响GPS接收机接收信号的话，可以只考虑工程控制网的实际需要来确定点位，保障了工程测量控制网的图形质量，这样既方便又节省时间。另外，由于GPS测量对通视条件要求不高，选点灵活还无需造标，省去了测站点中间的传递过渡点，也无需多次架站，大大降低了布网所需要的费用。(2)定位的精度很高格式不对较常规测量方法而言，GPS定位测量的精度很高，测量出的数据也很可靠，没有误差积累，可达到微米级（常规测量毫米级mm）。尤其是相对精度，GPS的精度更高，这些都是常规的测量方法难以达到的。在布设GPS控制网中，布设的基线距离越大，相对精度也就越高。然而，随着现代化工程建设的不断发展，各大工程对GPS的数据处理技术也提出了新的要求，对精度的要求也越来越苛刻，所以定位精度还有待进一步提高。(3)全天候作业全天候观测，即在一天的24小时之内的任何时刻都可以进行GPS测量，不受风雪雨雾、雷电等天气状况的影响。均匀分布在空中的GPS卫星，可以实时的进行监测，获得连续的三维坐标。这一特点对于抗洪救灾、地震、滑坡和泥石流等地质灾害的实时连续监测具有重要意义。(4)操作简单，自动化程度高GPS接收机操作方法非常简单，自动化和集成化程度也很高，测绘功能很强大。用GPS接收机进行外业测量时,只需一个人将天线安在测站的三脚架上，进行对中、整平、量取天线高等操作，打开手簿设置参数，设置好之后便可以进行测量了（当然RTK也可以边走边测），测量计算出的坐标数据储存在接收机里，能方便快捷的与计算机进行数据处理和转换，实现了GPS的自动化。由于GPS的数据采集工作是自动进行的，基本不受人为控制，不需要再进行多余的常规测量，减少了人为误差，极大的保证了测量的精度。(5)观测时间短，作业效率高随着GPS测量技术的不断的发展和完善，动态GPS定位在极短的时间内（数秒）就可以达到厘米级甚至毫米级的精度，而采用静态相对测量的方法却需要30min左右。快速静态定位方法的应用，使得测量精度又提升了一个台阶，并且观测所需要的时间更短。比如用GPS接收机进行地籍测量或者地形图测绘，每两三秒就能打一个点，极大地提高了工作效率，节省大量费用，这些都是传统测量方法不能比拟的。所以，在建立工程控制网时，GPS技术的应用是一种趋势，这样既可以缩短观测时间，又可以提高工作效率和经济效益。(6)可获得三维坐标GPS测量可以获得点的三维坐标，但是得到的高程是大地高。而在工程建设、地形测绘及日常生活中，我们需要的是正常高或者是正高，它们有以下数学关系：h正常高=H大地高-n；h正高=H大地高-N其中n是高程异常，N是大地水准面的差距。1.1.4 GPS外业测量工作的实施GPS外业测量工作，即是野外观测点数据的采集。与传统的外业测量不同，GPS外业观测工作一般都是由GPS接收机自己完成的，除了安置仪器和量取仪器高，参数设置等，作业人员不能加以干预6。GPS外业测量的具体实施可分为两大部分：（1）实地踏勘选点:采用GPS技术进行外业测量，对通视要求不大，选点比较灵活，根据工程的需要，尽可能的选在比较容易进行观测采集的地方，以便于提高外业测量的工作效率。由于GPS外业测量使用的是GPS接收机，接收来自卫星的信号，所以在选点过程中，一定要按照以下几种要求来做。首先，点位位置必须是在地质条件良好，不容易发生松动的地方，便于补测和后续测量；然后，要观测一下点位四周视野是否开阔，不能存在高大建筑物或者电视台等大功率无线电信号发射地（损坏接收机天线），而且应该远离那些能够遮挡和干扰信号的地方，免得出现多路径效应；最后，在所选择的点位及其附近做好标记，便于日后的数据采集。（2）外业观测记录：在观测之前，首先要对接收机的各项指标进行检验，一般包括接收机的外观、接收信号的强度、接收天线的稳定性等等。在各项指标都合格之后，然后安置仪器，量取天线高，设置好参数等操作，根据GPS作业调度，进行点位数据采集，接收机会自动测量并记录，观测者在手簿上要标注点位的特征信息，从而完成了数据的采集工作。1.1.5 GPS高程测量采用GPS技术可以同时测出点的三维空间位置，而采用传统的测量技术来确定点的空间位置，是分开进行的，分别是平面位置和高程位置的确定。采用的方法不同，所以观测条件也不相同，在过去，水平位置的测设一般是通过测水平角、测边，然后再计算的方法获得点位的平面坐标的，而点位的高程信息一般是通过水准测量的方法获得的7。采用GPS技术测得的高程是大地高（椭球高），不是实际应用中的正高或正常高，一般不能直接用于各个工程及我们的日常生产中，必须通过高程基准的变换转化成我们成常用的水准高程，才能加以应用。大地高程系统是以参考椭球面为高程基准面来设定的，没有实际的物理意义；而正高与正常高系统分别则是以大地水准面、似大地水准面为参考基准面的8。由于各个高程系统的参考面不同，具体的用途也不尽相同，但是它们之间是有一定的数学关系，即是可以相互转化的。因为通过GPS技术所得到的高程（大地高）精度较高，可达1厘米左右，观测效率又很高，所以GPS水准的出现，正好弥补了这一缺憾，即是采用GPS技术测定点的大地高，通过基于大地水准面的差距或者高程异常值的确定，从而根据它们的数学关系，计算出该点的正高或正常高。具体的数学计算关系在上文已经有所展示，在这里就不多作介绍了。GPS水准包括两方面的内容，一是大地高的测定，二是大地水准面差距或者高程异常的的确定9。大地高一般采用GPS技术和方法来确定，而确定大地水准面差距或高程异常一般采用以下几种技术方法：(1)天文大地法，即利用天文大地点的垂线偏差，结合大地测量成果来确定大地水准面的差距。该方法具有很大的局限性，只有在具有天文坐标的区域才能使用。其精度受多方面因素影响，整体精度可达几米；(2)大地水准面模型法，是以球谐重力位系数为基本数据，这种方法在海洋、陆地中用途广泛。其绝对精度可达1米，目前的技术可达几个厘米；(3)重力测量法，以地面重力观测值为基本数据，计算点附近的区域必须要有良好的重力特性。其精度较高，相对精度更高；(4)几何内插法，该方法很简单，不需要复杂的软件进行计算，适用于一些较平缓的地区。其精度可达1分米；(5)残差模型法，以模型残差值为基本数据，克服了几何内插的一些缺点，用途广泛。由于大地水准面差距或高程异常值的确定过程中，存在诸多因素的影响，GPS水准的精度还不够高。这些因素包括大地水准面的平滑程度、地面重力观测值覆盖的密度和质量、卫星观测数据的精度与可靠性等。为了提高和保证GPS水准的精度，必须通过提高GPS测量大地高的精度才能实现，首先，必须彻底的改正和消除GPS观测值中的电离层延迟误差和多路径效应产生的误差，至于电离层延迟误差的改正和消除可以使用双频GPS接收机，多路径效应的消除可以使用带有抑径板或抑径圈的天线，最好是使用相同类型的天线；其次，对点的观测要选择在不同的时段和大气条件下，利用不同的卫星基座，并且进行较长时间的多次观测，以便于削弱系统误差对大地高程造成的影响；另外在基线解算时，对对流层延迟进行误差估计和精密星历的使用，可以有效的减小卫星的轨道偏差和对流层延迟误差，从而达到提高GPS高程测量的精度。GPS高程的测量精度提高了，GPS水准的精度自然也就提高了。1.1.6 GPS网的建立及质量控制 近年来，随着GPS测量技术的发展和完善，GPS的应用越来越广泛，同时建立不同类型和不同精度的控制网和变形监测网也属于这个范畴。在确定点的坐标时，不一定要布网，可以直接用GPS进行测量，但是往往这样的观测结果不尽人意，有些误差或者粗差不能得到有效的处理，缺乏可靠性。而GPS网的建立，就有效的解决了这个问题。因为它可以利用网中点与点之间、基线向量与基线向量之间、点与基线向量之间的相关性，用来消除观测值和起算数据中所存在的误差。从而，GPS网更具可靠性，更加的能令人信服。采用GPS定位技术建立的测量控制网统称为GPS网，它是由GPS点和基线向量组成的。因为具有很高的精度及可靠性，既可以用于控制测量，又可以用于变形监测。一般情况下，在进行GPS网测量时，在每一个点上都要进行一次或者多次观测，网的等级和质量不同，观测次数也不尽相同，以此来确保几何图形的图形质量及观测成果的精度和可靠性。在进行GPS网的外业观测过程中，一般采用多台GPS接收机同时进行观测，已达到同步观测的目的，这样可以确保GPS接收机在同一时间所处的状态相同，消除了测站之间由于卫星星历、卫星钟、电离层延迟等因素所造成的网内系统误差，也保证了图形的质量和相对定位的精度可靠性。根据GPS网观测作业的方式，可以把GPS的布网形式分为以下几种：跟踪站式、会战式、多基准站式、单基准站式和同步图形扩展式。对于不用的工程及其所需要的精度要求，布网形式一般也不同。布设精度很高的A级网时，一般采用跟踪站式的布网形式，因为采用跟踪站式的布网形式，必须在网中每个点上都要安置一台GPS接收机，对测站点进行常年不间断全天候的连续观测，观测时间长，具有很高的精度及可靠性，当然观测所需要的费用以及成本也很高，一般不用来布设等级较低的控制网。会战式布网形式，即是在短期内，运用多台GPS接收机同时作业，对网内的同一批点进行多天、长时间的同步观测，精度也很高，也很可靠。一般情况下，GPS接收机的数量远远没有网内点的数量多，可以采用全部的接收机对网内的一部分点进行同步观测，这一批点观测完之后，再对网内的其他点，依次进行下去，直至网内所有的点都观测完毕。由于这种布网形式观测费用也较高，常用于B级网的布设。采用多基准站式的布网形式来布设GPS网时，在一段时间内，用若干台GPS接收机固定在至少四个点上，进行长时间的观测，作为基准站，在其周围再用剩下接收机在这几点周围进行小范围的网观测，周围的流动站与基准站存在一定的相关性，图形质量得以保证。由于基准站长时间的观测，精度和可靠性都很高，基线向量的质量也很高。这种布网形式的观测费用不是太高，可用于C、D、E级网的建立。同步图形扩展时的布网方式的测量也称为网模式测量，是用多台接收机在不同的测站上进行同步观测并形成同步图形，观测结束后移到其他测站上继续进行同步观测，直至测完为止。GPS网全部由同步观测图形组成，各个图形之间都有公共点相连，图形强度很高。由于作业方法非常简单，图形扩展速度快，同步图形扩展式的布网方式成为了布设B、C、D、E级网的最常用的布网形式。顾名思义，单基准站式的布网形式是以一台接收机作为基准站而进行的连续观测，其他接收机作为流动站进行观测。，观测的基线围绕基准站呈现发散状，故又称为星形网形式。这种布网方式观测的效率很高，但是图形强度很弱，与其他观测点的相关性不是很大，所以说精度和可靠性都很低，一般不用于控制网的布设。GPS网根据基本图形的形式，可分为三角形网、多边形网、附合导线网、星形网，顾名思义，其基本图形分别是由三角形、多边形、附合导线、支导线，而这些基本图形又都是由独立的基线向量构成的。其中的三角形网几何强度好，抗粗差能力强，具有很高的精度与可靠性，但是观测工作极其复杂，工作量大，需要的费用也多，一般情况下我们不采用这种网形。GPS网的质量指的是网的精度和网的可靠性，其精度是一些误差精度指标共同作用的结果，其可靠性反应了GPS网发现和抵御观测值与起算数据中含有的粗差的能力。GPS网的成果质量与GPS基线向量的质量、常规地面观测值得质量、起算数据的质量、GPS网的结构以及数据处理方法的完备性等因素都存在很大的相关性，也就是说这些因素的质量决定了GPS网的质量。其中基线向量的质量对GPS网质量影响较大，在测量过程中，必须采取措施加以控制，数据处理时，也要采取适当的措施加以改正和修复；距离、角度、方向、高差等常规地面观测值对GPS网质量也有影响，这些观测值的质量取决于它们观测方法是否合理，实施是否正确；起算数据的质量取决于起算数据的精度、数量及其分布状况，也就是说原有的观测资料的精度和可靠性也能影响GPS网的质量；GPS网的结构越复杂，内在相关性越大，GPS网的质量也就越高；由于数据处理方法和处理模型、处理软件和解算方案的的不同，所获得的结果也不相同，必须采取统一的方案对数据进行处理，才能确保GPS数据处理的成果质量。所以，对于GPS网的中间产品及最终成果进行质量检验和改善是非常有必要的，对成果加以评定，把不符合质量标准的中间产品及成果要加以舍弃，以此来提高和控制GPS网的质量。提高GPS网质量主要是通过提高GPS网的精度和可靠性的方法来实现的，提高GPS网质量的方法主要有以下几种：（1）同步观测网中距离较近的点并获得他们之间的基线向量，因为相邻点的相对精度较高；（2）建立框架网，作为GPS网的骨架结构，增大各个点与点、点与基线、基线与基线的相关性；（3）布网时，网中不得超过六条最简异步环，保证每个测站连接的独立基线不少于三条；（4）引入高精度的激光测距仪，测出基线向量的距离并作为起算边长；（5）网中的水准点应尽可能的多，且均匀分布在网的周围；还可以通过增加精度较高的独立基线来提高GPS网的精度；（6）适当的增加观测期数和重复观测次数，以便于增加独立基线数，及时的发现人为因素造成的影响。通过这些方法的运用，GPS网的精度与可靠性得到了保证，从而也提高了GPS网的质量。1.1.7 GPS测量的数据处理GPS测量的数据处理过程可划分为基线解算和网平差两个阶段，都是采用随机软件来完成10。其中基线解算即是对GPS原始数据进行处理获得同步观测网的基线解；网平差是对各同步网进行整体平差和分析, 获得GPS网的整体解。经过基线解算、网平差、精度分析和成果质量检核之后，便可得到需要的成果。基线的解算, 应采用IGS精密星历，重点都在于对同步网的基线处理解算。而对于GPS网平差计算方法和精度评定及控制方面，基本没有很好的处理模型，尤其是在多个子网的系统误差分析、粗差分析及随机误差处理方面更为显著11。目前。国内著名的GPS平差软件有: 原武汉测绘科技大学研制的GPSAD J系列平差处理软件及同济大学的TGPPS静态定位后处理软件，而国际上著名的平差软件有瑞士Bernese大学的Bernese软件, 美国的GAMIT/GLOBK 软件, 德国GFZ的EPOS.V3,美国JPL的GIPSY软件等，这些软件主要是对经过GPS平差软件处理后的结果进行三维和二维平差。使用这些数据处理软件进行GPS网平差和分析, 可以按以下几个步骤进行:（1）提取基线向量；（2）构建GPS基线向量网；（3）三维无约束平差 ；（4）约束平差/联合平差；（5）质量分析与控制；（6）输出最终结果。格式？以中海达GPS接收机静态测量为例，运用南方测绘GPS数据处理软件处理GPS 静态接收机采集的数据。首先，必须要将第一手的观测数据文件转化为通用格式（Renix）的数据文件，然后用南方GPS数据处理软件处理所得到的转化后的数据文件，其实GPS处理软件主要是对数据进行基线解算、无约束平差、约束平差、精度分析和输出成果等工作。其具体处理步骤如下图：GPS数据处理具体步骤编号呢？对数据进行无约束平差和约束平差，主要是对外业观测数据的质量做一个检核，及时的发现不合格的成果，可以采用相应的措施加以补救，免得费工费时，造成不必要的损失12。1.1.8 GPS定位中的误差来源与削弱或消除措施在GPS定位中，会出现各种误差，总的而言，可分为偶然（随机）误差和系统误差（偏差）。其中，一般情况下，系统误差对定位造成的影响比较大，而且误差又会呈现一定的规律性。单论误差源所造成的误差来说，误差可分为三类：发射信号的卫星产生的误差、信号传播过程中造成的误差、接收信号的接收机造成的误差。有关卫星的误差包括卫星星历误差、卫星钟的钟误差、相对论效应产生的误差，其中相对论效应指的是卫星钟与接收机钟状态不同步引起的相对钟误差；由于卫星信号的传播需要经过电离层（有带电粒子）、平流层、对流层（大气）等，影响信号的传播速度与传播路径，会产生相应的延迟误差或多路径效应；而接收机的误差指的是接收机的钟误差、位置误差、测量噪声误差13。由于系统误差对卫星与观测点的距离测量造成的影响太大，与实际测量相差过大，对定位精度有极大的危害，必须加以消除和大幅度的削弱。建立误差改正模型、求差、选择较好的观测条件和硬件设施等方法的使用，都能够有效的消除和削弱这些误差造成的定位影响14。通过对误差的特性、机制研究分析而建立的理论公式，又或者是根据成批的观测数据整合而成的经验模型，又或者是采用两种方法融合而成的综合改正模型。通过对观测值的数据处理和平差，利用其相关性，进行求差，有的还要进行求二次差，这种方法比较精确，所以它可以大幅度的削弱和消除误差的影响。而信号传播过程中产生的多路径效应，采用求差的方法却不能消除误差影响，也难以建立适当的改正模型，只有通过观测条件的改善和质量更好硬件设施的应用，才能尽量减小误差造成的定位影响，例如选择较好的接收机和天线，选择较好的观测时段，远离干扰源和反射物等。1.1.9 GPS的应用GPS由于精度高的特点。不仅可以提供精确的位置信息（定位），还可以精确的提供时间和速度等信息，满足了不同用户的需求。与计算机、互联网技术一样，GPS技术也在很多领域都得到了广泛的应用，尤其是在测量、军事、交通运输、大气研究等领域。正在深刻的影响着人类的日常生活、生产活动和科学研究。下面简单介绍一下在各个领域中的应用：（1）在军事：原来研制组建GPS的最初目的就是用于军事上，它可以为导弹提供精密制导，精确的命中目标并摧毁重要的军事目标，尤其是在现代化战争中。例如在1991年的海湾战争及2003年的伊拉克战争中，美英各国使用的精确制导武器占了武器总数的70%，这是一个多么夸张的比例啊！（2）在测量领域：在大地测量与地球动力学中，GPS用来建立和维持国际地球参考框架、测定地球自转参数，建立和维持区域性的动态参考框架、大地定位。在工程测量中，GPS可以布设各种类型的控制点和控制网、变形监测和一般的工程测量(对精度要求不高)，相对于常规的测量方法具有不可比的优势，并且也能保证工程所需要的精度要求。GPS在航测和遥感中，用来进行空中三角测量和遥感卫星定轨。此外，GPS还可用在地籍和地形的测量中，用来确定土地的权属和位置信息、地形的起伏等变化。其中，GPS在变形监测中的应用，下文将给于详细介绍。（3）在交通运输业：GPS可以为飞机、船舶、车辆等提供导航和管理服务，可以在大雾、大风等不利的天气条件下完成导航，更加实用和方便。（4）在气象学：GPS用于收集气象资料，测定电离层延迟并建立电离层延迟模型，大幅度的提高时间分辨率和空间分辨率，是传统的气象仪器不可比拟的。（5）另外，GPS还用于精细农业林业的病虫害防治、资源勘探、环境质量监测、移动位置服务等领域中，例如在森林火灾的位置和范围、石油与煤矿的勘测、沙尘暴监测等方面，这些都是采用常规测量方法难以做到的。移动定位服务是GPS技术与移动通信技术相结合提供的，于是GPS导航仪就应运而生了，甚至是手表式的GPS导航仪，用户越来越多，市场潜力十分巨大。1.2 变形监测技术1.2.1 变形监测的含义及分类怎么有空白？变形监测又可以称为变形观测或者变形测量，它是对监测对象或物体（简称变形体）的空间位置进行测量以确定其形态随时间而发生的变化特征，是对变形体自身形变和刚体位移的几何量的监测15。它包括工程的变形监测、区域性的变形监测、全球性的变形监测。对于工程的变形监测来说：“监测是基础，分析是手段，预报是目的”。变形体一般指的是与工程建设有关的工程建筑物、机器设备以及其他的自然或人工对象，例如铁路（高铁）、大坝、隧道、高层建筑物、地下工程、桥梁、大型科学实验室等都可成为工程变形体。区域性的变形监测是针对区域性的地壳形变和地面沉降而进行的监测。全球性的变形监测是指对地球自转速率变化、地壳形变、潮汐、极移、全球板块运动等地球自身的动态变化而进行的监测。变形监测分为动态监测与静态监测。动态变形必须通过持续的监测测量才能得到，因为这种变形一般都是变形体在外力的作用下发生的变形，变形较快；而静态变形必须通过进行周期性的测量才能发现，因为其形变过程较为缓慢，不容易被人看出来。变形监测测量可以为变形分析和变形预报提供第一手基础数据。1.2.2 变形监测的内容及特点总的来说，变形监测的主要内容包括现场巡视、渗流监测、位移监测、应力应变监测、环境量监测等几个方面。现场巡视在变形监测中也是一项重要内容，在工程现场施工和运营期间，也是必须要做的，不能缺少的过程。巡查的次数应该根据工程的施工进度等现场具体情况来决定。其中，位移监测主要有水平位移监测、沉降观测、裂缝观测、挠度观测等；渗流观测主要是对地下水位和压力的监测。具体来说的话，位移监测就是对变形体的沉降（垂直位移）、水平位移、扰度、裂缝、倾斜、弯曲、偏距、扭转、震动等进行的测量，主要是发现变形体几何量的变化。除了上面所说的之外，还包括与变形有关的物理量的监测，例如滑坡、高边坡、应力、应变、温度、风向、气压、渗压等的观测。与常规的测量工作相比，变形监测主要具有周期性重复观测、精度要求高、观测技术多等特点。对于不同的任务，变形监测所要求的精度不同。一般情况下，在对工程进行变形监测时，必须精确测定变形体的空间位置，从而根据这些数据对比来判断变形体是否发生变形；有的变形很微小，肉眼看不出来，所以它对精度的要求较高。例如，大坝的水平位移监测精度要控制在1mm之内。但是，周期性重复观测却是变形监测的最大特点，所谓的周期性重复观测就是周期性的对观测点进行多次观测，观测的时间间隔是固定的，在观测过程中，观测方案，观测条件、测量人员和作业方法都要一致，不能随意进行更改。在一定的时间内完成一个周期的测量工作，此时间间隔称为观测周期。第一次观测周期称为初始周期或零周期。随着科技的进步和发展，变形监测技术也在随着发生变化，并得到了不断地丰富和提高，尤其是新技术的应用，例如GPS、测量机器人、光纤传感技术、CT技术、激光技术等，这些技术的应用，极大地提高了变形监测工作的效率和自动化，减轻了测量工作的劳动强度，最重要的是实现了高精度、测量数据的连续性和完整性。1.2.3 变形监测的数学模型为了准确而合理的处理变形监测资料和成果，确定变形发生的原因及其规律，对建筑物的安全性做出判断并预报，这些都需要经过对变形监测数据做进一步的数据处理分析、建立相应的数学模型才能解决，而不是单单的对变形监测资料做一个初步的处理，只有这样，才能找出变形在空间的分布情况及其在时间上的发展规律性，才能掌握形变大小与各种内外因素的关系，并确定建筑物的变形是否异常和变形的发展趋势，以便于采取及时而适当的措施加以防范，防止因变形量过大而发生事故和灾害。目前，我们常用的数学模型可分为：统计分析模型、确定性模型、灰色系统分析模型、时间序列分析模型、神经网络分析模型等。其中统计分析模型是根据建筑物变形量与各种内外部因素的关系而总结出来的一种数学模型，它呈现一定的规律性。这种数据处理方法称为回归分析法，在变形监测资料的分析中占有重要地位16。统计分析模型可分为一元线性统计模型、多元线性统计模型、逐步回归统计模型几种；而确定性模型则是根据变形体的结构分析、荷载组合情况，应力与变形之间的关系而建立的，这种模型能够进一步的表达出变形体或建筑物内部结构的形变趋势。统计分析模型与确定性模型结合而成的混合模型，集两种模型的优点，应用更加的广泛； 灰色系统分析模型是根据因子间的影响程度或因子对主行为的贡献度而建立的，提供了一种在信息不完全的情况下解决随机问题的数据处理方法。在灰色关联分析中，关联度一般会随着数据处理方法的不同而发生变化，但关联序则不会随之发生改变，所以对于关联序的分析会更加稳定和实用；而时间序列分析模型是利用观测数据之间的内在相关性建立的数学模型，它是一种动态的数据处理方法，用来描述客观现象的动态特征。在实际运用中，变形体变形量大小与作用因子之间不一定是线性关系，选择用逐步回归统计模型来处理变形观测的资料，是再适合不过了。但是，回归因子的选择不好确定，必须留下那些作用显著的因子，作用微弱的因子剔除出去。只有初步找出变形体与作用因素之间的函数关系，才能够建立回归方程和回归模型17。所以说初选因子的确定，就显得尤为重要。通常情况下，初选因子可以根据对变形监测资料中图表的分析来确定，有些还要凭借经验和假设来判断，也可通过对变形的相关因素与结构应力的初步分析加以确定。1.2.4 变形监测的作用变形监测的作用主要体现在以下两个方面：（1）分析和评价变形体的安全状态，验证设计参数的正确性，修改不合理的设计数据，如改善建筑的物理参数、地基强度参数，还能反馈设计的施工质量，尤其在工程的施工和运营阶段，都必须进行变形监测。如果监测测量出的变形大小在允许范围内，属于正常现象，如若超过了一定的限度，就对工程的安全造成隐患，不能正常使用。及时的监测工程建筑物、机器设备或者与工程建设有关的地质构造变形，计算其变形大小，并对之安全性、稳定性做出正确的判断，便于采取适当的措施来处理和解决，提前发现，从而保障了工程的安全，防止了事故的发生。特别是对于大型水力发电厂、核力发电厂、高速铁路、大型水利枢纽工程、火箭发射场、粒子加速器等大型精密特种工程的安全具有重要意义。（2）大量的积累监测分析资料，研究正常的变形规律及特征，预报变形的大小，这样便能更好的解释变形的原因，确定变形的趋势，为研究变形监测和预报的理论和方法提供了理论依据，奠定了基础，提高了变形体的抗灾能力。例如，