BDS_GPS技术支持下的超高层建筑施工投点监测分析.pdf

引文格式 王勇ꎬ林财荣ꎬ郭际明ꎬ等.ＢＤＳ＋ＧＰＳ 技术支持下的超高层建筑施工投点监测分析[Ｊ].测绘通报ꎬ２０１７６５￣８.ＤＯＩ１０.１３４７４/ ｊ.ｃｎｋｉ. １１￣２２４６.２０１７.０１７８. ＢＤＳ＋ＧＰＳ 技术支持下的超高层建筑施工投点监测分析 王 勇１ꎬ２ꎬ林财荣３ꎬ郭际明１ꎬ２ꎬ尹超凡３ꎬ章 迪１ꎬ２ １. 武汉大学测绘学院ꎬ湖北 武汉 ４３００７９ꎻ ２. 精密工程测量实验室ꎬ湖北 武汉 ４３００７９ꎻ ３. 中建三局第二建设工程有限责任公司ꎬ湖北 武汉 ４３００７９ 摘要超高层建筑施工中常采用激光投点仪向上传递地面控制点作为测量基准ꎮ 为了避免投点误差过大ꎬ本文采用 ＢＤＳ＋ＧＰＳ 技 术进行组网监测其投点精度ꎬ给出了超高层建筑 ＢＤＳ＋ＧＰＳ 监测相应的数据处理策略ꎬ对比分析了 ＢＤＳ、ＧＰＳ 及组合 ＢＤＳ＋ＧＰＳ ３ 系 统之间ꎬ以及与激光投点前地面点坐标之间的差异ꎮ 结果表明ꎬＧＰＳ 和 ＢＤＳ＋ＧＰＳ 组合系统定位精度相当ꎬＢＤＳ 定位性能稍差ꎬ但 满足超高层监测精度要求ꎬ利用北斗技术进行超高层建筑基准传递工作具有一定可行性ꎮ 关键词超高层建筑ꎻＢＤＳꎻＧＰＳꎻ监测 中图分类号Ｐ２２８ 文献标识码Ａ 文章编号０４９４￣０９１１２０１７０６￣０００５￣０４ Ｐｏｉｎｔ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｕｐｅｒ Ｈｉｇｈ Ｒｉｓｅ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＢＤＳ＋ＧＰＳ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇ１ꎬ２ꎬＬＩＮ Ｃａｉｒｏｎｇ３ꎬＧＵＯ Ｊｉｍｉｎｇ１ꎬ２ꎬＹＩＮ Ｃｈａｏｆａｎ３ꎬＺＨＡＮＧ Ｄｉ１ꎬ２ １. Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｇｅｏｄｅｓｙ ａｎｄ Ｇｅｏｍａｔｉｃｓꎬ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｗｕｈａｎ ４３００７９ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ ２. Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ｏｆ ＳＢＳＭꎬ Ｗｕｈａｎ ４３００７９ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ ３. Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ. Ｌｔｄ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｈｉｒｄ Ｂｕｒｅａｕꎬ Ｗｕｈａｎ ４３００７９ꎬ Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｓｕｐｅｒ ｈｉｇｈ￣ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓꎬ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｕｐｗａｒｄ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｄａｔｕｍ ｂｙ ｌａｓｅｒ ｓｈｏｔｓ. Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ｅｒｒｏｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓꎬ ｔｈｅ ＢＤＳ＋ＧＰＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔｓ’ ａｃｃｕｒａｃｙ. Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ｈｉｇｈ￣ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ＢＤＳ＋ＧＰＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ＢＤＳꎬ ＧＰＳꎬ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ＢＤＳ＋ＧＰＳ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｐｏｉｎｔ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓꎬ ｗｈｉｃｈ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ＧＰＳ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ＢＤＳ＋ＧＰＳ ｈａｖｅ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ ａｃｃｕｒａｃｙꎬ ａｎｄ ＢＤＳ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｗｏｒｓｅ. Ｔｈｅ ＢＤＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ ｈｉｇｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓꎬ ａｎｄ ｓｕｐｅｒ ｈｉｇｈ￣ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｄａｔｕｍ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｏｒｋ ｈａｓ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ＢＤＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｕｐｅｒ ｈｉｇｈ￣ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇꎻ ＢＤＳꎻ ＧＰＳꎻ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ 收稿日期 ２０１６￣１１￣０３ꎻ 修回日期 ２０１７￣０１￣１２ 基金项目 国家自然科学基金４１４７４００４ꎻ中建三局集团有限公司武汉绿地中心科研项目ＷＨ￣ＬＤＺＸ￣ＺＹ￣０７８ 作者简介 王 勇１９９２ꎬ男ꎬ硕士生ꎬ主要从事高精度 ＧＮＳＳ 数据处理ꎮ Ｅ￣ｍａｉｌ１３００６３７３８９１＠ １６３.ｃｏｍ 随着经济的快速发展ꎬ城市中修建的超高层建 筑越来越多ꎮ 超高层建筑施工过程中ꎬ需要将地面 控制点逐层向上传递ꎬ目前主要是利用激光投点仪 将控制点垂直投射到施工所在的顶部楼层ꎮ 但激光 投点仪的投射距离有限ꎬ对于超过 ２００ ｍ 甚至更高 的建筑ꎬ需要分段向上传递投点ꎬ这会造成投点误差 累积ꎬ且施工现场环境复杂ꎬ投点过程中需要清除大 量障碍物ꎬ严重影响作业效率ꎬ对于夜间工作也存在 着安全隐患ꎮ 相对于利用激光投点仪进行坐标传递ꎬ全球导 航卫星系统ＧＮＳＳ具有操作简单、精度高、工作效 率高、工作时间不受限制等优点[１￣２]ꎮ 北斗导航定 位系统ＢＤＳ是我国独立研制的卫星导航定位系 统ꎬ目前已成功发射 ２３ 颗卫星ꎬ在亚太地区已经具 备定位、导航及授时功能ＰＮＴ [３￣７]ꎬ但在工程领域ꎬ 尤其是超高层建筑监测领域应用还相对较少ꎮ 本文以武汉绿地中心超高层建筑项目为依托ꎬ 采用 ＢＤＳ＋ＧＰＳ 技术对激光投点位置进行观测和分 析ꎬ研究了超高层建筑 ＢＤＳ＋ＧＰＳ 相应的数据处理 方法ꎮ 试验结果表明ꎬＢＤＳ、ＧＰＳ、ＢＤＳ＋ＧＰＳ ３ 种解 算方式的定位结果经垂线偏差改正之后ꎬ均可以满 足施工需要ꎬ一方面较好地对激光投点精度进行了 监测ꎬ另一方面也验证了我国的 ＢＤＳ 系统在超高层 建筑施工监测和测量基准传递方面的可行性ꎮ ５２０１７ 年 第 ６ 期 王 勇ꎬ等ＢＤＳ＋ＧＰＳ 技术支持下的超高层建筑施工投点监测分析 １ 数据处理策略 １.１ 事后 ＲＴＫ 模式处理 超高层建筑由于风和日照等作用可能存在摆 动ꎬ而事后静态处理的前提是所观测的建筑物在观 测时段内处于稳定状态[８]ꎮ 本文通过单历元 ＲＴＫ 模式进行解算ꎬ可以得到监测点的坐标时间序列ꎬ能 够较好地评估楼层的稳定性ꎮ 以地面稳定控制点作 为基站ꎬ在监测网内选择合适的监测点ꎬ利用武汉大 学自主研制的 ＧＮＳＳ ＲＴＫ 动态数据处理软件进行动 态解算ꎬ动态数据解算应注意以下两点 １ 由于超高层建筑监测网内基线一般为短基 线ꎬ故采用双频 Ｌ１、Ｌ２ 无组合观测值进行解算ꎬ通 过站星双差模式ꎬ可以消除钟差及绝大部分电离层 误差ꎬ考虑到楼层较高ꎬ对流层误差难以完全通过双 差消除ꎬ本文对残余对流层误差采用参数估计进一 步削弱其影响[９￣１０]ꎮ ２ 超高层楼顶观测环境复杂ꎬ楼顶施工设备 遮挡比较严重ꎬ解算时截止高度角设置为 １０ꎬ考虑 到超高层实际摆动情况ꎬ在 ＲＴＫ 解算过程中ꎬ采用 单历元独立解算模式ꎮ １.２ 事后静态处理 静态数据处理主要包括基线解算和网平差两部 分ꎬ超高层楼顶监测点平面坐标的解算精度主要取 决于基线解算的精度ꎮ 基线解算采用武汉大学自主 研制的软件 ＣｏｓａＢａｓｅｌｉｎｅ 及由美国麻省理工学院与 斯克里普斯海洋研究所联合开发的高精度科研软件 ＧＡＭＩＴꎮ １ ＣｏｓａＢａｓｅｌｉｎｅ 是单条基线独立解算ꎬ可以进 行 ＢＤＳ、ＧＰＳ、ＢＤＳ＋ＧＰＳ ３ 种方式的解算ꎬ数据处理 中ꎬ卫星截止高度角设置为 １５ꎬ观测值采用 Ｌ１、Ｌ２ 无组合观测值ꎮ ２ ＧＡＭＩＴ 是科研领域采用的高精度基线解 算软件ꎬ采用整体网解的方式ꎬ且对观测数据中的粗 差和周跳作了较好的预处理ꎬ具有较高的解算精度 和可靠性ꎬ解算模式选择适用于短基线的 Ｌ１ꎬＬ２＿ ＩＮＤＥＰＥＮＤＥＮＴ双频观测中独立的 Ｌ１、Ｌ２ 基线 解 [１１￣１３]ꎬ目前 ＧＡＭＩＴ 还无法解算北斗数据ꎬ利用 其对 ＧＰＳ 数据进行处理得到 ＧＰＳ 基线解ꎬ作为参考 依据ꎮ 网平差采用武汉大学自主研制的高精度数据处 理软件 ＣｏｓａＧＰＳꎮ 首先进行三维无约束平差ꎬ得到 各点的空间直角坐标ꎻ然后进行固定一点一方向二 维平差ꎬ得到各点在施工坐标系中的平面坐标ꎮ １.３ 垂线偏差改正 地面一点上的重力向量和相应椭球面上的法线 向量之间的夹角定义为该点的垂线偏差ꎮ 超高层建 筑施工是以垂线为依据ꎬ楼顶监测点是由激光投点 仪在地面沿重力方向垂直投射上去的ꎬ而基于 ＧＮＳＳ 观测值平差得到的监测点的平面坐标是沿法线方向 投影到地面施工坐标系的高程投影面ꎮ 由于超高层 建筑顶部高程较大ꎬ垂线偏差影响不容忽视ꎬ因此需 要对平差后的平面坐标进行垂线偏差改正[１４￣１５]ꎮ ２ 试验分析 ２.１ 数据采集方案 本文数据采集于正在施工的武汉绿地中心大 楼ꎬ分别于 ２０１６ 年 １ 月和 ６ 月采集 ２ 期数据ꎬ同时 期的楼高分别为 ２１０ 和 ３１０ ｍꎬ该超高层建筑建成 后将达到 ６３６ ｍꎬ是世界第三高楼ꎮ 试验仪器采用 天宝 ＮｅｔＲ９ 接收机和大地型天线 Ｚｅｐｈｙｒ Ｇｅｏｄｅｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ２ꎬ同时接收北斗和 ＧＰＳ 数据ꎮ 试验观测网如 图 １ 所示ꎬ其中点 Ｄ００１、Ｄ００５、Ｄ００６ 是位于超高层 建筑周围稳定点上的强制对中观测墩ꎻ点 ＢＤ０８ 是 位于超高层建筑楼顶的监测点ꎬ是激光投点仪投射 点ꎮ 观测网中水平距离最长的基线为 Ｄ００５Ｄ００６ꎬ 长度约为 １１００ ｍꎻ水平距离最短的基线为 ＢＤ０８ Ｄ００１ꎬ长度约为 ３７０ ｍꎮ 图 １ 观测网 ２.２ 动态处理结果分析 两期数据单历元 ＲＴＫ 解算均选取地面控制点 Ｄ００５ 作为基准站ꎬ超高层楼顶监测点 ＢＤ０８ 作为监 测站ꎬ按照 ５ ｓ 的时间间隔对 ＧＰＳ 数据进行解算ꎬ剔 除浮点解并采用高阶多项式对北Ｎ、东Ｅ坐标 时间序列进行拟合ꎬ以拟合曲线作为标准ꎬ计算两期 Ｎ、Ｅ 坐标的中误差ꎬ即 σ ＝ ∑ ｎ ｉ ＝ １ ｘ ｉ － ｙ ｉ [] ｎ － １ １ 式中ꎬσ 为坐标中误差ꎻｎ 为解算历元总数ꎻｘ ｉ 、 ｙ ｉ 分别为各个历元对应的解算坐标和拟合坐标ꎮ ６测 绘 通 报 ２０１７ 年 第 ６ 期 将两期解算与拟合相对应的 Ｎ、Ｅ 坐标求差ꎬ超 过 ３ 倍中误差的视为粗差并剔除ꎮ 图 ２ 为第一期、 第二期监测点 ＢＤ０８ 的 Ｎ、Ｅ 坐标在剔除浮点解和粗 差并减去平均值后的时间序列图ꎬ图中黑色曲线是 采用高阶多项式拟合的坐标变化趋势线ꎮ 图 ２ 监测点 Ｎ、Ｅ 坐标变化时间序列 从图 ２ 可以看出ꎬ两期监测点 ＢＤ０８ 在监测时间 内ꎬＮ、Ｅ 坐标整体上在均值上下约 ２ ｃｍ 范围内随机 波动ꎮ 经统计ꎬ第一期监测点 Ｎ、Ｅ 坐标平均值分别 为－４５８.４１９ ５、－１４.２９７ １ ｍꎬ中误差分别为６.３、５.１ ｍｍꎻ 拟合 Ｎ、Ｅ 坐标平均值分别为－４５８.４１９５、－１４.２９７ １ ｍꎬ 中误差分别为 ０.９、１.５ ｍｍꎬ拟合 Ｎ、Ｅ 坐标最大值与 最小值差值分别为 ４.７、５.２ ｍｍꎮ 第二期监测点 Ｎ、Ｅ 坐标平均值分别为－４５８.４２４ ５、－１４.２９１ ７ ｍꎬ中误差 分别为８.０、７.０ ｍｍꎻ拟合 Ｎ、Ｅ 坐标平均值分别为 －４５８.４２４ ９、－ １４. ２９２ ３ ｍꎬ 中 误 差 分 别 为 ２. ６、 ３.２ ｍｍꎬ拟合 Ｎ、Ｅ 坐标最大值与最小值差值分别为 １０.５、１２.９ ｍｍꎮ 综上所述ꎬ两期监测点 Ｎ、Ｅ 坐标时间序列符合 白噪声规律ꎬ中误差均在毫米级ꎬ拟合趋势线整体上 较为平稳ꎮ 因此可以认为两期观测时间内楼顶监测 点位置没有变化ꎬ即超高层楼顶是稳定的ꎮ ２.３ 静态处理结果分析 ２.３.１ 内符合精度分析 将 两 期 超 高 层 楼 顶 监 测 点 ＢＤ０８ 利 用 ＣｏｓａＢａｓｅｌｉｎｅ 计算的 ＢＤＳ、ＧＰＳ 和组合 ＢＤＳ ＋ ＧＰＳ ３ 种模式的定位结果与 ＧＡＭＩＴ 结果进行比较分析ꎬ 比较结果如图 ３ 所示ꎮ 从坐标差值结果统计图中可 以看出ꎬ两期监测点 Ｎ、Ｅ 坐标与 ＧＡＭＩＴ 结果差值 均小于 ３ ｍｍꎬ其中第一期采用 ＢＤＳ 计算的 Ｎ 坐标 差值最大ꎬ为－２.７ ｍｍꎬ其他坐标差值均小于 ２ ｍｍꎮ 整体来说ꎬＧＰＳ 和组合 ＢＤＳ＋ＧＰＳ 两种模式定位精 度相当ꎬＢＤＳ 模式稳定性稍差于前两者ꎬ３ 种模式解 算结果整体上与 ＧＡＭＩＴ 坐标结果相吻合ꎮ 图 ３ ＣｏｓａＢａｓｅｌｉｎｅ ３ 种模式结果与 ＧＡＭＩＴ 结果差值统计 ２.３.２ 外符合精度分析 将两期超高层楼顶监测点平差后的平面坐标与 对应的地面点已知坐标进行对比分析ꎮ 超高层建筑 所占面积相对较小ꎬ属于局部区域ꎬ认为该区域内各 点垂线偏差相同ꎬ根据 ＥＧＭ２００８ 模型计算得到该区 域的垂线偏差的南北分量为 １. １″ꎬ 东西分量为 －７.０″ꎮ 将采用单 ＢＤＳ 模式计算的监测点 ＢＤ０８ 在 垂线偏差改正前后的坐标与对应的地面点已知坐标 ７２０１７ 年 第 ６ 期 王 勇ꎬ等ＢＤＳ＋ＧＰＳ 技术支持下的超高层建筑施工投点监测分析 进行求差ꎬ差值结果统计如图 ４ 所示ꎮ 可以看出ꎬ两 期未经垂线偏差改正的 Ｎ 坐标与投点之前已知 Ｎ 坐标的差值分别为－０.１、－４.５ ｍｍꎬ经过垂线偏差改 正后差值分别为－１.１、－３.０ ｍｍꎻ两期未经垂线偏差 改正的 Ｅ 坐标与投点之前已知 Ｅ 坐标的差值分别 为－１４.７、－１２.９ ｍｍꎬ均超过了 １ ｃｍꎬ经过垂线偏差 改正后差值分别为－８.０、－３.４ ｍｍꎮ 图 ４ 垂线偏差改正前后北斗系统结果与已知坐标差值 统计 综上所述ꎬ经过垂线偏差改正后的坐标与已知坐 标差值均在毫米级ꎬ满足工程施工需求ꎬ说明利用北 斗技术进行超高层建筑基准传递工作具有可行性ꎮ ３ 结束语 本文通过单历元 ＲＴＫ 解算ꎬ验证了施工中武汉 绿地中心超高层楼顶的稳定性ꎮ 利用 ＢＤＳ、ＧＰＳ、组 合 ＢＤＳ＋ＧＰＳ ３ 种模式计算了超高层楼顶监测点的 坐标ꎬ并与 ＧＡＭＩＴ 结果进行了比较ꎬ结果表明 ＢＤＳ 定位结果稳定性稍差于 ＧＰＳ 和组合 ＢＤＳ＋ＧＰＳ 定位 结果ꎬ但也满足超高层楼顶监测要求ꎮ 此外ꎬ超高层 楼顶监测点平差后的 ＧＮＳＳ 平面坐标是沿法线投影 到地面控制施工控制网坐标系所在的高程投影面ꎬ 由于垂线偏差的影响ꎬ平差后的施工楼层监测点平 面坐标与对应的已知地面点平面坐标之间存在明显 差异ꎬ需要对平差后的坐标进行垂线偏差改正ꎬ改正 后坐标与已知坐标差异满足工程施工要求ꎬ表明采 用北斗技术进行超高层建筑监测和基准传递工作具 有可行性ꎮ 参考文献 [１] ＨＯＦＭＡＮＮ￣ＷＥＬＬＥＮＨＯＦ ＢꎬＬＩＣＨＴＥＮＥＧＧＥＲ Ｈꎬ ＣＯＬＬＩＮＳ Ｊ. 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