摘要：由于GPS定位技術具有測站間無須通視、觀測不受氣候條件限制，可同時測定點的三維坐標，自動化程度高等特點，GPS技術逐漸成為變形監測中的一種重要手段。本文主要介紹了GPS觀測數據的預處理，側后處理以及相關變形監測數據的動態處理方法。
　　關鍵詞：GPS，變形監測，數據處理方法
　　1引言
　　所謂變形監測，就是利用測量與專用儀器和方法對變形體的變形現象進行監視觀測的工作。其任務是首先在變形區域內布設若干變形監測點(或者叫觀測點)，然后定期對其進行觀測，采集監測點的各期變形信息，對觀測數據進行處理，計算出監測點的變形量及其變化速率，進行變形分析，找出規律，并作出預測，對其變形引起的破壞提出防范措施[1]。在GPS監測系統中，數據處理的主要工作是觀測資料的解算，如GPS差分求解、GPS監測網平差等，以提供高精度、高可靠性的相對位置信息。而數據分析的重點則包括變形基準的確定，正確區分變形與誤差，提取變形特征，并解釋其變形成因。本文主要分析了變形監測經典數據處理方法。
　　2GPS觀測數據的預處理
　　GPS觀測數據的預處理的目的是：對數據進行平滑濾波檢驗，剔除粗差；統一數據文件格式并將各類數據文件加工成相互兼容的標準化文件(如GPS衛星軌道方程的標準化，衛星時鐘鐘差標準化，觀測值文件標準化等)，找出整周跳變點并修復觀測值；對觀測值進行各種模型改正。GPS觀測數據的預處理是GPS變形觀測的基礎，沒有切實可行的觀測數據處理技術，再好的布網形式、再好的平差處理方案與變形分析模型，也發揮不了有效作用，也就失去了變形監測的意義[2]。
　　此對于GPS變形監測而言，選取什么樣的觀測量十分重要。載波相位差分處理是獲取高精度GPS定位結果的關鍵技術之一，通過差分處理可以削弱部分相關誤差的影響。但GPS定位中整周模糊度的求解、周跳的探測與剔除、減小殘余系統誤差的影響仍然是GPS數據處理中的關鍵，也是影響GPS定位精度與速度的關鍵問題。
　　整周模糊度的正確求解是獲得高精度GPS定位結果的關鍵。對于靜態定位通過延長觀測時間使衛星的幾何圖形發生足夠大的變化，求解整周模糊度。整周模糊度一旦確定，相位觀測值就等價于毫米級的偽距觀測，可以獲得測站每歷元厘米級精度的坐標。對最小二乘解的實數模糊度直接取整是最簡單的途徑，但當實數解的精度較低時，取整不一定可靠。周跳的探測與修復是載波相位定位中的另一重要課題。周跳是載波相位觀測值中特有的問題，也是提高定位精度的一個限制因素。研究表明，未被檢測出的周跳主要被整周模糊度及接收機位置參數的改J下數所吸收，從而導致參數估計的有偏。因此周跳的探測與修復是GPS數據處理中重要問題之一，也是GPS數據處理中不可或缺的一部分，其能力如何是判斷一個GPS數據處理軟件好壞的標準之一。長期以來GPS學者提出了一些周跳的探測與修復的算法并且也發揮了重要作用。
　　3GPS觀測數據的測后處理
　　GPS觀測數據的測后處理，一般均借助相應的后處理軟件自動地完成，其內容主要包括基線預處理及GPS網的平差。
　　(1)基線處理。基線處理是對已標準化的數據文件進行處理，解算出基線。
　　(2)GPS網平差。GPS網由基線組成，數據處理的成果是基線向量及相應的方差協方差。其網的平差包括基線向量的無約束平差、約束平差和與地面網的聯合平差三部分。1)GPS基線向量網無約束平差。GPS地面網一般由若干三角形或多邊形組成，其中存在一定量的多余基線，環路中存在閉合差。GPS網無約束平差的目的在于處理閉合不符值，檢查網本身的內部符合精度以及基線向量之間有無明顯系統誤差和粗差。2)GPS基線向量網的約束平差。該平差又稱為非自由網平差。平差時以國家大地坐標系或地方坐標系的某些點的坐標、邊長和方位角為約束條件，顧及GPS網與地面網之間的轉換參數進行平差計算。3)GPS網與地面網聯合平差。該平差方法是在GPS網中，除了GPS基線向量觀測值和約束數據以外，還有地面常規測量值如邊長、方向和高差等，將這些數據與GPS數據一起進行平差。
　　非自由網平差和聯合平差一般在國家或地方坐標系中進行，平差完成后網點的坐標已屬于國家坐標系或地方坐標系。而無約束平差是在WGS-84基準下進行的。平差可以以三維模式進行，也可以二維模式進行，當進行二維平差時，應首先將三維GPS向量坐標及協方差陣轉換至二維平差計算面。
　　GPS高精度變形監測網的基線解算和平差計算，目前一般是采用瑞士BERNESE大學研制開發的BERNESE軟件或美國麻省理工學院研制開發的GAMIT／GLOBK軟件口4J和IGS精密星歷。BERNESE和GAMIT／GLOBK軟件均為科研用途的高精度GPS數據處理軟件，其數據處理分為兩個主要方面：一是對GPS原始數據進行處理后獲得同步觀測網的基線解；二是對各同步觀測網的解進行整體平差和分析，獲得GPS網的整體解。數據處理的重點都在于對同步網的基線處理，而在網的平差分析方面，特別是多個子網的系統誤差分析、粗差分析及隨機誤差處理方面，目前還沒有很理想的方法。國內目前較有影響的GPS平差軟件有：原武漢測繪科技大學研制的GPSADJ系列平差處理軟件和同濟大學的TGPPS靜態定位后處理軟件。這兩種軟件主要用于完成經過商用GPS基線處理軟件處理以后的三維和二維GPS網的平差。
　　4GPS變形監測數據的動態處理
　　在變形監測中，由于GPS、測地機器人等新技術不斷應用，資料積累越來越多，數據量越來越大，如何及時有效地從大量的變形監測信息中提取關鍵性的數據，對變形進行分析與解釋，尤其是對建筑物的變形進行預測，使人們能及時地針對變形建筑物變形狀態進行有效處理，對滑坡等災害及時做好有關方面的防范和預防，從而極大地減少因建筑物變形或滑坡等地質災害造成的損失就變得至關重要。
　　(1)估計與平差的關系
　　估計也稱為平差，是從受到噪聲干擾的量測值中，對無法量測的狀態和參數做出最優的估計，估計一般是由觀測值和狀態向量之間的物理關系做出的，這種物理關系一般是通過建立它們之間的數學模型表示，同時，觀測值和狀態向量都是隨機變量，因此它們還具有隨機模型。數學模型和隨機模型是進行估計的基礎，若在估計中選擇不同的準則求模型中參數的估值，就產生了不同的估計方法。傳統的測量平差方法是以最小二乘原理和極大似然估計原理為原理的，而現代出現的濾波和配置平差法是以最小方差和極大驗后原理為基礎的。
　　(2)卡爾曼濾波
　　在許多問題中，被估計的狀態，一方面是隨機向量，另一方面還隨時間不斷變化，這就是動態的概念，一個動態系統的變化必須遵循該系統自身的客觀規律，而且不同時刻的狀態量測也是相互聯系的，根據經典物理學可知，當未受外部干擾時，一個系統未來的狀態可以根據當前狀態從已知的運動方程中確定出來。但是，事實上總是存在著一些外部干擾。
　　(3)卡爾曼濾波與最小二乘的關系
　　經典的最小二乘估計是殘差的平方和達到最小的意義下的估計，它是線性無偏的估計，但不是一般意義的最小方差估計，只有考慮最優加權的最小二乘估計才是線性最小方差估計，這種考慮最優加權的最d'-乘估計也稱為馬爾科夫估計，如果在最小二乘估計中加入線性方差估計所需要的全部動態信息和統計信息，最小二乘估計就可以和卡爾曼濾波達到完全一致的結果；如果關于估計量沒有任何驗前的統計知識時，線性最小方差估計也就退化為馬爾科夫估計。
　　目前，卡爾曼濾波己成為一種描述動態系統常用的方法。在GPS變形監測中正發揮著重要的作用。
　　
　　
　　參考文獻：
　　[1]王正旭,獨知行,單瑞.GPS技術在高層建筑變形監測中的應用研究[J].城市勘測,2009,03.
　　[2]李濤,周宗澤,顧鳳鳴.GPS單基線變形監測精度分析[J].地理空間信息,2009,05.