淺談GPS- RTK 技術(shù)在橋梁監(jiān)測中的應(yīng)用

陳世昌 唐 彪 劉 歡

（1、重慶科技學院建筑工程學院，重慶401331 2、重慶科技學院工商管理學院，重慶401331）

GPS 是全球定位系統(tǒng)，是由美國國防的基于無線電導航系統(tǒng)，當前GPS 給全球很多領(lǐng)域帶來了很多信息化時代的便利，可以全天候，進行測速和定位，但是由于僅僅依靠GPS 不足之處是會出現(xiàn)定位精度差，誤差可能會達到十幾米，所以引入RTK 技術(shù)，使得GPS 技術(shù)得到了新的突破，RTX 的是實時動態(tài)測量，是一種差分數(shù)據(jù)處理，采集數(shù)據(jù)差分信息動態(tài)的從基準站傳送到流動站。GPS 可以在上千公里的控制網(wǎng)內(nèi)精確到百米甚至毫米的定位。

通過對橋梁采用GPS-RTK 動態(tài)檢測，可以實時的檢測和評估橋梁的穩(wěn)定性、可靠性以及橋梁受損情況的信息。在橋梁修建完成的使用過程中，難免會受到惡劣環(huán)境和外界條件的破壞，比如地震、臺風、洪災(zāi)以及超載的現(xiàn)象，會使得橋梁產(chǎn)生位移和震動導致橋梁的倒塌。所以通過GPS-RTK 動態(tài)監(jiān)控技術(shù)，可以迅速的發(fā)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)存在的缺陷，還可以針對橋梁的損傷情況，事后的運營狀態(tài)進行正常使用壽命評估等，在對于橋梁的安全保障具有重大的意義。

1 橋梁動態(tài)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展

橋梁的安全動態(tài)監(jiān)控一般是通過對橋梁在外界因素比如風力、地震以及荷載的作用之下，產(chǎn)生的位移變化為特征進行的安全評估和剩余壽命的評估。以往橋梁監(jiān)測技術(shù)具有局限性，因為主要采用的是加速度計法、全站儀法等來測量橋梁的震動和位移。這種方法的不足之處是當橋梁結(jié)構(gòu)的位移值較小時，不容易獲得橋梁震動當?shù)卣穹Ｈ緝x法會受到自然環(huán)境的影響，同時這些方法對于小型橋梁可以達到檢測目的，但是對于大型橋梁的動態(tài)監(jiān)控難以實現(xiàn)。所以傳統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控技術(shù)存在很多局限性，如法滿足當今橋梁的使用。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，GPS 技術(shù)在橋梁動態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域得到了廣泛的運用，GPS 技術(shù)具有準確度高、體積小、反應(yīng)迅速等特點。[1]當前GPS-RTK 對橋梁的動態(tài)檢測方面深受人們青睞，主要優(yōu)勢有其不受到天氣環(huán)境的影響，尤其是GPS-RTK 技術(shù)能夠以很高的頻率和很高的精度實時監(jiān)控測量很多個地理坐標，這個中技術(shù)對于大型的橋梁中尤其是在外界環(huán)境惡劣的情況之下，任然能夠保持很高的準確度和穩(wěn)定性。GPS-RTK 技術(shù)提高了結(jié)構(gòu)測量的效率，創(chuàng)造了很高的經(jīng)濟效益。

2 GPS-RTK 技術(shù)的優(yōu)點

2.1 擁有高的精確度。因為誤差極小，只要滿足基本的作業(yè)條件，一般情況下RTK 技術(shù)的水平精度可高達1 厘米，高程方向上的精度可達到2 厘米。

2.2 工作效率高。一次性可以測直徑為8 公里的范圍，和以往的技術(shù)相比，降低了測量儀器的搬運次數(shù)，而是只需要一個人的操作，通過電磁波幾秒就可以獲得一個坐標，提高了勞動效率，降低了人工成本。一般情況可以提高三倍的作業(yè)效率。

2.3 降低作業(yè)條件。GPS-RTK 技術(shù)僅僅需要兩點的“電磁波通視”，不需要兩點光學通視，一些大型的橋梁的檢測時候，受到能見度、氣候、季節(jié)的影響時，無法做到兩邊通透的要求，這個時候GPS-RTK 可以不受到這些條件的限制，尤其是在一些山區(qū)地形復雜地區(qū)，使用傳統(tǒng)的測量方式非常困難，GPS-RTK 就體現(xiàn)出他的優(yōu)越性。

2.4 全自動化和智能化。全過程智能化處理，數(shù)據(jù)自動化處理，簡單快捷。通過軟件控制，不用人工進行操作可以實現(xiàn)全自動化完成任務(wù)，數(shù)據(jù)傳送到計算機，然后分析處理，大大降低了認為誤差，保證了測量精度。

3 GPS-RTK 動態(tài)檢測技術(shù)

3.1 動態(tài)監(jiān)測原理介紹。GPS-RTK 動態(tài)檢測技術(shù)就是一種可以實時的得到指定三維坐標的全球定位系統(tǒng)的測量方法，當前在定位、導航、監(jiān)控工程的結(jié)構(gòu)變形方面運用尤為廣泛。GPS是通過接受多個衛(wèi)星的信號來測量兩點之間的距離長短。原理是通過安裝一臺接收機在一個特定的點上，該點為基準點，然后在待測定的點上安裝GPS 接收機，可以增加載波相位提高精確度。[2]然后通過所收到的GPS 信息包括距離、相位測量值等，運用數(shù)據(jù)通信鏈的方式比如光纜傳送到固定的檢測點，然后固定的監(jiān)測點通過自動的技術(shù)分析得到準確的定位結(jié)果的目的。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成。當前國內(nèi)外很多橋梁都采用了RTK-GSP 橋梁動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，比如日本凱越大橋、中國虎門大橋、英國亨伯大橋等。檢測的系統(tǒng)主要包括監(jiān)測站、GPS 基準站和監(jiān)測控制中心。因為氣候原因和軌道偏差對分差GPS 影響，隨著監(jiān)測站和基準站之間距離長短變化，所以橋梁到基準點的應(yīng)該在有效范圍之內(nèi)。同時，確保在基準點的斜上角沒有遮擋物和反射物。監(jiān)測點的布置應(yīng)該設(shè)置在結(jié)構(gòu)變形大的位置，比如跨中1/2 處或者橋頂部。[3]接收機可以收到所有的衛(wèi)星信號，運用使用光纜通訊系統(tǒng)，通過1Hz 的監(jiān)測速率可以做到實時的做到讓接收機收到衛(wèi)星發(fā)來的及時信息。收到從衛(wèi)星發(fā)來的信號和信息通過監(jiān)測站運用技術(shù)分析，這樣活的三維坐標同時也將信息發(fā)送給控制中心。然后，控制中心通過相關(guān)軟件技術(shù)的分析，從而獲得橋梁結(jié)構(gòu)上的縱橫向以及垂直方向位移等數(shù)據(jù)。每次的監(jiān)測結(jié)果保存在基準站，通過大量的信息對比技術(shù)，實時的監(jiān)控分析獲得橋梁的健康評估報告。

3.3 監(jiān)測體系數(shù)據(jù)處理分析。監(jiān)測體系可以得到縱橫向和垂直向的位移，通過與周圍環(huán)境的風速、溫度以及橋梁本身承受的荷載等參數(shù)，分別分析位移與風速、溫度和橋梁承受荷載的關(guān)系。在進行橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)控的過程當中，通過設(shè)備對數(shù)據(jù)分析得到橋梁坐標的變化情況，風速對橋梁結(jié)構(gòu)的影響情況以及溫度對橋梁的影響情況，以及最后做出橋梁結(jié)構(gòu)的實時評估。其中分析的結(jié)果可以監(jiān)控到溫度效應(yīng)，交通荷載效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力效應(yīng)。一般情況下，X 軸表示橋梁的縱向坐標，Z表示橋梁垂直坐標，Y 軸通過右手法則可以測的。橋梁結(jié)構(gòu)的振幅和頻率由監(jiān)測點的位移曲線獲得。運用博立葉變換進行頻譜的分析從而獲得監(jiān)測點的功率曲線，然后通過與不同時間的曲線比較，最終評估橋梁結(jié)構(gòu)的健康情況。監(jiān)測體系可以記錄下溫度變化、風荷載等作用下的結(jié)構(gòu)位移變化情況，通過收集大量數(shù)據(jù)分析，獲得荷載作用下的振動頻譜，然后對橋梁結(jié)構(gòu)的安全進行分析。監(jiān)測體系的所得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)很多，通過從監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取有針對性和可靠性的數(shù)據(jù)是在監(jiān)測體系數(shù)據(jù)處理中非常重要的過程。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理和可視化。因為橋梁的監(jiān)控是一個持續(xù)性、長久性的監(jiān)控體系，如果僅僅依靠每次的數(shù)據(jù)來進行評估橋梁的健康情況顯得有些復雜，任務(wù)量巨大，往往以前的監(jiān)測技術(shù)就是因為這一點很難得到長遠的使用。所以，可視化的作用就是通過監(jiān)測站得到的數(shù)據(jù)運用顯示器進行圖像化展現(xiàn)在人們面前，能夠更加直接、快捷的做出判斷，具有直觀性。監(jiān)控的數(shù)據(jù)可視化可以清晰的看到橋梁實時情況的動態(tài)狀況，因此橋梁檢測的可視化是監(jiān)測中不可或缺的一部分。在不同的監(jiān)測狀態(tài)下進行不同的可視化。在實際運用中，最為廣泛的的可視化在結(jié)構(gòu)監(jiān)測點上的三維方向上的位移，以及橋的表面的實時的位移。同時，還包括動態(tài)的結(jié)構(gòu)溫度與位移的變化曲線圖等等。

4 結(jié)論

GPS-RTK 技術(shù)彌補了傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測技術(shù)的不足，他擺脫了惡劣自然條件的限制以及影響，可以全天候的對橋梁結(jié)構(gòu)健康情況進行實時的監(jiān)控和評估，所檢測的精度高、誤差低，時效快。當在多個點的同步監(jiān)控的時候，運用GPS 定位測量技術(shù)可以快速的獲得定位點三維坐標，該方法受自然影響小、采集數(shù)據(jù)快和自動化。所以對于橋梁長期處于高強度運載中進行橋梁的評估，這種技術(shù)對于檢測當代橋梁的受損情況非常重要。通過運用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以獲得大量的橋梁檢測數(shù)據(jù)，通過固定時間內(nèi)的檢測數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)庫，方便后期隨時進行訪問、回復和處理功能?？梢暬夹g(shù)能夠更加直接看見橋梁結(jié)構(gòu)的位移狀況和結(jié)構(gòu)整體的位移，當前GPS-RTK 技術(shù)在國內(nèi)外越來越多的橋梁監(jiān)測中得到了廣泛的運用。