GPS在路橋設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

摘要：GPS定位技術(shù)具有全天候、精度高及速度快的特點(diǎn)，可以有效地避免傳統(tǒng)測(cè)量方法的弊端，在變形監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用。了解GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并進(jìn)一步探討其發(fā)展趨勢(shì)，是不斷提高變形監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用效果的保障。

關(guān)鍵詞：GPS；路橋設(shè)計(jì)；監(jiān)測(cè)

隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，其測(cè)量功能更加完善，應(yīng)用面也越來(lái)越廣，操作也更簡(jiǎn)便，這使GPS測(cè)量更實(shí)用化。在我國(guó)的路橋設(shè)計(jì)中使用GPS技術(shù)，可以減少設(shè)計(jì)成本，彌補(bǔ)常規(guī)傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足，提高設(shè)計(jì)精度與設(shè)計(jì)效率。

一、GPS及變形監(jiān)測(cè)技術(shù)概述

1、全球定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介

GPS本來(lái)是用于軍事部門的衛(wèi)星導(dǎo)航及定位系統(tǒng)，以衛(wèi)星為基礎(chǔ)，具有全天候、速度快、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，并且GPS具有良好的保密性及抗干擾性。全球定位系統(tǒng)可以向全球任何一個(gè)用戶提供精度非常高的時(shí)間信息及三維坐標(biāo)等技術(shù)參數(shù)，并且全天候提供，在各種變形監(jiān)測(cè)中都可以得到有效應(yīng)用，尤其是在大壩變形監(jiān)測(cè)、橋梁變形監(jiān)測(cè)、滑坡監(jiān)測(cè)及礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)等特殊地區(qū)監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

2、變形監(jiān)測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在八十年代之前主要指的是常規(guī)大地測(cè)量及特殊的變形測(cè)量技術(shù)，經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，攝影測(cè)量技術(shù)及GPS技術(shù)成為變形監(jiān)測(cè)技術(shù)中的重要組成部分。常規(guī)大地測(cè)量技術(shù)采用的工具主要是經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、全站儀及測(cè)距儀等測(cè)量?jī)x器，利用這些儀器對(duì)點(diǎn)的變形值進(jìn)行測(cè)量。一方面能夠?qū)ψ冃握w的形態(tài)進(jìn)行提供，另一方面也可以用于不同的檢測(cè)精度及變形體，在不同的檢測(cè)環(huán)境中都能夠應(yīng)用，以提供有效的絕對(duì)變形信息。但這一技術(shù)的作業(yè)量較大，并且受地形條件的影響，往往不能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。特殊變形測(cè)量技術(shù)包括三種，即準(zhǔn)直測(cè)量、應(yīng)變測(cè)量和傾斜測(cè)量，這種測(cè)量技術(shù)的測(cè)量過(guò)程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，并且可以對(duì)變形體的內(nèi)部變形進(jìn)行檢測(cè)，以有效地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化，但提供的變形信息比較局限，一般只能夠?qū)ο鄬?duì)變形信息進(jìn)行提供。

攝影測(cè)量技術(shù)主要包括地面攝影測(cè)量技術(shù)及航空攝影測(cè)量技術(shù)兩種。攝影測(cè)量技術(shù)可以瞬間記錄被攝影物體的信息，在不規(guī)則及不可接觸體的變形監(jiān)測(cè)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并且這一技術(shù)獲取的信息可以長(zhǎng)久保存，具有客觀性，監(jiān)測(cè)工作簡(jiǎn)便且比較安全。但攝影測(cè)量技術(shù)的攝影距離較近，對(duì)儀器設(shè)備的要求較高，因此應(yīng)用并不廣泛。GPS技術(shù)的應(yīng)用則對(duì)其它變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)給予了很好的彌補(bǔ)，近些年已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，并收到了良好的效果。

二、GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

GPS技術(shù)在應(yīng)用于特大橋梁的控制測(cè)量中，可構(gòu)成較好的網(wǎng)形，能提高定位精度，同時(shí)對(duì)檢測(cè)傳統(tǒng)常規(guī)測(cè)量的支點(diǎn)也非常的有效。例如首先用傳統(tǒng)常規(guī)測(cè)量方法建立高精度的邊角網(wǎng)，然后利用GPS對(duì)該邊角網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)，GPS的檢測(cè)網(wǎng)可達(dá)毫米級(jí)精度，比傳統(tǒng)常規(guī)的精度網(wǎng)的效果要好。

1、GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用特點(diǎn)

GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，在變形監(jiān)測(cè)中運(yùn)用GPS無(wú)需保持通視，傳統(tǒng)的方法需要點(diǎn)之間保持通視才能夠進(jìn)行觀測(cè)，而GPS僅僅需要保證測(cè)站上空開(kāi)闊便可；第二，GPS可以同時(shí)提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維位移信息，如果用傳統(tǒng)的方法則需要將平面位移和垂直位移進(jìn)行分開(kāi)監(jiān)測(cè)，不但周期長(zhǎng)，而且工作量極大；第三，全天候監(jiān)測(cè)，GPS沒(méi)有氣候條件的限制，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期全天候觀測(cè)；第四，GPS的監(jiān)測(cè)精度非常高，可以提供1×10-6的監(jiān)測(cè)精度；第五，GPS的監(jiān)測(cè)操作簡(jiǎn)單，很容易實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化。

2、GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用方案

變形監(jiān)測(cè)的作業(yè)及監(jiān)測(cè)模式主要有三種，即周期性重復(fù)測(cè)量、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及固定連續(xù)GPS測(cè)站陣列。在應(yīng)用GPS進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)時(shí)，要根據(jù)國(guó)家的相關(guān)的規(guī)定進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)等級(jí)的劃分，明確變形監(jiān)測(cè)的相關(guān)參數(shù)要求。監(jiān)測(cè)中的方案主要有以下幾個(gè)：第一，可以用多臺(tái)GPS機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)，最好在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)都安置GPS機(jī)，做到每點(diǎn)一機(jī)同步觀測(cè)；第二，如果進(jìn)行多期觀測(cè)，則要做到每期觀測(cè)時(shí)GPS接收機(jī)臺(tái)數(shù)及接收機(jī)的型號(hào)相同；第三，在進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，要選擇最佳的衛(wèi)星分布，并且在衛(wèi)星較多的時(shí)段進(jìn)行觀測(cè)；第四，基準(zhǔn)點(diǎn)與變形點(diǎn)間的距離及基準(zhǔn)點(diǎn)都不能夠超過(guò)五千米。

3、GPS在變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的作業(yè)方式

GPS在變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的作業(yè)方式主要有兩種，即周期性和連續(xù)性。周期性變形監(jiān)測(cè)大致與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)相似，變形體的變形相對(duì)非常緩慢，因而變形監(jiān)測(cè)的周期相對(duì)較長(zhǎng)，這種監(jiān)測(cè)方式的基準(zhǔn)選擇及確定非常關(guān)鍵。連續(xù)性變形監(jiān)測(cè)則指的是利用監(jiān)測(cè)儀器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的采集，從而獲得數(shù)據(jù)序列。這種監(jiān)測(cè)方式所獲取的數(shù)據(jù)具有一定的連續(xù)性，且分辨率較強(qiáng)，在數(shù)據(jù)的解算及分析方面具有較高的要求。

4、GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用誤差

GPS在變形監(jiān)測(cè)中會(huì)存在一定的誤差，誤差的存在勢(shì)必會(huì)對(duì)觀測(cè)的精度有影響，按誤差的性質(zhì)可以將監(jiān)測(cè)中的誤差分為兩大類，即系統(tǒng)誤差及偶然誤差。按誤差來(lái)源分類，GPS測(cè)量誤差則主要分為與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差、與信號(hào)傳播相關(guān)的誤差，及與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。系統(tǒng)誤差主要有衛(wèi)星軌道誤差、電離層折射誤差、對(duì)流層折射誤差、接收機(jī)鐘差等。偶然誤差則主要是多路徑效應(yīng)引起的誤差及測(cè)量觀測(cè)誤差等。如果出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，主要通過(guò)在數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型中引入未知參數(shù)，以及運(yùn)用監(jiān)理系統(tǒng)誤差模型計(jì)算該證書(shū)及同步觀測(cè)數(shù)據(jù)求差等方法，來(lái)消除影響。若出現(xiàn)偶然誤差，則可以通過(guò)增加觀測(cè)系數(shù)、完善觀測(cè)條件和調(diào)整觀測(cè)時(shí)間等途徑對(duì)其影響進(jìn)行減弱。

5、GPS在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1）GPS靜態(tài)相對(duì)定位在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

GPS靜態(tài)相對(duì)定位的一般方法，就是將1臺(tái)GPS接收機(jī)安置在已知坐標(biāo)的地面點(diǎn)上；另1臺(tái)或多臺(tái)GPS接收機(jī)安置在未知坐標(biāo)的地面點(diǎn)上，并保持各接收機(jī)固定不動(dòng)，同步連續(xù)觀測(cè)相同的GPS衛(wèi)星星座，用以求得未知點(diǎn)相對(duì)于已知點(diǎn)的坐標(biāo)增量，從而由已知點(diǎn)坐標(biāo)，推求各未知點(diǎn)坐標(biāo)的方法。由于進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，取得了充分的多余觀測(cè)量，因而可獲得非常高的定位精度。GPS靜態(tài)相對(duì)定位是一種較為經(jīng)典的精密定位模式，與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，具有效率高、精度高與成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此，GPS被廣泛應(yīng)用于各種橋梁工程的平面控制測(cè)量與變形監(jiān)測(cè)工作中。近年來(lái)，GPS相對(duì)靜態(tài)定位測(cè)量與快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量技術(shù)，也在特大型跨海橋梁工程設(shè)計(jì)與施工測(cè)量定位中發(fā)揮著重要作用，成功的解決了以前傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無(wú)法完成的長(zhǎng)距離施工測(cè)量精確定位技術(shù)難題。

2）GPS動(dòng)態(tài)相對(duì)定位在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

所謂GPS動(dòng)態(tài)相對(duì)定位，就是將一臺(tái)GPS接收機(jī)安置于已知坐標(biāo)的同定觀測(cè)站上，并同步觀測(cè)相同的衛(wèi)星；基準(zhǔn)接收機(jī)將瞬時(shí)觀測(cè)量與由基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)求得的相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較，得出瞬時(shí)校正值，并用該瞬時(shí)校正值改正流動(dòng)接收機(jī)的瞬時(shí)觀測(cè)培，從而求得流動(dòng)站乃相對(duì)于基準(zhǔn)站五的瞬時(shí)位置。GPS動(dòng)態(tài)相對(duì)定位精度可達(dá)±1m。在橋梁工程中，GPS動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)與數(shù)字回聲測(cè)深技術(shù)相結(jié)合，可以快速和高品質(zhì)的完成內(nèi)江湖泊水下地形圖測(cè)繪工作，以解決傳統(tǒng)測(cè)量手段幾乎不可能完成的大型跨海橋址水下地形圖測(cè)繪，并充分實(shí)現(xiàn)內(nèi)部和外業(yè)測(cè)量自動(dòng)化和成果數(shù)字化。據(jù)估計(jì)，利用GPS技術(shù)比傳統(tǒng)的前方交會(huì)定位方法，可以降低成本和提高效率三倍以上。

3）GPS-RTK定位在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

GPS-RTK定位是基于載波相位測(cè)量的動(dòng)態(tài)相對(duì)定位方法。隨著快速確定整周未知數(shù)方法的進(jìn)步，已發(fā)展成為一種實(shí)時(shí)的、高精度的動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)測(cè)量系統(tǒng)。它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分的方法，是近年來(lái)GPS技術(shù)的一種新突破，它的出現(xiàn)為橋梁設(shè)計(jì)工程帶來(lái)了新的血液，可以極大提高了外業(yè)作業(yè)效率。

結(jié)語(yǔ)

GPS定位技術(shù)所有具有的高精度、實(shí)時(shí)工作性與較好的發(fā)展?jié)摿σ饻y(cè)繪工作者的極大興趣。隨著GPS測(cè)量理論與設(shè)備的不斷發(fā)展，使得GPS測(cè)量技術(shù)日趨完善。GPS定位系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)中，取得了良好的監(jiān)測(cè)效果。本文分析了GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并進(jìn)一步探討了變形監(jiān)測(cè)中GPS的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)監(jiān)測(cè)效果的保障等具有重大的意義。

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