基于GPS的路橋監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

張輝

【摘 要】利用靜態(tài)GPS定位原理對某路橋進(jìn)行變形監(jiān)測，分析了不同時段點(diǎn)位坐標(biāo)位置的變化及高程相對時段的變化，統(tǒng)計了平面坐標(biāo)和高程隨時間變化的變化量，說明了GPS在大橋監(jiān)測中高精度測量的應(yīng)用可實(shí)施行和可行性，闡述了GPS在大橋監(jiān)測上的優(yōu)勢，GPS發(fā)展的前景也十分廣闊。

【關(guān)鍵詞】GPS監(jiān)測;數(shù)據(jù)處理;統(tǒng)計分析

中圖分類號： P228.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）28-0080-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.032

【Abstract】Deformation monitoring of road bridge using static GPS positioning principle， analyzes the changes in different time point coordinates and elevation changes in relative time， the statistical variation of plane coordinates and elevation changes over time， illustrates the application of GPS in high precision measurement in bridge monitoring can be implemented and feasibility， this paper expounds the advantages of GPS on the bridge monitoring， is also a wide prospect in the development of GPS.

【Key words】GPS monitoring; The data processing; Statistical analysis

0 引言

GPS（Global Positioning System）因其快速、準(zhǔn)確、實(shí)時的觀測特點(diǎn)，可以實(shí)時地對地震，大壩、橋梁等大型建（構(gòu)）筑物進(jìn)行變形監(jiān)測[1]，除此之外，水文資源、滑坡、小波濾噪等方面也應(yīng)用不斷，在對路橋監(jiān)測的應(yīng)用中更是廣泛。以GPS控制網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)、高程的變化為依據(jù)，GPS的高精度測量數(shù)據(jù)和對其進(jìn)行平差統(tǒng)計分析，可以有效的判斷在某個時間或者小時段內(nèi)橋的某一區(qū)域的變形，從而判斷出在某一時間段內(nèi)橋的損壞程度，以便維修，這將大大的方便了維修人員的工作，及時的預(yù)報大橋的危險性，保證了通行人們的安全。

1 GPS監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)及監(jiān)測

某路橋布設(shè)的GPS監(jiān)測網(wǎng)全網(wǎng)共包含4個GPS控制點(diǎn)，大橋上布設(shè)了兩個監(jiān)測點(diǎn)，這個四個點(diǎn)分別取名為DQWE、DQEA、DQSO和DQCK。觀測的基線有6條，三邊同步環(huán)為4個，量測的基線平均邊長為93.5m，布設(shè)完成后，對此GPS監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行長期有效的監(jiān)測[2]GPS網(wǎng)形見圖1。

相對比之前的該路橋監(jiān)測，每年的監(jiān)測都?xì)v時14個小時，觀測采用的GPS接收機(jī)是5臺南方靈銳82雙頻GPS接收機(jī)（標(biāo)稱精度為5mm+1ppm）連續(xù)觀測，其衛(wèi)星高度角大于15°，有效衛(wèi)星數(shù)大于5，數(shù)據(jù)采樣間隔為15s，幾何圖形強(qiáng)度PDOP≤6。精確對中整平儀器，對中精度小于1mm。按照要求，觀測前后使用專用GPS量高尺及普通鋼尺各量取儀器高兩次至1mm，各標(biāo)尺兩次量測較差均小于3mm時分別取中數(shù)，最后兩尺測量較差小于3mm時取中數(shù)作為該站最終站高。觀測中定時查看測站信息，采集歷元數(shù)、數(shù)據(jù)記錄信號燈狀態(tài)等信息，以確保設(shè)備工作狀態(tài)正常，出現(xiàn)問題及時處理[3]。

2 GPS數(shù)據(jù)處理及精度分析

GPS監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理主要有基線預(yù)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核、GPS網(wǎng)平差，這些數(shù)據(jù)的處理均采用隨機(jī)平差軟件，在微機(jī)上進(jìn)行。在監(jiān)測時按照小時段劃分，連續(xù)觀測，監(jiān)測網(wǎng)按照GPS二等網(wǎng)平差計算，假定一個已知點(diǎn)的坐標(biāo)，擬合高程作為基準(zhǔn)高程，經(jīng)過監(jiān)測的數(shù)據(jù)先進(jìn)行檢核，然后通過不用時段的平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2.1 基線和同步環(huán)數(shù)據(jù)處理

基線和同步環(huán)的數(shù)據(jù)處理的前提是在大量的數(shù)據(jù)經(jīng)過檢查，排除具有明顯點(diǎn)的數(shù)據(jù)錯誤，而且在監(jiān)測前要保證監(jiān)測點(diǎn)與基點(diǎn)通視[4]。相鄰點(diǎn)間基線長度精度計算和同步環(huán)閉合差的要求如下所示。

相鄰點(diǎn)間基線長度精度用下式表示：

式中：σ是指標(biāo)準(zhǔn)差（基線向量的弦長中誤差mm），a指固定誤差為10mm，b指比例誤差系數(shù)為1，d指相鄰點(diǎn)間距離（km）。同一時段觀測值的數(shù)據(jù)剔出率，其值小于10%。同步環(huán)閉合差的X、Y、Z都必須要小于0.35σ。

利用GPS定位法獲得的數(shù)據(jù)不是完全的復(fù)合要求，根據(jù)布設(shè)網(wǎng)的要求，利用約束平差對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，假定DQN監(jiān)測點(diǎn)為已知點(diǎn)，坐標(biāo)為：X=4062000，Y=495000，H=29.000。不同時段的平差計算結(jié)果不一樣，為了有效的對比不同時段的數(shù)據(jù)變化，從第0時段即上午六點(diǎn)開始至晚上八點(diǎn)結(jié)束，分為13個時段，以下列出第一時段、第三時段、第五時段、第七時段點(diǎn)位坐標(biāo)和高程的數(shù)據(jù)，如下表1、表2、表3、表4所示。

對比這幾個時段的點(diǎn)位坐標(biāo)和高程位置的變化，以第一時段的數(shù)據(jù)為參考，對三五七時段進(jìn)行殘差對比，X、Y坐標(biāo)誤差在5mm之內(nèi)，少數(shù)時間段的誤差相比較而言大于5mm，高程誤差變化較大，這僅僅是這幾個時段作比較，觀測的13個時段，剔除錯誤數(shù)據(jù)，對所有數(shù)據(jù)展開精度分析。

2.2 精度分析

將監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，從位置變化統(tǒng)計、高程隨時間變化分布統(tǒng)計和平面坐標(biāo)隨時間變化分布統(tǒng)計三個方面來進(jìn)行分析。四個監(jiān)測點(diǎn)的13個時段的各觀測段的觀測點(diǎn)平面及高程與第一時段對應(yīng)點(diǎn)的平面及高程較差統(tǒng)計，見表5、表6。

從表5和表6可以看出，在這13個時間段中，第13個時段，晚上的7點(diǎn)到8點(diǎn)，是平面坐標(biāo)和高程誤差最大的時候，因?yàn)橥砩媳O(jiān)測受到天氣、溫度、亮度等因素的影響，誤差較大，其他時段的各個段的誤差在誤差范圍內(nèi)，基在X、Y方向上基本能達(dá)到很高的精度，完全可以滿足監(jiān)測的精度需求[5]，個別出現(xiàn)的大誤差是屬于粗差，出現(xiàn)的這樣的大誤差在之后的監(jiān)測中以及時糾正。

在不同的時間段的時間不同影響著坐標(biāo)和高程的位置變化，四個GPS監(jiān)測點(diǎn)以橋西清河北岸DQCK為基準(zhǔn)點(diǎn)，DQEO、DQWE、DQSO三個監(jiān)測點(diǎn)各觀測時段的位置相對其第一個時段的變化量用折線圖表示，見下圖2。

下圖2表示的是坐標(biāo)平面位置隨時間的變化的變化量，在第一時段下降主要因素是時間，第一時間是早上七點(diǎn)至八點(diǎn)，溫度的變化導(dǎo)致位置的變化，其他時間DQEA和DQSO持續(xù)上升的狀態(tài)，在第十二時段即晚上太陽落山時下降，之后又上升，而DQWE的變化卻比較明顯。

高程的變化也是很明顯的，同樣以四個GPS監(jiān)測點(diǎn)以橋西河北岸DQCK為基準(zhǔn)點(diǎn)，DQEA、DQWE、DQSO三個監(jiān)測點(diǎn)各觀測時段的高程相對其第一個時段高程值得變化量用折線圖表示，見圖3。

圖3高程隨時間的變化與坐標(biāo)平面位置的變化完全不一樣，點(diǎn)DQWE在以點(diǎn)DQCK為基準(zhǔn)的線上浮動，點(diǎn)DQSO在基本上都在基準(zhǔn)點(diǎn)的線下變化，而點(diǎn)DQEA的變化卻上下浮動很大，因?yàn)樵诓煌臅r間段影響此點(diǎn)的因子不一樣，因子所占的比重也不一樣，所以導(dǎo)致位置的變化也不同。

3 結(jié)語

利用GPS精度高、全天候、不受通視條件限制和高度自動化等優(yōu)點(diǎn)[6-7]在橋梁進(jìn)行監(jiān)測，如今，不僅在橋梁，而且在洪水調(diào)度、流量與水質(zhì)監(jiān)測[8]等方面也應(yīng)用廣泛，但是GPS并非完美無缺[9]，GPS受天氣溫度影響很大，這樣會造成在某時間段的數(shù)據(jù)誤差，不過隨GPS技術(shù)的發(fā)展，融合其他技術(shù)，使得GPS的監(jiān)測為橋梁進(jìn)一步的變形分析提供了良好的基礎(chǔ)[10]，而且在中國的道路和橋梁的設(shè)計以及監(jiān)測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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