GPS技術(shù)在大型橋梁測量控制中應(yīng)用探討

陳尚乾

摘 要：橋梁是我國交通運輸體系中極為重要的部分，經(jīng)濟的進步與發(fā)展使得無論是橋梁的建設(shè)數(shù)量還是建設(shè)水平相較以往均有了明顯提升。而為保證建設(shè)過程中各項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取準(zhǔn)確性，就應(yīng)提高對測量環(huán)節(jié)的重視，聯(lián)合所在區(qū)域的地勢與橋梁的跨江跨海需求以保證最終的橋梁建設(shè)效果。從實際情況來看，GPS技術(shù)在被應(yīng)用在橋梁建設(shè)測量環(huán)節(jié)后，數(shù)據(jù)的精確性與獲取實效性均得到了明顯提升，本文重點描述了GPS技術(shù)原理以及具體的應(yīng)用過程。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù);大型橋梁;測量控制;現(xiàn)狀;原理與應(yīng)用

中圖分類號：U442 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

經(jīng)濟的進步為社會的持續(xù)發(fā)展注入了新的動力，人們的生活質(zhì)量相較以往也有了明顯提升。為滿足經(jīng)濟發(fā)展與人們的出行需求，大型橋梁的數(shù)量也在逐漸增多，部分大型橋梁由于其包含結(jié)構(gòu)較多且工藝較為復(fù)雜的原因，使得想要選擇應(yīng)用一般的測量控制手段將無法滿足實際的建設(shè)數(shù)據(jù)需求。GPS技術(shù)作為新時代發(fā)展過程中的重要技術(shù)類型，在融入橋梁測量控制環(huán)節(jié)后突顯出了諸多的應(yīng)用優(yōu)勢，現(xiàn)如今已經(jīng)成為了不可或缺的橋梁各個結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的測量手段，具有極為重要的現(xiàn)實應(yīng)用地位。

1 國內(nèi)外GPS技術(shù)的研究現(xiàn)狀

GPS技術(shù)簡單來說就是在衛(wèi)星的幫助下根據(jù)導(dǎo)航與定位等信息測定距離，隨著技術(shù)的不斷成熟使得其在多個方面均表現(xiàn)出了極為突出的應(yīng)用優(yōu)勢。對于橋梁測量工作來說，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性使得傳統(tǒng)測量技術(shù)已經(jīng)無法滿足其對數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性的要求，繼而給予了GPS技術(shù)大范圍的應(yīng)用在測量過程中的機會，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下兩點：第一是能夠在靜態(tài)條件下完成準(zhǔn)確的定位任務(wù)，繼而能夠解決由于距離過長所導(dǎo)致的一系列的測量困難問題[1];第二是能夠在信號接收機的幫助下實現(xiàn)動態(tài)測量目標(biāo)。因此，無論是在靜態(tài)還是動態(tài)條件下，GPS技術(shù)的應(yīng)用均能夠保證獲取數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性與及時性。

國外的GPS技術(shù)由于發(fā)展時間較早使得其在橋梁測量環(huán)節(jié)已經(jīng)表現(xiàn)的較為成熟，且在積累大量實踐測量經(jīng)驗的基礎(chǔ)上不斷獲得完善機會，其應(yīng)用效果也隨著時間的推移而持續(xù)提升[2]。以斯坦福粒子加速器測量環(huán)節(jié)為例，為滿足這一工程的測量需求，技術(shù)人員充分利用了GPS技術(shù)保證了隧道縱向與橫向測量誤差的修改及時性，且明顯縮減了工程的資源消耗量，無論是工程建設(shè)質(zhì)量還是整體的施工進度，相較傳統(tǒng)測量方式均有明顯提升。

我國由于發(fā)展較晚使得GPS技術(shù)在并不發(fā)達(dá)的科技條件下遲遲無法大規(guī)模的普及，與其他發(fā)達(dá)國家相比仍有一定距離。但從近些年的實際情況來看，我國的GPS技術(shù)發(fā)展速度極快，不斷趨于完善的技術(shù)流程使得其被頻繁應(yīng)用于橋梁測量過程中，在提升建設(shè)效率與質(zhì)量的基礎(chǔ)上，也積累了大量的實踐測量經(jīng)驗，為徹底摒棄傳統(tǒng)測量技術(shù)、為更多行業(yè)領(lǐng)域中推行使用提供了完備條件。大地測量控制法是我國在應(yīng)用GPS技術(shù)時經(jīng)常用到的測量方式，應(yīng)以GPS為核心構(gòu)建完善的城市測量控制網(wǎng)絡(luò)以提高測量效果。以我國某城市建設(shè)的大型橋梁工程為例，GPS技術(shù)充分發(fā)揮了其應(yīng)用優(yōu)勢，為一系列測量工作的穩(wěn)定且持續(xù)的推進奠定了基礎(chǔ)。不僅工程周期相較以往有了明顯縮減，施工人員的體力勞動量也大大減少，提升建設(shè)效率的同時也有效保證了獲取到的測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 GPS技術(shù)原理與橋梁測量原理

2.1 GPS技術(shù)定位原理

GPS在我們的日常生活中出現(xiàn)的頻率并不低，在聽到這一名詞后人們會經(jīng)常性的將其與導(dǎo)航功能聯(lián)系起來，是實現(xiàn)導(dǎo)航的基礎(chǔ)技術(shù)類型。GPS技術(shù)的全稱為全球定位系統(tǒng)，而想要實現(xiàn)這一系統(tǒng)應(yīng)用效果的前提就是衛(wèi)星導(dǎo)航的定時與定位，以達(dá)到準(zhǔn)確測量時間與距離的目的[3]。全球定位系統(tǒng)功能的充分發(fā)揮不僅在于其維持高強度的工作狀態(tài)與精確度極高的定位能力，更為關(guān)鍵的是應(yīng)具備足夠的抗干擾能力，繼而將受到的外界不確定因素的影響降到最低，突顯出其高精度的實時定位應(yīng)用優(yōu)勢。也正是由于其在實際應(yīng)用過程中所突顯出的各類優(yōu)勢，使得該類技術(shù)在融入至橋梁測量環(huán)節(jié)后表現(xiàn)出了極佳的應(yīng)用效果，從根本上提升了其整體的建設(shè)質(zhì)量。

2.2 橋梁測量過程中融入GPS技術(shù)的原理

能否保證數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性決定了橋梁的最終建設(shè)質(zhì)量，也是保證橋梁應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素。相較傳統(tǒng)的橋梁測量技術(shù)，GPS技術(shù)的應(yīng)用為全天候的實時采集周邊環(huán)境與結(jié)構(gòu)建設(shè)信息提供了完備條件，也是及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常的關(guān)鍵因素。不僅如此，簡便的技術(shù)應(yīng)用流程也讓操作人員能夠更為方便的使用此類技術(shù)，降低了數(shù)據(jù)采集與分析的失誤率，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的高效率與低成本的技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)，奠定了GPS技術(shù)更好地融入橋梁測量過程并充分發(fā)揮其應(yīng)用效果的重要基礎(chǔ)。

2.2.1 GPS數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集與后續(xù)的處理分析是橋梁測量控制環(huán)節(jié)應(yīng)重點關(guān)注的過程，決定著最終的橋梁建設(shè)質(zhì)量與功能效果。由于GPS技術(shù)的特殊性，使得其能夠在融入橋梁測量環(huán)節(jié)后充分發(fā)揮其高精度的數(shù)據(jù)獲取優(yōu)勢，且能夠保證數(shù)據(jù)采集的時效性。在利用GPS技術(shù)處理數(shù)據(jù)時，針對的處理對象一般為GPS接收機在現(xiàn)場施工環(huán)境下所接收到的一系列的數(shù)據(jù)。但由于不同的接收機在存儲搜集到的數(shù)據(jù)時必須依照廠家規(guī)定的數(shù)據(jù)存儲模式進行轉(zhuǎn)化，那么在數(shù)據(jù)觀測環(huán)節(jié)時所應(yīng)用接收機類型不一致的情況，使得采集到的數(shù)據(jù)格式也存在著諸多不同，在這種情況下將無法選擇應(yīng)用同種數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行整理與分析，數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)表現(xiàn)出了諸多的不便之處。因此，為保證數(shù)據(jù)的處理統(tǒng)一性，就應(yīng)在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)將其應(yīng)用格式進行轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一性。另外需要選擇合適的軟件利用已經(jīng)搜集完畢的信息進行基線解算，確認(rèn)數(shù)據(jù)合格后即可輸出基線向量文件，其也同樣是提供平差計算條件的前提條件。

2.2.2 GPS網(wǎng)平差

對于GPS技術(shù)的應(yīng)用流程來說，雖然能夠通過構(gòu)建GPS控制網(wǎng)絡(luò)隨時獲取到實時的時間與距離的測量信息，但該類網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建仍需要設(shè)定基準(zhǔn)。簡單來說，GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)就是尺度、方向以及位置三方面組成的符合現(xiàn)場測量條件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并在這一數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上聯(lián)系GPS網(wǎng)的整體平差值即可得出最終的GPS網(wǎng)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。一般來說，由于受到諸多不確定因素的限制使得想要充分發(fā)揮出GPS技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢所需求的GPS網(wǎng)的網(wǎng)平差均被二維條件所約束，簡單來說就是以基線為前提確定合適的數(shù)據(jù)，并需要以特定參照系為基礎(chǔ)依據(jù)轉(zhuǎn)換特點對數(shù)據(jù)進行換算，為獲取到指定點的坐標(biāo)提供基礎(chǔ)條件。但在這一環(huán)節(jié)需要重點關(guān)注的是，網(wǎng)平差數(shù)據(jù)的獲取不僅需要注意GPS網(wǎng)的應(yīng)用環(huán)境，也應(yīng)在計算過程中融入邊長與方位兩部分的起算點數(shù)據(jù)。且需要在網(wǎng)平差任務(wù)完成后，對所獲取到的數(shù)據(jù)進行核驗，只有保證其應(yīng)用效果才能將其投入到實際的測量過程中，繼而發(fā)揮其應(yīng)用優(yōu)勢。

2.2.3 GPS選點與觀測方案的制定

傳統(tǒng)測量技術(shù)在應(yīng)用至橋梁測量環(huán)節(jié)時，特別注意強調(diào)各點位之間的通視，但由于GPS的諸多應(yīng)用優(yōu)勢使得其無需維持點與點之間的通視狀態(tài)。再加上GPS網(wǎng)組建完畢后其整體結(jié)構(gòu)在應(yīng)用時表現(xiàn)出了較為靈活的應(yīng)用特點，因此想要推進后續(xù)的選點環(huán)節(jié)較為簡單，省去了較多的不必要的繁瑣程序繼而達(dá)到了測量效率的提升目的。但在實際的選點過程中應(yīng)對周邊的其他因素進行綜合考慮與深入分析，包括現(xiàn)場地質(zhì)環(huán)境、自然條件以及氣候變化等，通過全面分析能夠保證選點位置的準(zhǔn)確性與合理性。選點環(huán)節(jié)需要注意不要靠近一些本身將會釋放大量電磁波的裝置，例如雷達(dá)或信號天線等，以最大限度的將由于外界環(huán)境變化而帶來的信號干擾不良影響降到最低。

3 大型橋梁中GPS技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 工程概述

嘉魚長江公路大橋是武漢城市圈環(huán)線高速公路西環(huán)南段（咸寧至洪湖段）的跨江工程。嘉魚長江公路大橋項目路線起訖點樁號分別為K195+641、K200+301，項目工程范圍路段全長4.660 km，包括北岸引橋（北岸近堤端引橋）、主橋（跨越北岸大堤和長江通航水域）、南岸灘橋（跨越富林洲灘）、南岸跨堤橋（跨越南岸大堤）等4個橋段。嘉魚長江公路大橋（本項目）全橋橋型布置為：5×30 m（預(yù)應(yīng)力小箱梁）+[（70+85+72+73）+920+（330+100）]m（單側(cè)鋼砼混合梁斜拉橋）+[8×（6×50）+5×50]m（預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁）+（55+100+55）m（預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁）;橋梁總長4 660 m，其中主橋斜拉橋長度1 650 m。由于本工程所處地理位置的特殊性使得其自然條件極為復(fù)雜，再加上大風(fēng)天氣出現(xiàn)的較為頻繁且持續(xù)時間較長，因此若針對此種情況選擇應(yīng)用傳統(tǒng)的邊角測量法將無法完成此次的橋梁測量任務(wù)。正因如此，最終選擇應(yīng)用GPS技術(shù)以幫助實現(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用目標(biāo)。

3.2 選點布網(wǎng)

作為GPS網(wǎng)構(gòu)建的核心過程，選點的重要性毋庸置疑，也是影響布網(wǎng)效果的重要條件。由于GPS技術(shù)應(yīng)用的特殊性使得其無需關(guān)注各點位之間的通視情況，因此只需要明確基本的工程建設(shè)需求即可實現(xiàn)選點布網(wǎng)的目標(biāo)。相較傳統(tǒng)技術(shù)類型，無論是過渡點還是傳算點的測量工作量均明顯減少，測量時間縮短使得整體效率有了極大的提升。實際的選點過程中，最為關(guān)鍵的問題就是應(yīng)確保選點結(jié)果能夠與工程的基本要求相符，其也是方便接收機安裝與操作的前提條件，為后續(xù)施工進度的順利推進奠定了堅實基礎(chǔ)。

3.3 外業(yè)監(jiān)測

以此工程為例，聯(lián)系工程實際建設(shè)要求與現(xiàn)場條件后，確認(rèn)選擇應(yīng)用GPS技術(shù)，并需要設(shè)定至少18個點位，且需要構(gòu)建相應(yīng)的22座觀測墩。同時為保證橋梁數(shù)據(jù)搜集的完整性與有效性，還應(yīng)準(zhǔn)備至少8臺以上的GPS接收機以幫助更好的完成數(shù)據(jù)獲取任務(wù)。采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的進一步提升要求滿足一定的觀測條件，相隔的數(shù)據(jù)采集時間應(yīng)設(shè)定為15 s，且需要滿足以下幾個條件才能保證數(shù)據(jù)處理的有效性。包括：用于搜集數(shù)據(jù)的衛(wèi)星數(shù)量應(yīng)≥4顆、高度截止角在15°以上。表1、表2、表3是采集獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.4 數(shù)據(jù)平差計算

在三維無約束平差計算方法的使用條件下，最終所獲得的三個維度的改正數(shù)值要地域標(biāo)準(zhǔn)差值的3倍，由這一結(jié)果可以判定外業(yè)觀測獲取結(jié)果質(zhì)量較高。而在二維約束平差的計算條件下，發(fā)現(xiàn)相較標(biāo)準(zhǔn)差，基線向量與二維無約束平差改正數(shù)的結(jié)果要明顯偏小。

3.5 精度指標(biāo)分析

確定將跟蹤點作為GPS網(wǎng)坐標(biāo)分析過程中的固定點，并能夠以基線計算作為最終結(jié)果與坐標(biāo)數(shù)據(jù)的重要獲取手段。對坐標(biāo)數(shù)值進行網(wǎng)平差分析后，從實際情況來看點位的誤差僅僅為±0.64 cm。

4 結(jié)束語

綜上所述，GPS技術(shù)在橋梁測量過程中突顯出了諸多的應(yīng)用優(yōu)勢，為后續(xù)的測量環(huán)節(jié)提供了完備條件。因此，為進一步提升數(shù)據(jù)獲取精度，應(yīng)不斷完善GPS技術(shù)的應(yīng)用流程，為我國橋梁建設(shè)事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

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