GPS在路橋設計與監測中的應用研究

摘要：GPS定位技術具有全天候、精度高及速度快的特點，可以有效地避免傳統測量方法的弊端，在變形監測中被廣泛應用。了解GPS在變形監測中的應用現狀，并進一步探討其發展趨勢，是不斷提高變形監測技術應用效果的保障。

關鍵詞：GPS；路橋設計；監測

隨著GPS技術的不斷發展，其測量功能更加完善，應用面也越來越廣，操作也更簡便，這使GPS測量更實用化。在我國的路橋設計中使用GPS技術，可以減少設計成本，彌補常規傳統測量方法的不足，提高設計精度與設計效率。

一、GPS及變形監測技術概述

1、全球定位系統簡介

GPS本來是用于軍事部門的衛星導航及定位系統，以衛星為基礎，具有全天候、速度快、連續性、實時性等特點，并且GPS具有良好的保密性及抗干擾性。全球定位系統可以向全球任何一個用戶提供精度非常高的時間信息及三維坐標等技術參數，并且全天候提供，在各種變形監測中都可以得到有效應用，尤其是在大壩變形監測、橋梁變形監測、滑坡監測及礦區變形監測等特殊地區監測中得到廣泛應用。

2、變形監測技術簡介

變形監測技術在八十年代之前主要指的是常規大地測量及特殊的變形測量技術，經過近些年的發展，攝影測量技術及GPS技術成為變形監測技術中的重要組成部分。常規大地測量技術采用的工具主要是經緯儀、水準儀、全站儀及測距儀等測量儀器，利用這些儀器對點的變形值進行測量。一方面能夠對變形整體的形態進行提供，另一方面也可以用于不同的檢測精度及變形體，在不同的檢測環境中都能夠應用，以提供有效的絕對變形信息。但這一技術的作業量較大，并且受地形條件的影響，往往不能夠實現自動化監測。特殊變形測量技術包括三種，即準直測量、應變測量和傾斜測量，這種測量技術的測量過程相對比較簡單，并且可以對變形體的內部變形進行檢測，以有效地實現監測的自動化，但提供的變形信息比較局限，一般只能夠對相對變形信息進行提供。

攝影測量技術主要包括地面攝影測量技術及航空攝影測量技術兩種。攝影測量技術可以瞬間記錄被攝影物體的信息，在不規則及不可接觸體的變形監測中具有獨特優勢，并且這一技術獲取的信息可以長久保存，具有客觀性，監測工作簡便且比較安全。但攝影測量技術的攝影距離較近，對儀器設備的要求較高，因此應用并不廣泛。GPS技術的應用則對其它變形監測技術的缺點給予了很好的彌補，近些年已經被廣泛應用，并收到了良好的效果。

二、GPS在變形監測中的應用

GPS技術在應用于特大橋梁的控制測量中，可構成較好的網形，能提高定位精度，同時對檢測傳統常規測量的支點也非常的有效。例如首先用傳統常規測量方法建立高精度的邊角網，然后利用GPS對該邊角網進行檢測，GPS的檢測網可達毫米級精度，比傳統常規的精度網的效果要好。

1、GPS在變形監測中的應用特點

GPS在變形監測中的應用具有以下幾個特點：第一，在變形監測中運用GPS無需保持通視，傳統的方法需要點之間保持通視才能夠進行觀測，而GPS僅僅需要保證測站上空開闊便可；第二，GPS可以同時提供監測點的三維位移信息，如果用傳統的方法則需要將平面位移和垂直位移進行分開監測，不但周期長，而且工作量極大；第三，全天候監測，GPS沒有氣候條件的限制，可以實現長期全天候觀測；第四，GPS的監測精度非常高，可以提供1×10-6的監測精度；第五，GPS的監測操作簡單，很容易實現監測的自動化。

2、GPS在變形監測中的應用方案

變形監測的作業及監測模式主要有三種，即周期性重復測量、實時動態監測及固定連續GPS測站陣列。在應用GPS進行變形監測時，要根據國家的相關的規定進行變形監測等級的劃分，明確變形監測的相關參數要求。監測中的方案主要有以下幾個：第一，可以用多臺GPS機進行同步觀測，最好在每個觀測點都安置GPS機，做到每點一機同步觀測；第二，如果進行多期觀測，則要做到每期觀測時GPS接收機臺數及接收機的型號相同；第三，在進行觀測時，要選擇最佳的衛星分布，并且在衛星較多的時段進行觀測；第四，基準點與變形點間的距離及基準點都不能夠超過五千米。

3、GPS在變形監測中應用的作業方式

GPS在變形監測中應用的作業方式主要有兩種，即周期性和連續性。周期性變形監測大致與傳統的變形監測相似，變形體的變形相對非常緩慢，因而變形監測的周期相對較長，這種監測方式的基準選擇及確定非常關鍵。連續性變形監測則指的是利用監測儀器對數據進行長時間的采集，從而獲得數據序列。這種監測方式所獲取的數據具有一定的連續性，且分辨率較強，在數據的解算及分析方面具有較高的要求。

4、GPS在變形監測中的應用誤差

GPS在變形監測中會存在一定的誤差，誤差的存在勢必會對觀測的精度有影響，按誤差的性質可以將監測中的誤差分為兩大類，即系統誤差及偶然誤差。按誤差來源分類，GPS測量誤差則主要分為與GPS衛星有關的誤差、與信號傳播相關的誤差，及與接收設備有關的誤差。系統誤差主要有衛星軌道誤差、電離層折射誤差、對流層折射誤差、接收機鐘差等。偶然誤差則主要是多路徑效應引起的誤差及測量觀測誤差等。如果出現系統誤差，主要通過在數據處理的數學模型中引入未知參數，以及運用監理系統誤差模型計算該證書及同步觀測數據求差等方法，來消除影響。若出現偶然誤差，則可以通過增加觀測系數、完善觀測條件和調整觀測時間等途徑對其影響進行減弱。

5、GPS在橋梁設計中的應用

1）GPS靜態相對定位在橋梁設計中的應用

GPS靜態相對定位的一般方法，就是將1臺GPS接收機安置在已知坐標的地面點上；另1臺或多臺GPS接收機安置在未知坐標的地面點上，并保持各接收機固定不動，同步連續觀測相同的GPS衛星星座，用以求得未知點相對于已知點的坐標增量，從而由已知點坐標，推求各未知點坐標的方法。由于進行連續觀測，取得了充分的多余觀測量，因而可獲得非常高的定位精度。GPS靜態相對定位是一種較為經典的精密定位模式，與傳統的測量方法相比，具有效率高、精度高與成本低等優點，因此，GPS被廣泛應用于各種橋梁工程的平面控制測量與變形監測工作中。近年來，GPS相對靜態定位測量與快速靜態相對定位測量技術，也在特大型跨海橋梁工程設計與施工測量定位中發揮著重要作用，成功的解決了以前傳統測量技術無法完成的長距離施工測量精確定位技術難題。

2）GPS動態相對定位在橋梁設計中的應用

所謂GPS動態相對定位，就是將一臺GPS接收機安置于已知坐標的同定觀測站上，并同步觀測相同的衛星；基準接收機將瞬時觀測量與由基準站已知坐標求得的相應結果進行比較，得出瞬時校正值，并用該瞬時校正值改正流動接收機的瞬時觀測培，從而求得流動站乃相對于基準站五的瞬時位置。GPS動態相對定位精度可達±1m。在橋梁工程中，GPS動態相對定位技術與數字回聲測深技術相結合，可以快速和高品質的完成內江湖泊水下地形圖測繪工作，以解決傳統測量手段幾乎不可能完成的大型跨海橋址水下地形圖測繪，并充分實現內部和外業測量自動化和成果數字化。據估計，利用GPS技術比傳統的前方交會定位方法，可以降低成本和提高效率三倍以上。

3）GPS-RTK定位在橋梁設計中的應用

GPS-RTK定位是基于載波相位測量的動態相對定位方法。隨著快速確定整周未知數方法的進步，已發展成為一種實時的、高精度的動態相對定位技術測量系統。它采用了載波相位動態實時差分的方法，是近年來GPS技術的一種新突破，它的出現為橋梁設計工程帶來了新的血液，可以極大提高了外業作業效率。

結語

GPS定位技術所有具有的高精度、實時工作性與較好的發展潛力引起測繪工作者的極大興趣。隨著GPS測量理論與設備的不斷發展，使得GPS測量技術日趨完善。GPS定位系統以其獨特的優勢被廣泛應用于變形監測中，取得了良好的監測效果。本文分析了GPS在變形監測中的應用現狀，并進一步探討了變形監測中GPS的發展趨勢，對監測效果的保障等具有重大的意義。

參考文獻：

[1]代波。關于GPS在變形監測中的應用研究[J].科技創新與應用，2014

[2]李峰。GPS技術在變形監測中的應用[J].建筑經濟，2009