GPS在路橋設(shè)計與監(jiān)測中的應(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，可以有效地避免傳統(tǒng)測量方法的弊端，在變形監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用。了解GPS在變形監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并進一步探討其發(fā)展趨勢，是不斷提高變形監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用效果的保障。

關(guān)鍵詞：GPS；路橋設(shè)計；監(jiān)測

隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，其測量功能更加完善，應(yīng)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(shè)計中使用GPS技術(shù)，可以減少設(shè)計成本，彌補常規(guī)傳統(tǒng)測量方法的不足，提高設(shè)計精度與設(shè)計效率。

一、GPS及變形監(jiān)測技術(shù)概述

1、全球定位系統(tǒng)簡介

GPS本來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(tǒng)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(shù)參數(shù)，并且全天候提供，在各種變形監(jiān)測中都可以得到有效應(yīng)用，尤其是在大壩變形監(jiān)測、橋梁變形監(jiān)測、滑坡監(jiān)測及礦區(qū)變形監(jiān)測等特殊地區(qū)監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。

2、變形監(jiān)測技術(shù)簡介

變形監(jiān)測技術(shù)在八十年代之前主要指的是常規(guī)大地測量及特殊的變形測量技術(shù)，經(jīng)過近些年的發(fā)展，攝影測量技術(shù)及GPS技術(shù)成為變形監(jiān)測技術(shù)中的重要組成部分。常規(guī)大地測量技術(shù)采用的工具主要是經(jīng)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?qū)ψ冃握w的形態(tài)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(huán)境中都能夠應(yīng)用，以提供有效的絕對變形信息。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)自動化監(jiān)測。特殊變形測量技術(shù)包括三種，即準直測量、應(yīng)變測量和傾斜測量，這種測量技術(shù)的測量過程相對比較簡單，并且可以對變形體的內(nèi)部變形進行檢測，以有效地實現(xiàn)監(jiān)測的自動化，但提供的變形信息比較局限，一般只能夠?qū)ο鄬ψ冃涡畔⑦M行提供。

攝影測量技術(shù)主要包括地面攝影測量技術(shù)及航空攝影測量技術(shù)兩種。攝影測量技術(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)測中具有獨特優(yōu)勢，并且這一技術(shù)獲取的信息可以長久保存，具有客觀性，監(jiān)測工作簡便且比較安全。但攝影測量技術(shù)的攝影距離較近，對儀器設(shè)備的要求較高，因此應(yīng)用并不廣泛。GPS技術(shù)的應(yīng)用則對其它變形監(jiān)測技術(shù)的缺點給予了很好的彌補，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)測中的應(yīng)用

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

1、GPS在變形監(jiān)測中的應(yīng)用特點

GPS在變形監(jiān)測中的應(yīng)用具有以下幾個特點：第一，在變形監(jiān)測中運用GPS無需保持通視，傳統(tǒng)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(jiān)測點的三維位移信息，如果用傳統(tǒng)的方法則需要將平面位移和垂直位移進行分開監(jiān)測，不但周期長，而且工作量極大；第三，全天候監(jiān)測，GPS沒有氣候條件的限制，可以實現(xiàn)長期全天候觀測；第四，GPS的監(jiān)測精度非常高，可以提供1×10-6的監(jiān)測精度；第五，GPS的監(jiān)測操作簡單，很容易實現(xiàn)監(jiān)測的自動化。

2、GPS在變形監(jiān)測中的應(yīng)用方案

變形監(jiān)測的作業(yè)及監(jiān)測模式主要有三種，即周期性重復(fù)測量、實時動態(tài)監(jiān)測及固定連續(xù)GPS測站陣列。在應(yīng)用GPS進行變形監(jiān)測時，要根據(jù)國家的相關(guān)的規(guī)定進行變形監(jiān)測等級的劃分，明確變形監(jiān)測的相關(guān)參數(shù)要求。監(jiān)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(shù)及接收機的型號相同；第三，在進行觀測時，要選擇最佳的衛(wèi)星分布，并且在衛(wèi)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(jiān)測中應(yīng)用的作業(yè)方式

GPS在變形監(jiān)測中應(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)測大致與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測相似，變形體的變形相對非常緩慢，因而變形監(jiān)測的周期相對較長，這種監(jiān)測方式的基準選擇及確定非常關(guān)鍵。連續(xù)性變形監(jiān)測則指的是利用監(jiān)測儀器對數(shù)據(jù)進行長時間的采集，從而獲得數(shù)據(jù)序列。這種監(jiān)測方式所獲取的數(shù)據(jù)具有一定的連續(xù)性，且分辨率較強，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)測中的應(yīng)用誤差

GPS在變形監(jiān)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(zhì)可以將監(jiān)測中的誤差分為兩大類，即系統(tǒng)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(wèi)星有關(guān)的誤差、與信號傳播相關(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(yīng)引起的誤差及測量觀測誤差等。如果出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，主要通過在數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型中引入未知參數(shù)，以及運用監(jiān)理系統(tǒng)誤差模型計算該證書及同步觀測數(shù)據(jù)求差等方法，來消除影響。若出現(xiàn)偶然誤差，則可以通過增加觀測系數(shù)、完善觀測條件和調(diào)整觀測時間等途徑對其影響進行減弱。

5、GPS在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用

1）GPS靜態(tài)相對定位在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用

GPS靜態(tài)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(xù)觀測相同的GPS衛(wèi)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(xù)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(tài)相對定位是一種較為經(jīng)典的精密定位模式，與傳統(tǒng)的測量方法相比，具有效率高、精度高與成本低等優(yōu)點，因此，GPS被廣泛應(yīng)用于各種橋梁工程的平面控制測量與變形監(jiān)測工作中。近年來，GPS相對靜態(tài)定位測量與快速靜態(tài)相對定位測量技術(shù)，也在特大型跨海橋梁工程設(shè)計與施工測量定位中發(fā)揮著重要作用，成功的解決了以前傳統(tǒng)測量技術(shù)無法完成的長距離施工測量精確定位技術(shù)難題。

2）GPS動態(tài)相對定位在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用

所謂GPS動態(tài)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(wèi)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(yīng)結(jié)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(tài)相對定位精度可達±1m。在橋梁工程中，GPS動態(tài)相對定位技術(shù)與數(shù)字回聲測深技術(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繪工作，以解決傳統(tǒng)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(xiàn)內(nèi)部和外業(yè)測量自動化和成果數(shù)字化。據(jù)估計，利用GPS技術(shù)比傳統(tǒng)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(shè)計中的應(yīng)用

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

結(jié)語

GPS定位技術(shù)所有具有的高精度、實時工作性與較好的發(fā)展?jié)摿σ饻y繪工作者的極大興趣。隨著GPS測量理論與設(shè)備的不斷發(fā)展，使得GPS測量技術(shù)日趨完善。GPS定位系統(tǒng)以其獨特的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測中，取得了良好的監(jiān)測效果。本文分析了GPS在變形監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并進一步探討了變形監(jiān)測中GPS的發(fā)展趨勢，對監(jiān)測效果的保障等具有重大的意義。

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