淺談GPS- RTK 技術(shù)在橋梁監(jiān)測中的應(yīng)用

陳世昌 唐 彪 劉 歡

（1、重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶401331 2、重慶科技學(xué)院工商管理學(xué)院，重慶401331）

GPS 是全球定位系統(tǒng)，是由美國國防的基于無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)前GPS 給全球很多領(lǐng)域帶來了很多信息化時(shí)代的便利，可以全天候，進(jìn)行測速和定位，但是由于僅僅依靠GPS 不足之處是會(huì)出現(xiàn)定位精度差，誤差可能會(huì)達(dá)到十幾米，所以引入RTK 技術(shù)，使得GPS 技術(shù)得到了新的突破，RTX 的是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量，是一種差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，采集數(shù)據(jù)差分信息動(dòng)態(tài)的從基準(zhǔn)站傳送到流動(dòng)站。GPS 可以在上千公里的控制網(wǎng)內(nèi)精確到百米甚至毫米的定位。

通過對(duì)橋梁采用GPS-RTK 動(dòng)態(tài)檢測，可以實(shí)時(shí)的檢測和評(píng)估橋梁的穩(wěn)定性、可靠性以及橋梁受損情況的信息。在橋梁修建完成的使用過程中，難免會(huì)受到惡劣環(huán)境和外界條件的破壞，比如地震、臺(tái)風(fēng)、洪災(zāi)以及超載的現(xiàn)象，會(huì)使得橋梁產(chǎn)生位移和震動(dòng)導(dǎo)致橋梁的倒塌。所以通過GPS-RTK 動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)，可以迅速的發(fā)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)存在的缺陷，還可以針對(duì)橋梁的損傷情況，事后的運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行正常使用壽命評(píng)估等，在對(duì)于橋梁的安全保障具有重大的意義。

1 橋梁動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展

橋梁的安全動(dòng)態(tài)監(jiān)控一般是通過對(duì)橋梁在外界因素比如風(fēng)力、地震以及荷載的作用之下，產(chǎn)生的位移變化為特征進(jìn)行的安全評(píng)估和剩余壽命的評(píng)估。以往橋梁監(jiān)測技術(shù)具有局限性，因?yàn)橹饕捎玫氖羌铀俣扔?jì)法、全站儀法等來測量橋梁的震動(dòng)和位移。這種方法的不足之處是當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的位移值較小時(shí)，不容易獲得橋梁震動(dòng)當(dāng)?shù)卣穹Ｈ緝x法會(huì)受到自然環(huán)境的影響，同時(shí)這些方法對(duì)于小型橋梁可以達(dá)到檢測目的，但是對(duì)于大型橋梁的動(dòng)態(tài)監(jiān)控難以實(shí)現(xiàn)。所以傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)存在很多局限性，如法滿足當(dāng)今橋梁的使用。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，GPS 技術(shù)在橋梁動(dòng)態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用，GPS 技術(shù)具有準(zhǔn)確度高、體積小、反應(yīng)迅速等特點(diǎn)。[1]當(dāng)前GPS-RTK 對(duì)橋梁的動(dòng)態(tài)檢測方面深受人們青睞，主要優(yōu)勢有其不受到天氣環(huán)境的影響，尤其是GPS-RTK 技術(shù)能夠以很高的頻率和很高的精度實(shí)時(shí)監(jiān)控測量很多個(gè)地理坐標(biāo)，這個(gè)中技術(shù)對(duì)于大型的橋梁中尤其是在外界環(huán)境惡劣的情況之下，任然能夠保持很高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。GPS-RTK 技術(shù)提高了結(jié)構(gòu)測量的效率，創(chuàng)造了很高的經(jīng)濟(jì)效益。

2 GPS-RTK 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

2.1 擁有高的精確度。因?yàn)檎`差極小，只要滿足基本的作業(yè)條件，一般情況下RTK 技術(shù)的水平精度可高達(dá)1 厘米，高程方向上的精度可達(dá)到2 厘米。

2.2 工作效率高。一次性可以測直徑為8 公里的范圍，和以往的技術(shù)相比，降低了測量儀器的搬運(yùn)次數(shù)，而是只需要一個(gè)人的操作，通過電磁波幾秒就可以獲得一個(gè)坐標(biāo)，提高了勞動(dòng)效率，降低了人工成本。一般情況可以提高三倍的作業(yè)效率。

2.3 降低作業(yè)條件。GPS-RTK 技術(shù)僅僅需要兩點(diǎn)的“電磁波通視”，不需要兩點(diǎn)光學(xué)通視，一些大型的橋梁的檢測時(shí)候，受到能見度、氣候、季節(jié)的影響時(shí)，無法做到兩邊通透的要求，這個(gè)時(shí)候GPS-RTK 可以不受到這些條件的限制，尤其是在一些山區(qū)地形復(fù)雜地區(qū)，使用傳統(tǒng)的測量方式非常困難，GPS-RTK 就體現(xiàn)出他的優(yōu)越性。

2.4 全自動(dòng)化和智能化。全過程智能化處理，數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理，簡單快捷。通過軟件控制，不用人工進(jìn)行操作可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化完成任務(wù)，數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)，然后分析處理，大大降低了認(rèn)為誤差，保證了測量精度。

3 GPS-RTK 動(dòng)態(tài)檢測技術(shù)

3.1 動(dòng)態(tài)監(jiān)測原理介紹。GPS-RTK 動(dòng)態(tài)檢測技術(shù)就是一種可以實(shí)時(shí)的得到指定三維坐標(biāo)的全球定位系統(tǒng)的測量方法，當(dāng)前在定位、導(dǎo)航、監(jiān)控工程的結(jié)構(gòu)變形方面運(yùn)用尤為廣泛。GPS是通過接受多個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)來測量兩點(diǎn)之間的距離長短。原理是通過安裝一臺(tái)接收機(jī)在一個(gè)特定的點(diǎn)上，該點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，然后在待測定的點(diǎn)上安裝GPS 接收機(jī)，可以增加載波相位提高精確度。[2]然后通過所收到的GPS 信息包括距離、相位測量值等，運(yùn)用數(shù)據(jù)通信鏈的方式比如光纜傳送到固定的檢測點(diǎn)，然后固定的監(jiān)測點(diǎn)通過自動(dòng)的技術(shù)分析得到準(zhǔn)確的定位結(jié)果的目的。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成。當(dāng)前國內(nèi)外很多橋梁都采用了RTK-GSP 橋梁動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)，比如日本凱越大橋、中國虎門大橋、英國亨伯大橋等。檢測的系統(tǒng)主要包括監(jiān)測站、GPS 基準(zhǔn)站和監(jiān)測控制中心。因?yàn)闅夂蛟蚝蛙壍榔顚?duì)分差GPS 影響，隨著監(jiān)測站和基準(zhǔn)站之間距離長短變化，所以橋梁到基準(zhǔn)點(diǎn)的應(yīng)該在有效范圍之內(nèi)。同時(shí)，確保在基準(zhǔn)點(diǎn)的斜上角沒有遮擋物和反射物。監(jiān)測點(diǎn)的布置應(yīng)該設(shè)置在結(jié)構(gòu)變形大的位置，比如跨中1/2 處或者橋頂部。[3]接收機(jī)可以收到所有的衛(wèi)星信號(hào)，運(yùn)用使用光纜通訊系統(tǒng)，通過1Hz 的監(jiān)測速率可以做到實(shí)時(shí)的做到讓接收機(jī)收到衛(wèi)星發(fā)來的及時(shí)信息。收到從衛(wèi)星發(fā)來的信號(hào)和信息通過監(jiān)測站運(yùn)用技術(shù)分析，這樣活的三維坐標(biāo)同時(shí)也將信息發(fā)送給控制中心。然后，控制中心通過相關(guān)軟件技術(shù)的分析，從而獲得橋梁結(jié)構(gòu)上的縱橫向以及垂直方向位移等數(shù)據(jù)。每次的監(jiān)測結(jié)果保存在基準(zhǔn)站，通過大量的信息對(duì)比技術(shù)，實(shí)時(shí)的監(jiān)控分析獲得橋梁的健康評(píng)估報(bào)告。

3.3 監(jiān)測體系數(shù)據(jù)處理分析。監(jiān)測體系可以得到縱橫向和垂直向的位移，通過與周圍環(huán)境的風(fēng)速、溫度以及橋梁本身承受的荷載等參數(shù)，分別分析位移與風(fēng)速、溫度和橋梁承受荷載的關(guān)系。在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)控的過程當(dāng)中，通過設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)分析得到橋梁坐標(biāo)的變化情況，風(fēng)速對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響情況以及溫度對(duì)橋梁的影響情況，以及最后做出橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)評(píng)估。其中分析的結(jié)果可以監(jiān)控到溫度效應(yīng)，交通荷載效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力效應(yīng)。一般情況下，X 軸表示橋梁的縱向坐標(biāo)，Z表示橋梁垂直坐標(biāo)，Y 軸通過右手法則可以測的。橋梁結(jié)構(gòu)的振幅和頻率由監(jiān)測點(diǎn)的位移曲線獲得。運(yùn)用博立葉變換進(jìn)行頻譜的分析從而獲得監(jiān)測點(diǎn)的功率曲線，然后通過與不同時(shí)間的曲線比較，最終評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的健康情況。監(jiān)測體系可以記錄下溫度變化、風(fēng)荷載等作用下的結(jié)構(gòu)位移變化情況，通過收集大量數(shù)據(jù)分析，獲得荷載作用下的振動(dòng)頻譜，然后對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全進(jìn)行分析。監(jiān)測體系的所得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)很多，通過從監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取有針對(duì)性和可靠性的數(shù)據(jù)是在監(jiān)測體系數(shù)據(jù)處理中非常重要的過程。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理和可視化。因?yàn)闃蛄旱谋O(jiān)控是一個(gè)持續(xù)性、長久性的監(jiān)控體系，如果僅僅依靠每次的數(shù)據(jù)來進(jìn)行評(píng)估橋梁的健康情況顯得有些復(fù)雜，任務(wù)量巨大，往往以前的監(jiān)測技術(shù)就是因?yàn)檫@一點(diǎn)很難得到長遠(yuǎn)的使用。所以，可視化的作用就是通過監(jiān)測站得到的數(shù)據(jù)運(yùn)用顯示器進(jìn)行圖像化展現(xiàn)在人們面前，能夠更加直接、快捷的做出判斷，具有直觀性。監(jiān)控的數(shù)據(jù)可視化可以清晰的看到橋梁實(shí)時(shí)情況的動(dòng)態(tài)狀況，因此橋梁檢測的可視化是監(jiān)測中不可或缺的一部分。在不同的監(jiān)測狀態(tài)下進(jìn)行不同的可視化。在實(shí)際運(yùn)用中，最為廣泛的的可視化在結(jié)構(gòu)監(jiān)測點(diǎn)上的三維方向上的位移，以及橋的表面的實(shí)時(shí)的位移。同時(shí)，還包括動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)溫度與位移的變化曲線圖等等。

4 結(jié)論

GPS-RTK 技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測技術(shù)的不足，他擺脫了惡劣自然條件的限制以及影響，可以全天候的對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和評(píng)估，所檢測的精度高、誤差低，時(shí)效快。當(dāng)在多個(gè)點(diǎn)的同步監(jiān)控的時(shí)候，運(yùn)用GPS 定位測量技術(shù)可以快速的獲得定位點(diǎn)三維坐標(biāo)，該方法受自然影響小、采集數(shù)據(jù)快和自動(dòng)化。所以對(duì)于橋梁長期處于高強(qiáng)度運(yùn)載中進(jìn)行橋梁的評(píng)估，這種技術(shù)對(duì)于檢測當(dāng)代橋梁的受損情況非常重要。通過運(yùn)用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以獲得大量的橋梁檢測數(shù)據(jù)，通過固定時(shí)間內(nèi)的檢測數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)庫，方便后期隨時(shí)進(jìn)行訪問、回復(fù)和處理功能。可視化技術(shù)能夠更加直接看見橋梁結(jié)構(gòu)的位移狀況和結(jié)構(gòu)整體的位移，當(dāng)前GPS-RTK 技術(shù)在國內(nèi)外越來越多的橋梁監(jiān)測中得到了廣泛的運(yùn)用。