GPS技術在大型橋梁測量控制中應用探討

陳尚乾

摘 要：橋梁是我國交通運輸體系中極為重要的部分，經濟的進步與發展使得無論是橋梁的建設數量還是建設水平相較以往均有了明顯提升。而為保證建設過程中各項基礎數據的獲取準確性，就應提高對測量環節的重視，聯合所在區域的地勢與橋梁的跨江跨海需求以保證最終的橋梁建設效果。從實際情況來看，GPS技術在被應用在橋梁建設測量環節后，數據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技術原理以及具體的應用過程。

關鍵詞：GPS技術;大型橋梁;測量控制;現狀;原理與應用

中圖分類號：U442 文獻標識碼：A

0 引言

經濟的進步為社會的持續發展注入了新的動力，人們的生活質量相較以往也有了明顯提升。為滿足經濟發展與人們的出行需求，大型橋梁的數量也在逐漸增多，部分大型橋梁由于其包含結構較多且工藝較為復雜的原因，使得想要選擇應用一般的測量控制手段將無法滿足實際的建設數據需求。GPS技術作為新時代發展過程中的重要技術類型，在融入橋梁測量控制環節后突顯出了諸多的應用優勢，現如今已經成為了不可或缺的橋梁各個結構數據的測量手段，具有極為重要的現實應用地位。

1 國內外GPS技術的研究現狀

GPS技術簡單來說就是在衛星的幫助下根據導航與定位等信息測定距離，隨著技術的不斷成熟使得其在多個方面均表現出了極為突出的應用優勢。對于橋梁測量工作來說，由于其結構的特殊性使得傳統測量技術已經無法滿足其對數據精準性的要求，繼而給予了GPS技術大范圍的應用在測量過程中的機會，其優勢主要體現在以下兩點：第一是能夠在靜態條件下完成準確的定位任務，繼而能夠解決由于距離過長所導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動態測量目標。因此，無論是在靜態還是動態條件下，GPS技術的應用均能夠保證獲取數據的精準性與及時性。

國外的GPS技術由于發展時間較早使得其在橋梁測量環節已經表現的較為成熟，且在積累大量實踐測量經驗的基礎上不斷獲得完善機會，其應用效果也隨著時間的推移而持續提升[2]。以斯坦福粒子加速器測量環節為例，為滿足這一工程的測量需求，技術人員充分利用了GPS技術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，無論是工程建設質量還是整體的施工進度，相較傳統測量方式均有明顯提升。

我國由于發展較晚使得GPS技術在并不發達的科技條件下遲遲無法大規模的普及，與其他發達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技術發展速度極快，不斷趨于完善的技術流程使得其被頻繁應用于橋梁測量過程中，在提升建設效率與質量的基礎上，也積累了大量的實踐測量經驗，為徹底摒棄傳統測量技術、為更多行業領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用GPS技術時經常用到的測量方式，應以GPS為核心構建完善的城市測量控制網絡以提高測量效果。以我國某城市建設的大型橋梁工程為例，GPS技術充分發揮了其應用優勢，為一系列測量工作的穩定且持續的推進奠定了基礎。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，提升建設效率的同時也有效保證了獲取到的測量數據的準確性。

2 GPS技術原理與橋梁測量原理

2.1 GPS技術定位原理

GPS在我們的日常生活中出現的頻率并不低，在聽到這一名詞后人們會經常性的將其與導航功能聯系起來，是實現導航的基礎技術類型。GPS技術的全稱為全球定位系統，而想要實現這一系統應用效果的前提就是衛星導航的定時與定位，以達到準確測量時間與距離的目的[3]。全球定位系統功能的充分發揮不僅在于其維持高強度的工作狀態與精確度極高的定位能力，更為關鍵的是應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用優勢。也正是由于其在實際應用過程中所突顯出的各類優勢，使得該類技術在融入至橋梁測量環節后表現出了極佳的應用效果，從根本上提升了其整體的建設質量。

2.2 橋梁測量過程中融入GPS技術的原理

能否保證數據測量的準確性決定了橋梁的最終建設質量，也是保證橋梁應用效果的關鍵因素。相較傳統的橋梁測量技術，GPS技術的應用為全天候的實時采集周邊環境與結構建設信息提供了完備條件，也是及時發現數據異常的關鍵因素。不僅如此，簡便的技術應用流程也讓操作人員能夠更為方便的使用此類技術，降低了數據采集與分析的失誤率，實現了數據采集的高效率與低成本的技術應用目標，奠定了GPS技術更好地融入橋梁測量過程并充分發揮其應用效果的重要基礎。

2.2.1 GPS數據處理

數據采集與后續的處理分析是橋梁測量控制環節應重點關注的過程，決定著最終的橋梁建設質量與功能效果。由于GPS技術的特殊性，使得其能夠在融入橋梁測量環節后充分發揮其高精度的數據獲取優勢，且能夠保證數據采集的時效性。在利用GPS技術處理數據時，針對的處理對象一般為GPS接收機在現場施工環境下所接收到的一系列的數據。但由于不同的接收機在存儲搜集到的數據時必須依照廠家規定的數據存儲模式進行轉化，那么在數據觀測環節時所應用接收機類型不一致的情況，使得采集到的數據格式也存在著諸多不同，在這種情況下將無法選擇應用同種數據處理軟件對數據進行整理與分析，數據處理環節表現出了諸多的不便之處。因此，為保證數據的處理統一性，就應在數據處理環節將其應用格式進行轉換，保證數據格式的統一性。另外需要選擇合適的軟件利用已經搜集完畢的信息進行基線解算，確認數據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網平差

對于GPS技術的應用流程來說，雖然能夠通過構建GPS控制網絡隨時獲取到實時的時間與距離的測量信息，但該類網絡的構建仍需要設定基準。簡單來說，GPS網的基準就是尺度、方向以及位置三方面組成的符合現場測量條件的基礎數據，并在這一數據的基礎上聯系GPS網的整體平差值即可得出最終的GPS網基準數據。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揮出GPS技術的應用優勢所需求的GPS網的網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據，并需要以特定參照系為基礎依據轉換特點對數據進行換算，為獲取到指定點的坐標提供基礎條件。但在這一環節需要重點關注的是，網平差數據的獲取不僅需要注意GPS網的應用環境，也應在計算過程中融入邊長與方位兩部分的起算點數據。且需要在網平差任務完成后，對所獲取到的數據進行核驗，只有保證其應用效果才能將其投入到實際的測量過程中，繼而發揮其應用優勢。

2.2.3 GPS選點與觀測方案的制定

傳統測量技術在應用至橋梁測量環節時，特別注意強調各點位之間的通視，但由于GPS的諸多應用優勢使得其無需維持點與點之間的通視狀態。再加上GPS網組建完畢后其整體結構在應用時表現出了較為靈活的應用特點，因此想要推進后續的選點環節較為簡單，省去了較多的不必要的繁瑣程序繼而達到了測量效率的提升目的。但在實際的選點過程中應對周邊的其他因素進行綜合考慮與深入分析，包括現場地質環境、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確性與合理性。選點環節需要注意不要靠近一些本身將會釋放大量電磁波的裝置，例如雷達或信號天線等，以最大限度的將由于外界環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技術的具體應用

3.1 工程概述

嘉魚長江公路大橋是武漢城市圈環線高速公路西環南段（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（預應力小箱梁）+[（70+85+72+73）+920+（330+100）]m（單側鋼砼混合梁斜拉橋）+[8×（6×50）+5×50]m（預應力連續梁）+（55+100+55）m（預應力連續梁）;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雜，再加上大風天氣出現的較為頻繁且持續時間較長，因此若針對此種情況選擇應用傳統的邊角測量法將無法完成此次的橋梁測量任務。正因如此，最終選擇應用GPS技術以幫助實現技術的應用目標。

3.2 選點布網

作為GPS網構建的核心過程，選點的重要性毋庸置疑，也是影響布網效果的重要條件。由于GPS技術應用的特殊性使得其無需關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需求即可實現選點布網的目標。相較傳統技術類型，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，最為關鍵的問題就是應確保選點結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，為后續施工進度的順利推進奠定了堅實基礎。

3.3 外業監測

以此工程為例，聯系工程實際建設要求與現場條件后，確認選擇應用GPS技術，并需要設定至少18個點位，且需要構建相應的22座觀測墩。同時為保證橋梁數據搜集的完整性與有效性，還應準備至少8臺以上的GPS接收機以幫助更好的完成數據獲取任務。采集數據準確性的進一步提升要求滿足一定的觀測條件，相隔的數據采集時間應設定為15 s，且需要滿足以下幾個條件才能保證數據處理的有效性。包括：用于搜集數據的衛星數量應≥4顆、高度截止角在15°以上。表1、表2、表3是采集獲得的數據結果。

3.4 數據平差計算

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值要地域標準差值的3倍，由這一結果可以判定外業觀測獲取結果質量較高。而在二維約束平差的計算條件下，發現相較標準差，基線向量與二維無約束平差改正數的結果要明顯偏小。

3.5 精度指標分析

確定將跟蹤點作為GPS網坐標分析過程中的固定點，并能夠以基線計算作為最終結果與坐標數據的重要獲取手段。對坐標數值進行網平差分析后，從實際情況來看點位的誤差僅僅為±0.64 cm。

4 結束語

綜上所述，GPS技術在橋梁測量過程中突顯出了諸多的應用優勢，為后續的測量環節提供了完備條件。因此，為進一步提升數據獲取精度，應不斷完善GPS技術的應用流程，為我國橋梁建設事業的可持續發展奠定堅實的基礎。

參考文獻：

[1]王琿.GPS定位技術在土木工程測量中的應用[J].中國設備工程，2019，35（13）：208-210.

[2]劉洋.某橋梁健康監測安全預警指標研究[D].廣州大學，2019.

[3]王守越.GNSS動靜態組合測量技術在橋梁變形監測中的應用研究[D].西南交通大學，2019.