GPS在橋梁檢測方面的應用

隨著社會經濟和科學技術的快速發展，造橋技術不斷進步，橋梁結構逐步向輕巧、纖細方面發展。與此同時橋梁的載重、跨徑和橋面寬度不斷增長，結構型式不斷變化。傳統的變形監測手段越來越不能滿足變形監測要求，這就迫切需要性能更可靠的設備來監測大橋的形變。目前，隨著GPS技術的不斷成熟，GPS自動化監測系統已經在橋梁、建筑、地震、大壩等行業中應用并取得很好的效益。GPS自動化監測系統儀器以其卓越的性能受到專家的好評。

1.GPS的主流觀測方法-RTK技術

從國內外的有關研究和應用可以看出GPS是一個非常有效的橋梁監測技術，GPS與其它傳感器結合用于橋梁健康監測已形成了趨勢。它的觀測方法主要分為兩個流派：單基站RTK模式和控制中心實時統一解算模式。目前單基站RTK模式的GPS監測方法在橋梁監測中的常見精度為1-3cm，數據采樣頻率一般為1Hz。

RTK測量技術集合了GPS衛星定位、快速解算、數據無線傳輸、快速跟蹤等多項先進技術，被廣泛應用于許多個領域，像鐵路、公路、建筑、水利、石油等，主要因為其測量模式和測量速度、精度比以往的測量方式有了很大的變革。

(1)RTK概述

RTK(Real  Time  Kinematic)技術是GPS實時載波相位差分的簡稱。這是一種將GPS與數傳技術相結合，實時解算并進行數據處理，在1～2s時間內得到高精度位置信息的技術。

(2)RTK的工作原理

實時動態定位(RTK)系統由基準站和流動站組成，建立無線數據通訊是實時動態測量的保證，其原理是取點位精度較高的首級控制點作為基準點，安置一臺接收機作為參考站，對衛星進行連續觀測，流動站上的接收機在接收衛星信號的同時，通過無線電傳輸設備接收基準站上的觀測數據，隨機計算機根據相對定位的原理實時計算顯示出流動站的三維坐標和測量精度。這樣我們就可以實時監測待測點的數據觀測質量和基線解算結果的收斂情況，根據待測點的精度指標，確定觀測時間，從而減少冗余觀測提高工作效率。

(3)提高工作效率VRS系統的應用

高精度實時動態(RTK)GPS定位已經在測量和工程界產生了重大變革，帶來了空前的高效率。但直到現在，用RTK系統來進行高精度的測量作業，還意味著你必須首先在測區附近建立一個控制點，然后在該控制點上架設參考站。但目前隨著技術的日益成熟和改進，虛擬參考站VRS系統的誕生使得進入測區內的任何一點就能立即開始GPS測量而無需架設參考站的設想得以實現。

這種全新的RTK定位方法從根本上提高了作業效率和測量的質量。它不再要求建立參考站，從而節省了測量時問，也省去了購買另一臺參考站接收機的費用。在VRS網內，等于已經建立了公用的控制點，因此不用擔心不精確的控制點所產生的誤差傳播。而且接收機初始化會更快，也可以確信在得到結果之前所有的數據都進行了嚴格的質量檢查。可以說VRS系統的產生極大地方便了RTK的測量。

2.GPS模塊應用于橋梁變形動態檢測

2.1基于GPS的橋梁形變動態檢測

橋梁在設計時需要考慮對外力具有一定的抵制能力，如風力、交通、溫度、潮汐以及一些不可預知的載荷，如地震、洪水及臺風。這些外力因素是橋梁在設計階段和運營階段需要考慮的主要因素。不像橋梁基礎沉降很容易利用常規測量儀器測量，橋梁的動態變形特性或者說是撓度變形用一般的儀器難以達到很好的測量效果，這是橋梁監測的主要監測內容。典型的大型柔性橋梁的動態形變有由于風力引起的橫向振動，以及由于交通或者環境溫度變化引起的豎直方向運動等。

近年來許多大型橋梁由于使用過度而導致了損壞。很明顯，橋梁的運營時間和近幾十年來日益增加的交通量是主要的原因。據美國聯邦公路總署(FHWA)統計有將近一半的橋梁損壞為結構性損傷或功能性荒廢。因此，毫無疑問對橋梁，尤其懸索橋的設計、建設以及運營需要進行必要的檢測，以降低橋梁的事故率。這樣的工程要求也就促使需要提供新的監測系統和方法來保證橋梁的安全運營。基于此提出了研究基于GPS的橋梁變形檢測及分析，旨在從地理信息系統在工程測量中的應用入手，研究其應用范圍、方法以及相關技術等。

2.2影響橋梁的環境因素及GPS檢測系統的重要性

一般來說，影響橋梁的外部環境是非常惡劣的，它們使得維護橋梁的安全也成為了非常復雜的工作。影響橋梁的環境因素主要包括：(1)高速的潮汐以及風力；(2)行駛船只可能的撞擊；(3)由于空氣的濕度和含鹽度引起的橋梁腐蝕破壞；(4)靠近地震區邊緣；(5)高密度的交通載荷；(6)隨著時間推移引起的材料疲勞和結構損壞。目前，傳統的監測工具有位移傳感器、加速度計、傾斜傳感器、激光干涉儀、全站儀、精密水準儀等，這些方法都有一定的成效但也存在許多不足之處。例如，加速度計對于橋梁由于溫度變化等因素引起的徐緩的位移以及大風影響下的大位移無能為力；激光干涉儀、全站儀和精密水準儀受氣候的影響較為嚴重而且采樣率也很難達到動態測量的要求。近年來由于GPS技術的不斷發展，尤其是RTK技術，其接收機采樣率己普遍達到幾十赫茲，定位精度達到厘米甚至毫米級，這使其用于橋梁的監測成為了可能。GPS用于橋梁監測不受氣候的影響，可以全天候自動測量，能夠實時提供定給結果(IK)，而且可以方便地實現各測點的時間同步。因此在當前的工程中，發展基于GPS的橋梁檢測具有重要的價值。

GPS技術應用于橋梁檢測，精度高，不受作業環境和距離限制，自動化程度高，極大地降低勞動作業強度，減少野外工作量，大大提高工作效率及成果質量，給傳統的橋梁形變監測作業方式帶來了巨大變化，使橋梁檢測水平顯著提高。

另外，目前大部分的橋梁監測系統已經做到數據自動傳輸、自動解算處理、準實時測量結果和測量結果圖形演示。利用控制中心實時統一解算模式的監測方法雖然難度較大，但精度較好。這一監測方法將作為今后致力研究的方向。