基于GPS的路桥监测数据分析

张辉

【摘 要】利用静态GPS定位原理对某路桥进行变形监测，分析了不同时段点位坐标位置的变化及高程相对时段的变化，统计了平面坐标和高程随时间变化的变化量，说明了GPS在大桥监测中高精度测量的应用可实施行和可行性，阐述了GPS在大桥监测上的优势，GPS发展的前景也十分广阔。

【关键词】GPS监测;数据处理;统计分析

中图分类号： P228.4文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）28-0080-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.032

【Abstract】Deformation monitoring of road bridge using static GPS positioning principle， analyzes the changes in different time point coordinates and elevation changes in relative time， the statistical variation of plane coordinates and elevation changes over time， illustrates the application of GPS in high precision measurement in bridge monitoring can be implemented and feasibility， this paper expounds the advantages of GPS on the bridge monitoring， is also a wide prospect in the development of GPS.

【Key words】GPS monitoring; The data processing; Statistical analysis

0 引言

GPS（Global Positioning System）因其快速、准确、实时的观测特点，可以实时地对地震，大坝、桥梁等大型建（构）筑物进行变形监测[1]，除此之外，水文资源、滑坡、小波滤噪等方面也应用不断，在对路桥监测的应用中更是广泛。以GPS控制网点坐标、高程的变化为依据，GPS的高精度测量数据和对其进行平差统计分析，可以有效的判断在某个时间或者小时段内桥的某一区域的变形，从而判断出在某一时间段内桥的损坏程度，以便维修，这将大大的方便了维修人员的工作，及时的预报大桥的危险性，保證了通行人们的安全。

1 GPS监测网布设及监测

某路桥布设的GPS监测网全网共包含4个GPS控制点，大桥上布设了两个监测点，这个四个点分别取名为DQWE、DQEA、DQSO和DQCK。观测的基线有6条，三边同步环为4个，量测的基线平均边长为93.5m，布设完成后，对此GPS监测网进行长期有效的监测[2]GPS网形见图1。

相对比之前的该路桥监测，每年的监测都历时14个小时，观测采用的GPS接收机是5台南方灵锐82双频GPS接收机（标称精度为5mm+1ppm）连续观测，其卫星高度角大于15°，有效卫星数大于5，数据采样间隔为15s，几何图形强度PDOP≤6。精确对中整平仪器，对中精度小于1mm。按照要求，观测前后使用专用GPS量高尺及普通钢尺各量取仪器高两次至1mm，各标尺两次量测较差均小于3mm时分别取中数，最后两尺测量较差小于3mm时取中数作为该站最终站高。观测中定时查看测站信息，采集历元数、数据记录信号灯状态等信息，以确保设备工作状态正常，出现问题及时处理[3]。

2 GPS数据处理及精度分析

GPS监测网数据处理主要有基线预处理、数据质量检核、GPS网平差，这些数据的处理均采用随机平差软件，在微机上进行。在监测时按照小时段划分，连续观测，监测网按照GPS二等网平差计算，假定一个已知点的坐标，拟合高程作为基准高程，经过监测的数据先进行检核，然后通过不用时段的平面坐标数据和高程数据进行统计分析。

2.1 基线和同步环数据处理

基线和同步环的数据处理的前提是在大量的数据经过检查，排除具有明显点的数据错误，而且在监测前要保证监测点与基点通视[4]。相邻点间基线长度精度计算和同步环闭合差的要求如下所示。

相邻点间基线长度精度用下式表示：

式中：σ是指标准差（基线向量的弦长中误差mm），a指固定误差为10mm，b指比例误差系数为1，d指相邻点间距离（km）。同一时段观测值的数据剔出率，其值小于10%。同步环闭合差的X、Y、Z都必须要小于0.35σ。

利用GPS定位法获得的数据不是完全的复合要求，根据布设网的要求，利用约束平差对数据进行处理，假定DQN监测点为已知点，坐标为：X=4062000，Y=495000，H=29.000。不同时段的平差计算结果不一样，为了有效的对比不同时段的数据变化，从第0时段即上午六点开始至晚上八点结束，分为13个时段，以下列出第一时段、第三时段、第五时段、第七时段点位坐标和高程的数据，如下表1、表2、表3、表4所示。

对比这几个时段的点位坐标和高程位置的变化，以第一时段的数据为参考，对三五七时段进行残差对比，X、Y坐标误差在5mm之内，少数时间段的误差相比较而言大于5mm，高程误差变化较大，这仅仅是这几个时段作比较，观测的13个时段，剔除错误数据，对所有数据展开精度分析。

2.2 精度分析

将监测的数据进行统计，从位置变化统计、高程随时间变化分布统计和平面坐标随时间变化分布统计三个方面来进行分析。四个监测点的13个时段的各观测段的观测点平面及高程与第一时段对应点的平面及高程较差统计，见表5、表6。

从表5和表6可以看出，在这13个时间段中，第13个时段，晚上的7点到8点，是平面坐标和高程误差最大的时候，因为晚上监测受到天气、温度、亮度等因素的影响，误差较大，其他时段的各个段的误差在误差范围内，基在X、Y方向上基本能达到很高的精度，完全可以满足监测的精度需求[5]，个别出现的大误差是属于粗差，出现的这样的大误差在之后的监测中以及时纠正。

在不同的时间段的时间不同影响着坐标和高程的位置变化，四个GPS监测点以桥西清河北岸DQCK为基准点，DQEO、DQWE、DQSO三个监测点各观测时段的位置相对其第一个时段的变化量用折线图表示，见下图2。

下图2表示的是坐标平面位置随时间的变化的变化量，在第一时段下降主要因素是时间，第一时间是早上七点至八点，温度的变化导致位置的变化，其他时间DQEA和DQSO持续上升的状态，在第十二时段即晚上太阳落山时下降，之后又上升，而DQWE的变化却比较明显。

高程的变化也是很明显的，同样以四个GPS监测点以桥西河北岸DQCK为基准点，DQEA、DQWE、DQSO三个监测点各观测时段的高程相对其第一个时段高程值得变化量用折线图表示，见图3。

图3高程随时间的变化与坐标平面位置的变化完全不一样，点DQWE在以点DQCK为基准的线上浮动，点DQSO在基本上都在基准点的线下变化，而点DQEA的变化却上下浮动很大，因为在不同的时间段影响此点的因子不一样，因子所占的比重也不一样，所以导致位置的变化也不同。

3 结语

利用GPS精度高、全天候、不受通视条件限制和高度自动化等优点[6-7]在桥梁进行监测，如今，不仅在桥梁，而且在洪水调度、流量与水质监测[8]等方面也应用广泛，但是GPS并非完美无缺[9]，GPS受天气温度影响很大，这样会造成在某时间段的数据误差，不过随GPS技术的发展，融合其他技术，使得GPS的监测为桥梁进一步的变形分析提供了良好的基础[10]，而且在中国的道路和桥梁的设计以及监测方面具有广阔的应用前景。

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