基于GPS技术的大型结构建筑物动态监测

基于GPS技术的大型结构建筑物动态监测程朋根12熊助国1韩丽华3徐云和1（1.东华理工学院测量系，江西抚州344000；2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点同时接收相同卫星的信号；通过通信系统的光缆，以一定的采样率（如1Hz）实时地将基准站接收机获得的卫星信息传输到监测站；在监测站，接收来自卫星的信号和来自基准站的信息，采用GPS软件进行实时差分处理，可得到监测站的三维坐标，并以一定的采样率发送到监控中心；监控中心接收各监测点的监测结果，并通过数据处理软件作进一步的处理与分析，可以得到结构物在特定方向上的位移、旋转角等参数。例如，索拉桥在桥的纵向、横向和垂直方向上的位移，高层建筑物在特定方向上的震动频率与振幅。所有这些位移信息被保存到数据库中，以便对构筑物进行进一步评估提供依据。应该是已知的。例如，从理论上讲，悬索桥*大位移值的位置位于桥跨的中部，高层建筑物的*大位移在建筑物的顶部。所以，对长跨距索拉桥，监测点应选择在桥跨的二分之一、四分之一处和桥搭顶部，高层建筑物的监测点应该设在建筑物的高层处。基准点应选择在距所监测结构物一定范围内的固定位置上，并预先测定其坐标。

2.4数据处理与分析监测的目的是为了获得兴趣点在结构物纵向、横向和垂直方向等特定方向上的位移或旋转角，从而进一步分析位移与温度之间的关系、位移与风速的关系、位移与结构载荷的关系等等。构筑物状态监测系统的数据处理工作包括坐标变换、频谱分析、监测数据压缩以及结构评估等等。

由于GPS位移实时监测系统获得的监测点的坐标是WGS84坐标按高斯投影变成平面坐标，然后变换成构筑物局部坐标系下的坐标，这样可以得到监测点在构筑物轴线方向的位移时程曲线。例如，对桥梁来说，局部坐标系的X轴为桥梁的纵向，垂直方向为Z轴，84坐标到桥梁局结构物特征点等位置。不同结构物逆移*大1位置blish部坐标i系变锁、风对大桥位（移的影响w温度对大桥2.3基准站与监测站的位置选择由于差分GPS测量受气候误差和轨道误差的影响随基准站与监测站的距离变化而变化，基准点距监测点的距离应该保持在一定的距离以内。在现有的技术条件下，当基准点与监测点的距离在1km的范围以内时，大气和轨道误差的影响可以控制在毫米级以内。为减少观测过程中多路径效应的影响，要求在基准点及监测点处的水平面15度以上的视域范围内，不应有遮挡物和产生多径效应的反射物。监测点位置的选择要考虑结构物的重要性、变形大小和所需要采集的信息。通常情况下，监测点应该选择在兴趣点、*大变形位置点或按右手法则得Y轴。

通过分析监测点位移时程曲线，可以得到结构物的震动频率和振幅。频谱分析可以利用快速傅立叶变换的方法进行，通过频谱分析可以得到监测点的功率谱曲线，与设计的理论值或不同时段的功率谱曲线进行比较，可以诊断构筑物的稳定性。

对构筑物进行动态监测时，除测定监测点的位移值外，通常还需要测定温度、风力风向或构筑物承受的载荷等参数。结合这些观测值还可以进行诸如风对位移的影响、温度对位移的影响、载荷对位移影响等分析。

例如，在桥梁结构动态监测系统中，要进行的竖向位移的影响、车辆对大桥竖向位移的影响、频谱分析等。根据这些分析结果可以对大桥进行风力效应监测、温度效应监测、交通载荷效应监测和大桥主要构件应力监测。

由于从监测系统采集的原始监测数据通常比较大，将这些数据全部存贮往往比较困难，有时也没有必要。如何从原始监测数据中提取能代表整个监测信息的信息精华以便减少存贮数据的容量是一个十分有意义的数据提炼工作。此外，根据监测信息进行结构状态和安全性的评估也是整个结构健康监测系统的目标。

3大型结构动态监测实例国内外有采用GPS进行大型结构物动态监测的许多成功的事例，主要分为高层建筑、大型桥梁的实时动态位移监测。例如加拿大的卡尔加里塔、英国亨伯大桥、日本明石的凯约大桥、香港青马控制区的三桥、新加坡的共和国大厦，以及中国的虎门大桥和深圳帝王大厦等都成功地应用了GPS技术进行动态监测工作。

加拿大利用差分GPS载波相位的方法于1993年成功地对卡尔加里市的卡尔加里塔进行了动态变形监测。该塔大约160m高，基准站安装在塔北面约1km的低层公寓楼顶，在塔顶安装了两个监测点（一个备份）数据采集工作于1993年11月9日早上进行，以10Hz的采样频率进行了15min的同步数据观测。对监测结果进行处理后，得到该塔在东西向和南北向的震动频率大约为0.3Hz，南北、东西方向的振幅分别为±15，英国利用PTK*GPS技术对位于亨伯河口的亨伯大桥进行了动态监测工佾5.该桥长2220m，由两个高为155.5m的塔将桥分为三跨段，主跨经1410m.监测点位于桥的中部和桥搭上，基准点位于距桥1.5km远的地方，并精确测定其三维坐标。所采用的接收机为AshtechZ*型双频GPS接收机，通信系统采用RacalDeltaLink型超高频遥感链接，软件为Ashtech*sPNAV实时处理软件。监测的目的是监测大桥中央位置在桥的各轴线方向的位移以及桥塔在东南、西北和垂直方向上的位移。

日本明石的凯约大桥也安装了先进的监测系统。它是一座主跨经为1991m总长为3910m塔顶点和桥梁一端锚地点的三维坐标，其中锚地点的坐标用于做参照，对监测点三维坐标进行换算以计算在桥梁轴线方向上的位移。同时测定相应点处的温度和风力风向，以获取位移值和温度的对应关系、风速与位移值的关系。GPS接收机为LeicaMC1000型，在地震和强台风时的数据采样频率为20Hz.监测系统建立的目的是保证交通安全和结构的稳固性。

在香港青马控制区的三座悬索或拉索桥也安装了GPS桥梁监测系统。该系统由GPS测量系统、信息采集系统、数据处理系统和系统运行与控制系统四部分组成。GPS接收机主要安装在桥面两侧和塔顶处，一共装有27个GPS接收机。数据的采样频率是10Hz.通过差分GPS实时动态测量的方法得到监测点的三维坐标，并通过信息采集系统同步地传输到信息处理与分析中心。监测的目的是为了实时获得桥体和桥塔的瞬时位移，以便进一步计算桥体主结构的压力评估桥的载荷能力、工作状态和耐久力。

新加坡*高的建筑共和国广场大厦也采用RTK―GPS技术进行实时动态监测。该大厦高280m.基准站设在附近建筑物上，在大厦的66层安装两个可移动监测站。GPS接收机为LeicaCRS1000型，通过超高频无线电通信方式连接基准站和中央控制处理计算机、RS―232连接监测站和中央处理计算机。监测系统建立的目的是采用GPS技术获得厘米级的位移测量精度。数据的采样频率为10Hz，获得数据为相对点的位置矢量，结合风速、温度传感器采集的数据，进行了大厦风力效应监测、温度效应监测，同时利用小波变换方法进行频谱分析。

的悬索GPS用于测定桥中跨的中丨！个塔的如油墨顶。在台屈来临时应用GPS技术进行了bookmark4中国大陆也有一些采用GPS技术用于结构动态监测的成功例子，如虎门大桥的实时动态监测，测定帝王大厦在台风作用下的位移和震动频率。虎门大桥主跨经15385m.为了实时监测桥梁在台风、交通负荷及温度条件下桥梁的工作状态，在桥跨的中部、四分之一、八分之一处和塔的横梁上安装了7台GPS接收机。采样频率为5Hz，并于2000年5月开始进行大桥的安全监测。实践表明，采用GPS技术获得的监测位移值可用于桥的安全分析。帝王大厦高324.95m，监测点位于大厦顶部，基准点设置于西南方向500m远的低层建筑的移和震动频率分析，结果表明定位精度可达*5mm，震动频率在0.4监测数据的管理与可视化在长期进行结构动态监测的系统中，由于从监测系统中采集的监测数据是海量的，以至很难采用传统的文件形式管理监测数据，必须采用一定的措施。此外，对来自监测系统数据处理与分析子系统的统计数据、处理和分析结果也应该进行有效的管理。数据库技术是管理海量数据的有利工具。*为有效的办法是对监测数据建立动态数据库，并能进行监测数据的定期更新、备份和恢复。为实现监测数据的共享应该采用基于网络环境的数据库管理系统，如SQLSeimOracle数据库系统。在一个监测系统比较大、监测点的数目比较多的情况下，往往一天的监测数据量都很大。这时，可以采用对一天、一个星期或一个月的监测数据建立一个数据库的方法进行建库。这种建库方法给数据库的建立、备份、恢复或访问带来较大的方便。例如我们在开发某桥梁监测信息管理系统时，就采用了这种建立数据库的方法。

可视化是将各种数据以图形或图象形式显示在屏幕上，是人们直观研究和分析海量数据的强有力手段。在构筑物的实时监测系统中，监测数据的可视化可以非常清楚地反映出结构的动态变化情况。因此，对监测数据信息的可视化，是大型构筑物健康动态监测系统必不可少的功能之一。通常对不同的监测结果采用不同的可视化方法。例如，温度的日变化曲线、监测点在三维方向上的位移曲线、在特定方向（如轴向）上位移变化图、温度与位移的关系图、温度与载荷的关系图等等。此外，就长的悬索桥而言，桥梁甲板在垂直方向上的实时位移对分析桥梁变化与载荷的关系是十分有效的。为一悬索桥桥面实时动态位移可视化示意图。

5结论GPS技术可以克服传统的结构监测方法的缺点。它可以克服气候条件的限制而进行全天候观测。目前许多GPS接收机采用差分GPS载波相位测量可以达到厘米级甚至毫米级的精度，并具有10Hz甚至20Hz的采样频率。GPS定位测量可以实时地得到监测点的三维坐标，特别是可实现多点同悬索桥桥面实时动态位移可视化性、自动化管理。所有这些优点为大型构筑物进行实时动态监测提供了良好的技术支持。国内外的实例表明，GPS技术在大型构筑物动态监测中具有广阔的应用前景。随着GPS技术、计算机技术和网络技术的发展，未来大型构筑物动态监测系统将是一个集GPS技术、数据库技术、可视化技术和网络技术为一体的综合性技术系统。