基于GNSS技術的結構位移監(jiān)測應用研究進展*

趙 帥，王 勝，楊淑娟，崔維久

(1.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266525； 2.中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100；3.青建集團股份公司，山東 青島 266071)

0 引言

隨著社會與科技的發(fā)展與進步，土木工程行業(yè)逐漸向智能化、信息化發(fā)展。在土木工程行業(yè)監(jiān)測領域，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法既費時又費力，且對測量人員的專業(yè)技術要求較高。而專業(yè)的測量人員人工費用較高，且無法做到隨叫隨到。土木工程建設過程中的危險來源可能無法及時有效發(fā)現(xiàn)，加大了對施工人員安全的威脅，可能造成建筑材料浪費等。

因此，為更有效、安全地進行工程建設和建筑結構保護，須對土木工程結構進行智能監(jiān)測。現(xiàn)在較常用的結構位移測量方法有接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量通常將傳感器與被測結構的測點緊密接觸[1]，若結構發(fā)生位移，會引起接觸點移動，進而使測量儀器對接觸點位移進行測量。將傳感器安裝到合適的監(jiān)測點后，通過物聯(lián)網(wǎng)技術和無線通信網(wǎng)絡技術等進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸處理，使最終處理數(shù)據(jù)在云平臺中實時顯示，以達到自動化智能監(jiān)測的目的。然而，接觸式測量是有一定危險性的，首先，接觸式測量方法需在現(xiàn)場布設復雜的線路，施工現(xiàn)場作業(yè)人員不能破壞測量線路，增加了人員作業(yè)風險；其次，將傳感器安裝在結構受力變形較大的測點上，當傳感器所測指標超過其量程或傳感器質(zhì)量不佳時，易引發(fā)傳感器損壞，導致結構發(fā)生更大的變形，增加結構的危險性。而非接觸式測量可有效避免以上問題。非接觸式測量主要通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、計算機視覺[1]、機器視覺[2]、傾斜攝影[3]、三維激光掃描[4]和全站儀[5]等進行測量。Dabous等[6]提出了4種非接觸式技術，包括探地雷達、紅外熱成像、近距離攝影測量和地面激光掃描。相比接觸式測量技術，非接觸式測量技術具有可控性高、可遠距離測量等優(yōu)點。

本文主要對GNSS技術在土木工程結構位移智能監(jiān)測中的應用研究進展進行討論與綜述。GNSS系統(tǒng)主要包括美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GLONASS)、中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)和歐盟伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GALILEO)等[7]，本文主要論述在我國應用較廣泛的BDS ，GPS系統(tǒng)。GNSS技術具有實時性、連續(xù)性、全球性、自動化、全天候等優(yōu)點[8]，已成功應用于公路、橋梁、超高層建筑、鐵路、水利邊坡變形等監(jiān)測中[9-13]，且在地面沉降、膨脹土邊坡、滑坡災害、地質(zhì)災害等監(jiān)測及預警中起到了重要作用[14-17]。GNSS技術在土木工程結構位移監(jiān)測中應用廣泛，但對其應用及存在的問題系統(tǒng)性研究成果整理不足。因此，本文首先介紹GNSS技術概念及監(jiān)測原理，然后分別闡述近年來GNSS技術在結構位移監(jiān)測中的應用研究進展，最后分析GNSS技術應用存在的問題，并對未來的研究方向進行展望。

1 GNSS技術監(jiān)測系統(tǒng)組成與工作原理

結構監(jiān)測系統(tǒng)是較綜合的監(jiān)測系統(tǒng)[18]，既融合了結構監(jiān)測功能和系統(tǒng)識別功能，又包含了最重要的預警、報警等功能，為更方便地查看結構模型，還可設計3D可視化功能。監(jiān)測系統(tǒng)可為結構施工和運維階段的管理決策提供依據(jù)和指導，進而形成適合結構安全運行的評定及預警監(jiān)測系統(tǒng)。

GNSS監(jiān)測系統(tǒng)一般包含基準點、監(jiān)測點、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等模塊[19]，通過實時采集基準點和監(jiān)測點GNSS信號并進行數(shù)據(jù)傳輸與處理，最終將處理過的數(shù)據(jù)顯示在云平臺上，根據(jù)設定完成的預警閾值等級進行報警。

GNSS位移監(jiān)測原理是首先利用GPS，BDS衛(wèi)星測量基準點與監(jiān)測點之間的相對定位，得到各監(jiān)測點不同時期的位置信息；然后利用處理軟件對位置信息進行處理，剔除各種環(huán)境影響誤差因子，并與首期結果對比，得到各監(jiān)測點在不同時期的位移信息；最后將監(jiān)測結果展示在系統(tǒng)監(jiān)測平臺上[20]，方便現(xiàn)場人員對結構狀況進行實時掌握。

2 GNSS技術在結構位移監(jiān)測中的應用

美國于20世紀70年代提出建立GPS，并于1995年實現(xiàn)全面運作。隨著新一代GNSS技術的高速穩(wěn)定發(fā)展，特別是我國BDS系統(tǒng)在2020年已全面建成并開通相關服務，為我國開展GNSS監(jiān)測研究和各領域的創(chuàng)新應用奠定了空間設施條件基礎[21]。

2.1 監(jiān)測技術類型

2.1.1GPS-RTK技術

GPS-RTK技術(GPS實時動態(tài)測量技術)是基于載波相位差分模型的定位方法，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息傳至流動站，流動站自身也采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，以消除衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差及電離層和對流層折射等誤差，以實時提供測點在指定坐標系中的三維定位結果[22]。王琿[23]介紹了差分GPS動靜態(tài)定位技術在土木工程中的應用，結果表明該技術適用于大型結構測量監(jiān)測。賴家林[24]通過分析差分GPS測量機理，與無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)信號定位技術相結合，提出了綜合WSN，GPS技術的位移監(jiān)測方法，并通過試驗驗證了該方法的可行性。范建兵等[25]通過設計測量誤差評估試驗，證明了可利用GPS-RTK技術有效解決測量費時費力、精度要求高和難度大等問題，可進行水平位移監(jiān)測。過靜珺等[26]利用GPS-RTK技術實時監(jiān)測香港青馬大橋動態(tài)位移，三維位移測試精度可達±1cm。Elnabwy等[27]利用GPS-RTK技術監(jiān)測了曼蘇拉市塔克哈公路橋的橋面運動，較好地獲取了橋面動態(tài)位移。綜上所述，GPS-RTK技術在土木工程結構位移監(jiān)測中發(fā)揮了顯著作用，監(jiān)測精度較高。

2.1.2基于GNSS坐標時間序列監(jiān)測技術

GNSS坐標時間序列是1組按照時間順序排列的基準站坐標，坐標時間序列可反映測站的長期線性變化趨勢和非線性變化趨勢，通過分析坐標時間序列可更精確地得到結構位移。蔡華[28]利用線性內(nèi)插的多路徑方法改正了坐標時間序列，對變形監(jiān)測系統(tǒng)進行了優(yōu)化，精度提升了50%。Vazquez等[29]針對位于墨西哥庫利亞坎的華雷斯大橋，采用移動平均濾波器改進GPS時間序列，對中心橋面動、半靜態(tài)位移進行計算，取得了可靠的結果。

2.1.3多GNSS監(jiān)測技術

應用多GNSS監(jiān)測技術進行結構監(jiān)測是提高監(jiān)測精度的有效方法。Xi等[30]以武漢白沙洲長江大橋為例，提出了多GNSS監(jiān)測技術集成處理算法，將單GNSS監(jiān)測系統(tǒng)，GPS,BDS,GLONASS中任意2個系統(tǒng)集成及GPS，BDS，GLONASS系統(tǒng)組合所能實現(xiàn)的精度指標與實際橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了比較，結果表明，GPS，BDS，GLONASS系統(tǒng)組合的監(jiān)測精度最高，水平精度為1～2mm，垂直精度為2～5mm。Msaewe等[31]通過對英國塞文懸索橋進行GNSS技術監(jiān)測研究，發(fā)現(xiàn)增加1個衛(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)可更精確地估計位移時間序列，提高了監(jiān)測結果的準確性。因此，多GNSS監(jiān)測技術在變形位移監(jiān)測中具有優(yōu)越性。

2.1.4其他技術

除上述幾種監(jiān)測技術外，還有其他幾種監(jiān)測技術能夠較好地監(jiān)測結構位移，如利用高采樣率接收機和單歷元算法進行超高層建筑連續(xù)變形監(jiān)測[32]；利用位置質(zhì)量閾值概念識別GPS信號背景噪聲，評估動態(tài)運動頻率和振幅對高層建筑的影響[33]；利用改進GNSS定位精度的算法——質(zhì)量控制算法進行監(jiān)測，已在韓國某斜拉橋監(jiān)測中得到了應用，監(jiān)測結果更準確[34]；利用將GNSS坐標轉換為壩頂局部參考坐標系的方法，實現(xiàn)了撒丁島某大壩的位移監(jiān)測[35]；利用高精度GNSS數(shù)據(jù)處理策略，提取和分析了英國福斯公路橋塔架豎向變形[36]；基于BDS融合多源傳感器技術進行監(jiān)測系統(tǒng)架構設計，并以BDS融合靜力水準系統(tǒng)在軟基沉降變形監(jiān)測中的應用為例進行了現(xiàn)場試驗，結果表明，監(jiān)測結果滿足工程高精度和時效性要求[37]。

綜上所述，合理地運用相應方法，不僅可有效提高結構位移變形監(jiān)測精度，還可排除異常監(jiān)測數(shù)值，更好地提高監(jiān)測準確性，盡可能避免監(jiān)測系統(tǒng)謊報、誤報。

2.2 工程應用

姚剛等[38]總結了GPS技術在土木工程施工領域的應用現(xiàn)狀，并展望了GPS技術的應用前景。對于超高層建筑、橋梁結構、基坑等大型結構來說，實時掌握施工過程中建筑結構位移狀態(tài)，有利于及時調(diào)整施工做法，避免危險的發(fā)生，實時掌握運維階段的結構位移，便于后期的管理與維護，具有顯著的經(jīng)濟效益及社會效益。

2.2.1超高層建筑監(jiān)測

隨著技術及經(jīng)濟水平的發(fā)展，超高層建筑越來越多。超高層建筑在風、地震、溫度等環(huán)境激勵作用下會發(fā)生變形，為保證結構安全、穩(wěn)定，對其進行實時監(jiān)測是有意義的。超高層建筑在施工期的剛度和整體性與施工結束后的剛度和整體性差異較大，即會發(fā)生不同程度的位移。熊春寶等[39]利用GNSS技術對在建期的天津高銀117大廈進行了短時間位移監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)外框66層測點位移大于95層測點位移，計算了在建大廈風振位移響應，對控制施工期超高層建筑穩(wěn)定性具有參考意義。Liu等[40]利用GPS結構監(jiān)測系統(tǒng)也對天津高銀117大廈進行了施工期位移監(jiān)測，對其結構性能進行了評估。王華平等[41]基于多系統(tǒng)GNSS技術，對某高428m的超高層建筑施工過程中(施工至280m時)核心筒水平位移進行了實時監(jiān)測，通過獲取及分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，確保了結構安全施工。在超高層建筑運維過程中，Kijewski-Correa等[42]在迪拜哈利法塔上進行了結構健康監(jiān)測，提出了能以10Hz頻率實時傳輸建筑物位移的系統(tǒng)。Park等[43]基于GPS監(jiān)測系統(tǒng)對韓國某66層超高層建筑在沙塵暴作用下的風振響應進行了測量，監(jiān)測了結構水平位移、扭轉位移和加速度，得出了利用GPS可監(jiān)測高層建筑運動全過程的結論。另外，香港某420m超高層建筑[44]也應用了GNSS技術進行位移監(jiān)測，取得良好監(jiān)測效果。然而，上述研究多僅對超高層建筑進行了短時間或局部的位移監(jiān)測，雖得到了有價值的結論，但不夠全面。在今后的超高層建筑監(jiān)測研究中，可延長監(jiān)測時間，甚至貫穿整個施工、運維過程，并增加監(jiān)測點數(shù)量，使監(jiān)測得到的位移數(shù)據(jù)可被充分利用，為超高層建筑施工、運維提供指導。

2.2.2橋梁監(jiān)測

橋梁作為重要的交通樞紐，對其進行位移變形監(jiān)測可極大地保證交通運輸?shù)陌踩浴Ｓ捎贕NSS技術與傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測傳感器相比更具優(yōu)勢[45-46]，所以GNSS技術已被廣泛應用于橋梁位移監(jiān)測中。黃聲享等[47]以施工期的蘇通大橋為背景，利用GPS監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測其各方向位移，監(jiān)測結果均達到了毫米級。徐峰等[48]針對我國鋼管拱橋施工期的健康監(jiān)測問題，以施工期烏梅河特大橋纜索為例，利用基于BDS+GPS的監(jiān)測系統(tǒng)進行了索塔縱向位移監(jiān)測，結果顯示索塔位移控制較好。在橋梁運維階段，Larocca等[49]首次成功應用GPS監(jiān)測小型混凝土橋梁動態(tài)位移，監(jiān)測精度達5mm。吳杰等[50]以蘇通大橋為例，使用GPS監(jiān)測系統(tǒng)對其進行實時監(jiān)測，對橋面軸向、橫向及豎向位移數(shù)據(jù)進行了分析，得出該運營期的大橋各方向振幅均在安全范圍內(nèi)的結論。李雷[51]以江蘇某大橋為背景，構建了GPS監(jiān)測系統(tǒng)對該橋進行監(jiān)測，將監(jiān)測結果與有限元模擬分析結果及荷載試驗得到的結果進行對比，發(fā)現(xiàn)3種結果非常接近，表明該系統(tǒng)測量精度較高。Xi等[52]對白沙洲長江大橋進行了試驗，發(fā)現(xiàn)BDS在靜態(tài)模式下水平分量和垂直分量測量精度分別可達2～3，5～7mm。由此可見，GNSS技術在橋梁位移監(jiān)測方面發(fā)揮著重要作用。

2.2.3基坑監(jiān)測

近年來，施工過程中基坑坍塌事故頻有發(fā)生，對基坑進行實時位移監(jiān)測是保證現(xiàn)場安全施工的有力措施。秦清欣[53]以南京棲霞區(qū)某基坑工程為例，利用GPS對基坑監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)采集，得到了基坑邊坡位移，結果表明，該監(jiān)測系統(tǒng)有效節(jié)約了時間，并降低了測量危險性。張晉梅等[54]以湖南某基坑開挖項目為背景，通過分析利用BDS得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出該基坑支護施工過程中坑外巖土體沉降較大，而水平位移較小的結論。另外，利用GNSS技術對中央電視臺新臺址、國家貿(mào)易中心三期等項目的基坑位移進行了監(jiān)測，在出現(xiàn)異常之前可進行預警提示，保證了施工安全進行[55]。

綜上所述，利用GNSS技術對超高層建筑、橋梁、基坑等大型結構位移進行監(jiān)測，可取得較好的監(jiān)測效果，不僅能夠保證施工安全進行，且對結構建成后的運營維護階段起著重要作用。

3 存在的問題與展望

3.1 存在的問題

在智能時代，土木工程只有與其他領域的技術相結合管理施工，才能實現(xiàn)智能建造。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G技術和無線通信技術的逐漸成熟，智能建造將成為土木工程行業(yè)新的代名詞，為使智能建造在土木工程行業(yè)普及，相關結構的智能監(jiān)測必不可少，但目前基于GNSS技術的結構位移監(jiān)測還存在以下問題。

1)精度方面

雖然目前利用GNSS技術監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)可達毫米級，但通過查閱國內(nèi)外文獻，未見監(jiān)測數(shù)據(jù)達亞毫米級及更高精度的報道。監(jiān)測數(shù)據(jù)達毫米級或許對于在外力作用下能夠產(chǎn)生顯著位移的大型結構來說已經(jīng)足夠，但對于細微結構的微小位移來說，毫米級的精度遠遠不夠。

2)應用場景方面

GNSS技術在超高層建筑、橋梁、基坑等大型結構施工及運維中已得到普遍應用，如果將該技術局限在監(jiān)測大型結構體外部變形狀態(tài)上，對于土木工程眾多結構的應用場景來說，范圍偏于狹小。

3)監(jiān)測時長方面

在某些施工期的超高層建筑位移監(jiān)測中，監(jiān)測時間過短。由于超高層建筑受到的風荷載作用較大，監(jiān)測時間過短不能完全經(jīng)歷風速與風向變化過程，導致得到的數(shù)據(jù)不能全方面反映超高層建筑位移變化。

4)監(jiān)測范圍方面

受監(jiān)測點周邊環(huán)境的影響，會造成結構不同部位發(fā)生的位移有所差異。上述研究雖選擇的監(jiān)測點位置有代表性，但對于大型結構來說，監(jiān)測點數(shù)量略少。監(jiān)測范圍偏小會造成獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)無法進行足夠的對比驗證，數(shù)據(jù)真實準確性無法保證，得到的研究結論說服力不足。

3.2 展望

通過查閱資料、整理文獻等，可知目前的GNSS技術主要應用于大型結構體外部位移監(jiān)測，而要實現(xiàn)GNSS技術在結構體內(nèi)部的位移監(jiān)測難度較大，這不僅要在現(xiàn)有方法、算法等方面進行深入研究，還要明確被測結構施工過程及特性等。將GNSS技術應用于高大模板類模板工程結構自動監(jiān)測中難以實現(xiàn)，因在施工過程中高支模支架沉降、位移和傾斜均較微小，且均發(fā)生在架體內(nèi)部，利用GNSS技術難以監(jiān)測，所以到目前為止未出現(xiàn)將GNSS技術應用于高支模監(jiān)測的案例。需對GNSS技術在更微小的位移監(jiān)測、結構體內(nèi)部位移監(jiān)測進行研究。針對GNSS技術監(jiān)測精度問題，需通過改進算法、借鑒其他專業(yè)領域的算法使監(jiān)測精度進一步提升。針對GNSS技術應用場景受限的問題，應進行進一步研究。針對GNSS技術監(jiān)測時長問題，應根據(jù)工程實際情況適當增加監(jiān)測時長，最好包含結構整個施工期，以全面分析結構位移變化。針對GNSS技術監(jiān)測范圍問題，應根據(jù)實際情況適當擴大結構位移監(jiān)測范圍，布置更密集的測點，進行更全面的研究。

4 結語

利用GNSS技術進行土木工程結構位移智能監(jiān)測具有高時空分辨率、高精度、低成本、全球覆蓋、全天候等優(yōu)勢，本文通過綜述GNSS技術在土木工程結構位移監(jiān)測中的應用，總結了已有監(jiān)測技術和應用效果，分析了存在的問題，并進行了應用展望，如將GNSS技術應用于結構體內(nèi)部微小位移監(jiān)測等。在此基礎上，如何進一步減小測量誤差、提高GNSS技術應用效率也是后續(xù)研究重點。