基于GNSS技术的结构位移监测应用研究进展*

赵 帅，王 胜，杨淑娟，崔维久

(1.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266525； 2.中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266100；3.青建集团股份公司，山东 青岛 266071)

0 引言

随着社会与科技的发展与进步，土木工程行业逐渐向智能化、信息化发展。在土木工程行业监测领域，传统的监测方法既费时又费力，且对测量人员的专业技术要求较高。而专业的测量人员人工费用较高，且无法做到随叫随到。土木工程建设过程中的危险来源可能无法及时有效发现，加大了对施工人员安全的威胁，可能造成建筑材料浪费等。

因此，为更有效、安全地进行工程建设和建筑结构保护，须对土木工程结构进行智能监测。现在较常用的结构位移测量方法有接触式测量和非接触式测量。接触式测量通常将传感器与被测结构的测点紧密接触[1]，若结构发生位移，会引起接触点移动，进而使测量仪器对接触点位移进行测量。将传感器安装到合适的监测点后，通过物联网技术和无线通信网络技术等进行现场数据采集传输处理，使最终处理数据在云平台中实时显示，以达到自动化智能监测的目的。然而，接触式测量是有一定危险性的，首先，接触式测量方法需在现场布设复杂的线路，施工现场作业人员不能破坏测量线路，增加了人员作业风险；其次，将传感器安装在结构受力变形较大的测点上，当传感器所测指标超过其量程或传感器质量不佳时，易引发传感器损坏，导致结构发生更大的变形，增加结构的危险性。而非接触式测量可有效避免以上问题。非接触式测量主要通过全球导航卫星系统(GNSS)、计算机视觉[1]、机器视觉[2]、倾斜摄影[3]、三维激光扫描[4]和全站仪[5]等进行测量。Dabous等[6]提出了4种非接触式技术，包括探地雷达、红外热成像、近距离摄影测量和地面激光扫描。相比接触式测量技术，非接触式测量技术具有可控性高、可远距离测量等优点。

本文主要对GNSS技术在土木工程结构位移智能监测中的应用研究进展进行讨论与综述。GNSS系统主要包括美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)、中国北斗卫星导航系统(BDS)和欧盟伽利略卫星导航系统(GALILEO)等[7]，本文主要论述在我国应用较广泛的BDS ，GPS系统。GNSS技术具有实时性、连续性、全球性、自动化、全天候等优点[8]，已成功应用于公路、桥梁、超高层建筑、铁路、水利边坡变形等监测中[9-13]，且在地面沉降、膨胀土边坡、滑坡灾害、地质灾害等监测及预警中起到了重要作用[14-17]。GNSS技术在土木工程结构位移监测中应用广泛，但对其应用及存在的问题系统性研究成果整理不足。因此，本文首先介绍GNSS技术概念及监测原理，然后分别阐述近年来GNSS技术在结构位移监测中的应用研究进展，最后分析GNSS技术应用存在的问题，并对未来的研究方向进行展望。

1 GNSS技术监测系统组成与工作原理

结构监测系统是较综合的监测系统[18]，既融合了结构监测功能和系统识别功能，又包含了最重要的预警、报警等功能，为更方便地查看结构模型，还可设计3D可视化功能。监测系统可为结构施工和运维阶段的管理决策提供依据和指导，进而形成适合结构安全运行的评定及预警监测系统。

GNSS监测系统一般包含基准点、监测点、数据采集、数据传输和数据处理等模块[19]，通过实时采集基准点和监测点GNSS信号并进行数据传输与处理，最终将处理过的数据显示在云平台上，根据设定完成的预警阈值等级进行报警。

GNSS位移监测原理是首先利用GPS，BDS卫星测量基准点与监测点之间的相对定位，得到各监测点不同时期的位置信息；然后利用处理软件对位置信息进行处理，剔除各种环境影响误差因子，并与首期结果对比，得到各监测点在不同时期的位移信息；最后将监测结果展示在系统监测平台上[20]，方便现场人员对结构状况进行实时掌握。

2 GNSS技术在结构位移监测中的应用

美国于20世纪70年代提出建立GPS，并于1995年实现全面运作。随着新一代GNSS技术的高速稳定发展，特别是我国BDS系统在2020年已全面建成并开通相关服务，为我国开展GNSS监测研究和各领域的创新应用奠定了空间设施条件基础[21]。

2.1 监测技术类型

2.1.1GPS-RTK技术

GPS-RTK技术(GPS实时动态测量技术)是基于载波相位差分模型的定位方法，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息传至流动站，流动站自身也采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，以消除卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差及电离层和对流层折射等误差，以实时提供测点在指定坐标系中的三维定位结果[22]。王珲[23]介绍了差分GPS动静态定位技术在土木工程中的应用，结果表明该技术适用于大型结构测量监测。赖家林[24]通过分析差分GPS测量机理，与无线传感器网络(WSN)信号定位技术相结合，提出了综合WSN，GPS技术的位移监测方法，并通过试验验证了该方法的可行性。范建兵等[25]通过设计测量误差评估试验，证明了可利用GPS-RTK技术有效解决测量费时费力、精度要求高和难度大等问题，可进行水平位移监测。过静珺等[26]利用GPS-RTK技术实时监测香港青马大桥动态位移，三维位移测试精度可达±1cm。Elnabwy等[27]利用GPS-RTK技术监测了曼苏拉市塔克哈公路桥的桥面运动，较好地获取了桥面动态位移。综上所述，GPS-RTK技术在土木工程结构位移监测中发挥了显著作用，监测精度较高。

2.1.2基于GNSS坐标时间序列监测技术

GNSS坐标时间序列是1组按照时间顺序排列的基准站坐标，坐标时间序列可反映测站的长期线性变化趋势和非线性变化趋势，通过分析坐标时间序列可更精确地得到结构位移。蔡华[28]利用线性内插的多路径方法改正了坐标时间序列，对变形监测系统进行了优化，精度提升了50%。Vazquez等[29]针对位于墨西哥库利亚坎的华雷斯大桥，采用移动平均滤波器改进GPS时间序列，对中心桥面动、半静态位移进行计算，取得了可靠的结果。

2.1.3多GNSS监测技术

应用多GNSS监测技术进行结构监测是提高监测精度的有效方法。Xi等[30]以武汉白沙洲长江大桥为例，提出了多GNSS监测技术集成处理算法，将单GNSS监测系统，GPS,BDS,GLONASS中任意2个系统集成及GPS，BDS，GLONASS系统组合所能实现的精度指标与实际桥梁监测数据进行了比较，结果表明，GPS，BDS，GLONASS系统组合的监测精度最高，水平精度为1～2mm，垂直精度为2～5mm。Msaewe等[31]通过对英国塞文悬索桥进行GNSS技术监测研究，发现增加1个卫星系统(GLONASS)可更精确地估计位移时间序列，提高了监测结果的准确性。因此，多GNSS监测技术在变形位移监测中具有优越性。

2.1.4其他技术

除上述几种监测技术外，还有其他几种监测技术能够较好地监测结构位移，如利用高采样率接收机和单历元算法进行超高层建筑连续变形监测[32]；利用位置质量阈值概念识别GPS信号背景噪声，评估动态运动频率和振幅对高层建筑的影响[33]；利用改进GNSS定位精度的算法——质量控制算法进行监测，已在韩国某斜拉桥监测中得到了应用，监测结果更准确[34]；利用将GNSS坐标转换为坝顶局部参考坐标系的方法，实现了撒丁岛某大坝的位移监测[35]；利用高精度GNSS数据处理策略，提取和分析了英国福斯公路桥塔架竖向变形[36]；基于BDS融合多源传感器技术进行监测系统架构设计，并以BDS融合静力水准系统在软基沉降变形监测中的应用为例进行了现场试验，结果表明，监测结果满足工程高精度和时效性要求[37]。

综上所述，合理地运用相应方法，不仅可有效提高结构位移变形监测精度，还可排除异常监测数值，更好地提高监测准确性，尽可能避免监测系统谎报、误报。

2.2 工程应用

姚刚等[38]总结了GPS技术在土木工程施工领域的应用现状，并展望了GPS技术的应用前景。对于超高层建筑、桥梁结构、基坑等大型结构来说，实时掌握施工过程中建筑结构位移状态，有利于及时调整施工做法，避免危险的发生，实时掌握运维阶段的结构位移，便于后期的管理与维护，具有显著的经济效益及社会效益。

2.2.1超高层建筑监测

随着技术及经济水平的发展，超高层建筑越来越多。超高层建筑在风、地震、温度等环境激励作用下会发生变形，为保证结构安全、稳定，对其进行实时监测是有意义的。超高层建筑在施工期的刚度和整体性与施工结束后的刚度和整体性差异较大，即会发生不同程度的位移。熊春宝等[39]利用GNSS技术对在建期的天津高银117大厦进行了短时间位移监测，发现外框66层测点位移大于95层测点位移，计算了在建大厦风振位移响应，对控制施工期超高层建筑稳定性具有参考意义。Liu等[40]利用GPS结构监测系统也对天津高银117大厦进行了施工期位移监测，对其结构性能进行了评估。王华平等[41]基于多系统GNSS技术，对某高428m的超高层建筑施工过程中(施工至280m时)核心筒水平位移进行了实时监测，通过获取及分析监测数据，确保了结构安全施工。在超高层建筑运维过程中，Kijewski-Correa等[42]在迪拜哈利法塔上进行了结构健康监测，提出了能以10Hz频率实时传输建筑物位移的系统。Park等[43]基于GPS监测系统对韩国某66层超高层建筑在沙尘暴作用下的风振响应进行了测量，监测了结构水平位移、扭转位移和加速度，得出了利用GPS可监测高层建筑运动全过程的结论。另外，香港某420m超高层建筑[44]也应用了GNSS技术进行位移监测，取得良好监测效果。然而，上述研究多仅对超高层建筑进行了短时间或局部的位移监测，虽得到了有价值的结论，但不够全面。在今后的超高层建筑监测研究中，可延长监测时间，甚至贯穿整个施工、运维过程，并增加监测点数量，使监测得到的位移数据可被充分利用，为超高层建筑施工、运维提供指导。

2.2.2桥梁监测

桥梁作为重要的交通枢纽，对其进行位移变形监测可极大地保证交通运输的安全性。由于GNSS技术与传统的桥梁监测传感器相比更具优势[45-46]，所以GNSS技术已被广泛应用于桥梁位移监测中。黄声享等[47]以施工期的苏通大桥为背景，利用GPS监测系统监测其各方向位移，监测结果均达到了毫米级。徐峰等[48]针对我国钢管拱桥施工期的健康监测问题，以施工期乌梅河特大桥缆索为例，利用基于BDS+GPS的监测系统进行了索塔纵向位移监测，结果显示索塔位移控制较好。在桥梁运维阶段，Larocca等[49]首次成功应用GPS监测小型混凝土桥梁动态位移，监测精度达5mm。吴杰等[50]以苏通大桥为例，使用GPS监测系统对其进行实时监测，对桥面轴向、横向及竖向位移数据进行了分析，得出该运营期的大桥各方向振幅均在安全范围内的结论。李雷[51]以江苏某大桥为背景，构建了GPS监测系统对该桥进行监测，将监测结果与有限元模拟分析结果及荷载试验得到的结果进行对比，发现3种结果非常接近，表明该系统测量精度较高。Xi等[52]对白沙洲长江大桥进行了试验，发现BDS在静态模式下水平分量和垂直分量测量精度分别可达2～3，5～7mm。由此可见，GNSS技术在桥梁位移监测方面发挥着重要作用。

2.2.3基坑监测

近年来，施工过程中基坑坍塌事故频有发生，对基坑进行实时位移监测是保证现场安全施工的有力措施。秦清欣[53]以南京栖霞区某基坑工程为例，利用GPS对基坑监测点进行数据采集，得到了基坑边坡位移，结果表明，该监测系统有效节约了时间，并降低了测量危险性。张晋梅等[54]以湖南某基坑开挖项目为背景，通过分析利用BDS得到的监测数据，得出该基坑支护施工过程中坑外岩土体沉降较大，而水平位移较小的结论。另外，利用GNSS技术对中央电视台新台址、国家贸易中心三期等项目的基坑位移进行了监测，在出现异常之前可进行预警提示，保证了施工安全进行[55]。

综上所述，利用GNSS技术对超高层建筑、桥梁、基坑等大型结构位移进行监测，可取得较好的监测效果，不仅能够保证施工安全进行，且对结构建成后的运营维护阶段起着重要作用。

3 存在的问题与展望

3.1 存在的问题

在智能时代，土木工程只有与其他领域的技术相结合管理施工，才能实现智能建造。随着人工智能、大数据、物联网、5G技术和无线通信技术的逐渐成熟，智能建造将成为土木工程行业新的代名词，为使智能建造在土木工程行业普及，相关结构的智能监测必不可少，但目前基于GNSS技术的结构位移监测还存在以下问题。

1)精度方面

虽然目前利用GNSS技术监测得到的数据可达毫米级，但通过查阅国内外文献，未见监测数据达亚毫米级及更高精度的报道。监测数据达毫米级或许对于在外力作用下能够产生显著位移的大型结构来说已经足够，但对于细微结构的微小位移来说，毫米级的精度远远不够。

2)应用场景方面

GNSS技术在超高层建筑、桥梁、基坑等大型结构施工及运维中已得到普遍应用，如果将该技术局限在监测大型结构体外部变形状态上，对于土木工程众多结构的应用场景来说，范围偏于狭小。

3)监测时长方面

在某些施工期的超高层建筑位移监测中，监测时间过短。由于超高层建筑受到的风荷载作用较大，监测时间过短不能完全经历风速与风向变化过程，导致得到的数据不能全方面反映超高层建筑位移变化。

4)监测范围方面

受监测点周边环境的影响，会造成结构不同部位发生的位移有所差异。上述研究虽选择的监测点位置有代表性，但对于大型结构来说，监测点数量略少。监测范围偏小会造成获取的监测数据无法进行足够的对比验证，数据真实准确性无法保证，得到的研究结论说服力不足。

3.2 展望

通过查阅资料、整理文献等，可知目前的GNSS技术主要应用于大型结构体外部位移监测，而要实现GNSS技术在结构体内部的位移监测难度较大，这不仅要在现有方法、算法等方面进行深入研究，还要明确被测结构施工过程及特性等。将GNSS技术应用于高大模板类模板工程结构自动监测中难以实现，因在施工过程中高支模支架沉降、位移和倾斜均较微小，且均发生在架体内部，利用GNSS技术难以监测，所以到目前为止未出现将GNSS技术应用于高支模监测的案例。需对GNSS技术在更微小的位移监测、结构体内部位移监测进行研究。针对GNSS技术监测精度问题，需通过改进算法、借鉴其他专业领域的算法使监测精度进一步提升。针对GNSS技术应用场景受限的问题，应进行进一步研究。针对GNSS技术监测时长问题，应根据工程实际情况适当增加监测时长，最好包含结构整个施工期，以全面分析结构位移变化。针对GNSS技术监测范围问题，应根据实际情况适当扩大结构位移监测范围，布置更密集的测点，进行更全面的研究。

4 结语

利用GNSS技术进行土木工程结构位移智能监测具有高时空分辨率、高精度、低成本、全球覆盖、全天候等优势，本文通过综述GNSS技术在土木工程结构位移监测中的应用，总结了已有监测技术和应用效果，分析了存在的问题，并进行了应用展望，如将GNSS技术应用于结构体内部微小位移监测等。在此基础上，如何进一步减小测量误差、提高GNSS技术应用效率也是后续研究重点。