摘要
截止2022年末，我国各类桥梁已超过120万座，早期建成桥梁性能的快速衰退，导致桥梁安全事故频发。形变信息是桥梁结构健康监测的重要内容，为及时发现桥梁病害并做出正确处理决策提供可靠的数据源。目前桥梁结构形变监测方法人工依赖性强、精度不足，仍然存在诸多行业难题在理论与技术层面未得到解决，难以满足桥梁结构形变监测在精度、效率、成本等方面的需求。本文基于新的测绘与数字信息技术，系统深入地研究了基于北斗和LiDAR技术的桥梁结构形变监测理论与方法，为桥梁运营管理科学决策、智能化、降低运维成本的决策实施等提供了理论参考。论文的主要内容和结论如下： （1）提出了基于连续分区法的桥梁结构准静态形变解算方法。分析了北斗/GNSS相位距离观测量误差源及其特性，提出相位距离精化模型，建立了基于北斗/GNSS相位距离的桥梁结构形变监测模型；针对缓慢变形的桥梁结构，提出了连续分区方法解算桥梁结构准静态形变；进一步针对传统GNSS传感器成本昂贵的问题，集成开发了低成本、轻量级北斗/GNSS桥梁形变监测传感器，研究了轻量级北斗/GNSS数据质量与噪声特性。基于轻量级北斗/GNSS监测桥梁结构准静态形变实验表明，所提出准静态形变监测方法具有亚毫米级分辨率和毫米级监测精度。 （2）针对GNSS在桥梁结构瞬态形变监测中的精度不足问题，提出了桥梁结构瞬态形变毫米级监测理论方法。提出了基于天顶—水平双星站星差分的桥梁瞬态形变监测方法，剖析了双星站间差分相位残差的误差机制，建立了北斗/GNSS相位残差与桥梁结构形变量的数学模型。重庆李家沱长江大桥形变监测实验表明，所提出的瞬态形变监测方法具有毫米级监测精度。 （3）研究了面向桥梁结构形变监测的LiDAR点云数据配准方法，提出一种结合法向量角度、向量点积、距离、曲率特征的32维描述符配准方法，该方法的子描述符具有旋转、平移不变性；通过该描述符对点邻域信息进行降维描述，显著提升了大型桥梁结构无序点云配准效率；实桥点云配准实验结果表明，本文所提方法的配准精度、时间效率均优于FPFH、SHOT等描述符配准方法。 （4）研究了基于LiDAR点云数据的桥梁结构静态形变监测方法，揭示了基于点云的桥梁结构形变监测中的误差形成机理，验证了点云形变测量精度可达到亚毫米级；进一步考虑到杆梁的长度远大于截面尺寸的特性，明晰了杆梁结构点云的空间分布规律，提出了基于空间形态差分的桥梁挠度计算方法，实验结果表明该挠度计算方法形变监测精度可达亚毫米级；针对桥梁结构损伤区域点云在构建曲面模型时的病态乘性误差问题，引入Tikhonov正则化参数，推导出乘性病态模型正则化加权最小二乘解法，有效降低了模型病态性。 （5）基于本文提出的理论和方法以及集成开发的轻量级北斗/GNSS硬件设备，研发并搭建了具备高连续性的北斗/GNSS实时形变监测系统，相关设备、终端和自研软件在重庆郭家沱长江大桥开展了工程应用研究，索鞍顶推施工过程中的北斗/GNSS形变监测精度可保持在毫米级，为桥梁健康监测提供了连续、稳定、可靠的形变序列信息。
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