GPS在地質測繪中的應用

呂澤民

摘要：GPS測量技術的出現和不斷發展，極大地促進了測繪工作的進步，不僅使測繪的工作方式發生了根本性的變革。也大大提高了工程測繪的工作效率、拓廣了工程測繪的服務范圍。文章對GPS在工程測繪中的應用進行了分析。

關鍵詞：GPS；工程測繪；GPS測量

中圖分類號：P228.4

文獻標識碼：A

文章編號：1006－8937(2009)16－0072－02

全球定位系統(GPS)是“衛星授時測距導航／全球定位系統”的簡稱，具有高的定位精度，為全球大地測量提供強有力的工具。它在測地中的應用包括：建立和測定大地控制網點；地圖測繪；建立地理信息系統；公路、鐵路及其他大型工程建設的測量；研究地球動力學現象，包括測量地球外殼畸變、火山隆起、地震預測、大地板塊結構及地球旋轉等。目前GPS接收機能進行動態、準動態、快速靜態等多種測量工作方式，使定位精度達到(3mm+1×10^-7，D)(D為測量距離)，觀測時間由原幾小時縮短到幾分鐘，擴拓了它在大地測量中的應用。

GPS在測量中的應用廣泛，文章重點分析大地控制網點、水下地形測繪和地球動力學對地震的預測。

1測定大地控制網點

我國的國家高精度GPS大地測控網布測工作從1991年開始，目的是建立全國性的新的一代基礎大地測控網，由陜西測繪局、四川測繪局、黑龍江測繪局和武漢測繪大學承擔。它是利用先進的GPS技術對我國的基礎控制網進行重測，以提高網點測量精度，優化我國大地測控網，并為地球動力學的研究提供基礎數據。布測工作于1996年完成，目前重測后的A級網點有27個，B級網點760個。

我國的許多省市引進了GPS測量設備，布測本地區、本市的控制網點，擴大控制面積，為本地區的開發和制定城市建設規劃起了積極的作用。

我國的測繪科學考察隊在第11次南極科學活動中，圓滿地完成了95年南極GPS聯測、菲爾德斯海峽形變監測網的GPS觀測等5項工作，得到全南極GPS聯測資料，大大提高了我國在南極大地測量科學研究中的學術地位。在南極還進行了長城站和中山站的田騾聯測，使長城站坐標和全南極統一。1995年，中國首次北極科學考測隊員手持GPS接收機，確定考察隊每個行進位置，沿著到達北極的最短路徑，找到了北極點，并在考察隊需要增援時準確發出所在位置信息。

2在水下地形測繪中的應用

2.1采用實時差分GPS定位

海洋資源開發利用、海港建設和改造、航道疏浚和整治；海岸和江岸碼頭的施工和設計等，所有水下工程都需要精密的水下地形圖。而繪制精密水下地形圖都必須進行水深和平面位置的三維測定，然后來用微機進行水下地形圖的繪制。

《水深的測量利用測深儀》根據超聲波測量水深的原理，由換能器發射的聲脈沖到達海底反射回來，接收器接收反射脈沖，并測定發射至接收之間的時間t，求得水深h=1／2Vt。這里，V為聲波在水中的傳播速度，v約為1500m／s。在水深測量的同時，還利用潮位儀進行潮位測定，用以改正水深測量值，最后求得水下地形的高程。

平面位置的測量，以前采用經緯儀、經外測距儀或三應答器等無線電定位設備。這些設備都具有操作復雜、外界條件要求苛刻等問題，應用十分不便。GPS的出現，開拓了解決平面位置測量的新途徑，但是采用單頻C／A碼定位精度不高，不能進行大比例尺水下地形測繪。應用差分GPS技術可以解決這一問題。

將測深儀、潮位儀、差分GPS接收機以及終端設備結合起來，就購成一套完整的測量船上的水下測繪系統。圖1為該系統的一種測繪框圖。這里，DGPS接收機接收GPS衛星信號和來自差分基站的校正信號，用基臺校正數據修正測量船蹬s測量誤差。在航行前，預先在計算機中輸入測線首尾點坐標。在測量工作時，DGPS接收機將測定的坐標參數輸入計算機，經計算與坐標轉換，在彩色顯示屏上實時顯示航跡線及各種導航參數，包括測線號、定位序號、定位時間、基線方向角及航向角、偏離航線距離、離測線起點和終點的距離。操作者根據導航監視器顯示的參數，可隨時修正航向，沿計劃航線航行。定位采樣間隔取1s。定位時、計算機自動打印記錄，并將數據存于硬盤和軟盤。

在定位的同時，通過同步定時器給測深儀和潮位儀發出定標信號，使定位采樣、測深采樣和潮值采樣同時進行。同步定標器設置了多條控制線，還可連接其他測試儀器同時定標。

按《海上測量規范》要求，海上定位點平面位置誤差為圖上1.5mm。采用實時DGPS測量精度能達到±2m，可用于大于1□2000比例尺的測圖。

2.2采用后處理差分GPS動態定位

GPS后差分動態定位是將兩臺GPS接收機分別設于差分基站和船站，同步測量來自相同衛星組的導航信號，利用基站得到的校正值，對船站定位數據進行測后修正。后處理GPS測繪系統的框圖基本上同圖1，僅是DGPS接收機用GPS接收機替代。

后差分技術要求船站與差分基站同日報收來自至少三顆相同衛星的信號，并記錄在硬盤和軟盤中，在事后進行數據處理。將基站和船站記錄的數據拷入同一計算機進行須處理，形成統一的數據格式。利用后差分軟件計算基站GPS測定位置與已知位置的差值，即差分改正數。然后，按照時間對應的方法用此改正數對船站測得的GPS數據進行校正，求得修正后的船載接收機天線所在位置的精確地理坐標。

后處理差分的優點是不受船站與基站之間障礙物的影響：可以多個船站同時工作，將測試結果進行家后分別處理，互不影響。后處理差分可以滿足小于111萬比例尺的各種測繪及海上工程測量定位。它的缺點是兩地必須采用同一組衛星信號。

后處理差分在我國水下測繪中得到應用，例如，國家海洋局第一測繪所利用該技術測繪1□5萬比例尺的廣西沿海海底的地形。測量數據表明，GPS后處理差分動態定位精度優于15m的占總測點數的95％以上，最大的誤差值為25m，符合《海道測量規范》。

3在研究地球動力學和地震預報中的應用

觀測地殼運動，研究地球動力學問題，特別是地震前兆的地形變是地質學家的重要課題，也是測繪工作者的任務，用傳統的大地測量方法取得了不少寶貴的資料。國內外資料表明，地殼確實存在運動，但這種運動是十分緩慢的。日本、美國的地面水平形變每年為10^-7量級，我國、日本及原蘇聯等國的地面垂直形變每年為幾毫米。有人認為我國華南板塊向東南方向滑動速率為每年21mm，而有人即認為每年在5mm以內。我國唐山大地震前的資料表明地面垂直形變幾十毫米，水平形變每年10^-6。遠遠小于地震后的地面高達幾米的永久形變。一般的地殼形變在時空分布是不均勻的，時快時慢，有的地方顯著，有的地方微小，其規律有待進一步觀測研究。

用傳統的大地測量技術觀測地殼運動精度低，范圍小，水平形變觀測精度在10^-6以下，直接觀測范圍最多僅為幾十公里；并且復測周期長，如在我國復測一次需數年，耗資巨大。這就限制了對地殼運動及地形變前兆的研究。GPS技術彌補了傳統大地測量技術的不足，適應地球動力學及地震預報研究的需要。

在國外，美國、日本等國利用GPS技術研究地球動力學與地震預報已做了大量的工作。日本的研究主要針對地震預報，早在1988年在日本關東地區建立了世界上第一個監測地殼形變的GPS觀測網，觀測到板塊的運動。美國的地震預報研究主要集中在有可能發生大地震的西部加里福尼亞地區和加洲南部地區，在南加洲已布設了連續監測地殼形變的永久GFS觀測臺陣，觀測臺的間隔為100km，沿斷層則加密至10km。1991年，中美和中意合作在我國西藏地區開始了板內運動狀態的GPS測試試驗，隨后進行了較大規模的板塊運動狀態勢測試。

監測洲際間的板塊運動，不僅有助于研究地球動力學問題，也是研究全球地震活動規律的需要，近幾年來已開展了一些利用GPS的國際合作項目。國際試驗和研究表明，對于500km以內的GPS站間距離測量，能達到土(5mm+1×10^-8D)的測量精度，三維位置達到±3cm左右，它們的重復測量精度也為10^-8量級。這樣的精度正好滿足板塊運動狀態的精度要求。有人認為，利用GPS精密定位技術長距離測量可達到10^-9量級的精度，即1000km僅有幾毫米的誤差。