GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用

摘要：工程測(cè)量是整個(gè)工程建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的有效應(yīng)用，很大程度提高了工程測(cè)量作業(yè)的效率。隨著研究的深入以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，GPS 系統(tǒng)在工程測(cè)量中的應(yīng)用呈現(xiàn)多元化。本文剖析了GPS技術(shù)在工程測(cè)量實(shí)際應(yīng)用，并對(duì)其中存在的不足提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：GPS；工程測(cè)量；實(shí)際應(yīng)用

引言

美國(guó)首先開始對(duì) GPS 系統(tǒng)（全球定位系統(tǒng)）進(jìn)行設(shè)計(jì)與研制，但僅用作軍事部門對(duì)海陸空進(jìn)行高精度地導(dǎo)航與定位，因此更多體現(xiàn)出 GPS 系統(tǒng)的全天候、全球性、實(shí)時(shí)性、連續(xù)性導(dǎo)航與定位的功能，即就目標(biāo)獲取精準(zhǔn)的三維坐標(biāo)。GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用，是工程測(cè)量的重大技術(shù)革命。工程測(cè)量技術(shù)的完善，在于設(shè)備的引進(jìn)和技術(shù)的改進(jìn)。目前，在我國(guó)技術(shù)條件下，GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的有效應(yīng)用，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

一、GPS 測(cè)量技術(shù)

GPS 定位技術(shù)具有精準(zhǔn)度高、自動(dòng)化程度高、潛力大的特點(diǎn)，因此倍受各國(guó)測(cè)量工作者的青睞。

研制初期，GPS定位僅具備靜態(tài)相對(duì)定位的作業(yè)模式，即待定點(diǎn)安裝≥2臺(tái)的 GPS 接收機(jī)，如此對(duì)某組衛(wèi)星進(jìn)行≥1～2h 的連續(xù)同步觀測(cè)，隨后再對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，并獲取待定點(diǎn)間的基線向量。實(shí)踐表明，若采用廣播星歷，那么靜態(tài)定位所獲取的基線解精度可達(dá) 5mm（雙頻）/10mm（單頻）+2*10-6D。隨著研究的深入，快速靜態(tài)定位逐步成為短基線測(cè)量作業(yè)的新突破，如此實(shí)現(xiàn) GPS 測(cè)量效率的提高。實(shí)踐表明，在<10km 的短邊范圍內(nèi)，兩組 GPS 測(cè)量系統(tǒng)（雙頻）對(duì) 4～5顆衛(wèi)星正常接收 5min 所獲取的基線解精度可達(dá) 5～10mm+1*10-6D，而此數(shù)據(jù)能夠與靜態(tài)定位≥1～2h 的結(jié)果相媲美。

二、GPS技術(shù)的特點(diǎn)

1、全天候作業(yè)

我國(guó) GPS衛(wèi)星具有數(shù)目多、分布均勻的特點(diǎn)，可以在任何時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，不受天氣等自然條件的影響。

2、操作方便

高自動(dòng)化和智能化，是目前 GPS測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)。在實(shí)際的工程測(cè)量中，使工程測(cè)量人員的工作量得到減輕。

3、測(cè)站之間無須通視

一直困擾測(cè)量學(xué)發(fā)展的難題就是觀測(cè)站之間通視問題，而GPS測(cè)量以實(shí)際需要為依據(jù)，進(jìn)行具體點(diǎn)位確定時(shí)，具有無須通過觀測(cè)站之間通視的特點(diǎn)，使選點(diǎn)工作變得更加靈活和方便。

4、觀測(cè)時(shí)間短

在利用 GPS技術(shù)建立控制網(wǎng)時(shí)，每一個(gè)測(cè)站需要 30～40m in 的觀測(cè)時(shí)間。隨著 GPS技術(shù)不斷的完善，測(cè)站的觀測(cè)時(shí)間也會(huì)隨之逐漸縮短。如果利用快速靜態(tài)定位或動(dòng)態(tài)定位的方法，每一個(gè)測(cè)站需要 20m in 觀測(cè)時(shí)間。

5、提供三維坐標(biāo)

GPS技術(shù)，能夠?qū)τ^測(cè)站的平面位置和大地高程，進(jìn)行精確的測(cè)定。

6、定位精度高

GPS的測(cè)量相比紅外儀，其精度大致相當(dāng)。而隨著距離大增加，GPS測(cè)量的優(yōu)越性越發(fā)突出。大量的實(shí)驗(yàn)證明，在 100km 到 500km 的基線上，相對(duì)定位精度可達(dá) 10-6～10-7，在小于 50 km 的基線上，相對(duì)定位精度可達(dá) 1.2×10-6。

三、GPS主要組成部分及測(cè)量原理

全球定位系統(tǒng)，是美國(guó)海陸空聯(lián)合研制的全天候、全球性、全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與全方位定位能力的衛(wèi)星無限電導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS全球定位系統(tǒng)主要由三大部分組成，即：GPS接收機(jī)（用戶設(shè)備部分）、地面支撐系統(tǒng)（地面監(jiān)控部分）、GPS衛(wèi)星（空間星座部分）。

測(cè)量中的距離交會(huì)定點(diǎn)原理，是實(shí)現(xiàn) GPS測(cè)量技術(shù)定位的依據(jù)。在實(shí)際的工程測(cè)量中，可以假設(shè)在待測(cè)點(diǎn)設(shè)置 GPS接收機(jī)。GPS接收機(jī)在某一時(shí)段，會(huì)同時(shí)接收到 3 顆衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)。并通過對(duì)具體數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，可以得出在這一時(shí)段接收設(shè)備天線的中心與衛(wèi)星之間的距離。然后，根據(jù)衛(wèi)星星歷，便可以得出這 3 顆衛(wèi)星的三維坐標(biāo)。

四、GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的具體應(yīng)用

1、建立工程控制網(wǎng)

整個(gè)工程管理、日常維護(hù)和建設(shè)的基礎(chǔ)工作，是工程控制網(wǎng)，它具有覆蓋面積較小、精度要求高、點(diǎn)位密度大等特點(diǎn)。而通過 GPS技術(shù)建立的工程控制網(wǎng)，在點(diǎn)位選擇上較靈活、定位精度高、費(fèi)用低、作業(yè)效率高等等。其還可以應(yīng)用于建立煤礦施工、變形監(jiān)測(cè)和工程首級(jí)控制網(wǎng)等。載波相位靜態(tài)差分技術(shù)是利用 GPS技術(shù)，建立工程控制網(wǎng)時(shí)最常用，它使精度達(dá)到毫米級(jí)的作用。由于工程一般具有橫向很窄、縱向很長(zhǎng)的特點(diǎn)，利用傳統(tǒng)三角鎖導(dǎo)線方法，誤差累計(jì)較大。而利用具有測(cè)點(diǎn)之間無須通視特點(diǎn)的 GPS技術(shù)，鋪設(shè) GPS點(diǎn)較長(zhǎng)，可以使長(zhǎng)距離線路坐標(biāo)控制的一致性得到有效的保持。

2、GPS 技術(shù)變形監(jiān)測(cè)

GPS技術(shù)變形監(jiān)測(cè)，主要是用于監(jiān)測(cè)構(gòu)筑物和建筑物的整體傾斜與地基沉降、位移的情況，如監(jiān)測(cè)高層建筑、大橋和水壩等。巨大的被測(cè)物體尺寸、復(fù)雜的監(jiān)測(cè)環(huán)境、高監(jiān)測(cè)技術(shù)等是這種監(jiān)測(cè)的工作特點(diǎn)。常規(guī)監(jiān)測(cè)方法是，采用水準(zhǔn)測(cè)量來監(jiān)測(cè)地基的沉降，采用三角測(cè)量的方法，對(duì)整體的傾斜度和地基的位移，GPS技術(shù)在此領(lǐng)域具有廣泛的運(yùn)用。

3、GPS-RTK 技術(shù)的運(yùn)用

RTK 是基于載波相位觀測(cè)值的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位技術(shù)，它能實(shí)時(shí)地提供觀測(cè)站點(diǎn)在任意坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，其精確度能達(dá)到厘米級(jí)。測(cè)設(shè)放樣和測(cè)點(diǎn)定位是 RTK 系統(tǒng)應(yīng)用的主要測(cè)量任務(wù)。在地質(zhì)勘探測(cè)量中，各種性質(zhì)的點(diǎn)都可以進(jìn)行定位測(cè)量。在地形圖測(cè)量時(shí)，測(cè)點(diǎn)可根據(jù)需要定位新標(biāo)記，也可是原先的境界標(biāo)記。G PS-RTK的出現(xiàn)。為地形測(cè)圖、工程放樣以及種控制測(cè)量帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，提高了野外作業(yè)的效率。

4、道路橫斷面測(cè)量

公路勘測(cè)過程，橫斷面的測(cè)量工作相當(dāng)繁瑣，因?yàn)槿緝x測(cè)量往往會(huì)受到通視條件的影響，而采用抬杠法定會(huì)降低測(cè)量精度。因此采用 GPS 測(cè)量既可提高橫斷面測(cè)量的精度以及速度，又可減少測(cè)量的工作量。下文就此測(cè)量方法的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：第一步：求解出待測(cè)橫斷面的中樁Z 點(diǎn)的坐標(biāo)以及中樁的切線方位角（αz），由此可知待測(cè)橫斷面的方位角（α）=αz+90°；第二步：沿著斷面特征點(diǎn)，采用RTK 流動(dòng)站進(jìn)行測(cè)量，由此判定該特征點(diǎn)的詳細(xì)位置，即求解出垂距（D）=（YP-YZ）cosα-（XP-XZ）sinα，若該特征點(diǎn)落到橫斷面，那么 D 的絕對(duì)值≤ε（自定義的精度指標(biāo)），注意RTK 電子手薄能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)此判斷，而若點(diǎn)位落到橫斷面線，那么應(yīng)計(jì)算出并記錄好該點(diǎn)到中樁 Z 點(diǎn)的高差以及平距，最后采用專業(yè)軟件便可繪制出橫斷面圖。

5、大比例尺地圖繪制

多數(shù)高等級(jí)公路選線選用大比例尺帶狀地形圖，比如 1：1000 或者 1：2000。眾所周知，傳統(tǒng)的測(cè)圖方法往往表現(xiàn)出速度慢、工作量大、花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，而采用實(shí)時(shí) GPS 動(dòng)態(tài)測(cè)量卻能夠有效規(guī)避上述缺點(diǎn)，即沿線各碎部點(diǎn)位置分別停留 1～2min，便可獲取對(duì)應(yīng)點(diǎn)的高程以及坐標(biāo)，此時(shí)再對(duì)點(diǎn)的屬性信息以及特征編碼進(jìn)行輸入處理，便可獲取帶狀碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而最后僅需借助繪圖軟件成圖。

結(jié)束語(yǔ)

GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的工程測(cè)量手段和作業(yè)方法。在工程測(cè)量中，有效利用 GPS技術(shù)，可以降低測(cè)量工作強(qiáng)度，同時(shí)也提高了測(cè)量精度和測(cè)量效率。當(dāng)今，在 GPS實(shí)用軟件開發(fā)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究等方面，我國(guó)測(cè)繪人員取得的成果豐碩，為在工程測(cè)量中全面推廣 GPS技術(shù)，提供了技術(shù)保障。

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