試論GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

【摘要】 本文首先介紹了GPS 技術(shù)的基本原理和GPS 技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了GP5 定位技術(shù)在建立工程測(cè)量控制網(wǎng)、RTK 下的碎部測(cè)量與放樣、區(qū)域差分系統(tǒng)下碎部測(cè)量與放樣以及在變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的現(xiàn)狀、特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)，以此希望為我國(guó)建筑工程行業(yè)做出微薄的貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】 GPS；工程測(cè)量；應(yīng)用

自上世紀(jì)80 年代GPS 定位技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，在工程測(cè)量過(guò)程中的測(cè)角、測(cè)距、測(cè)水準(zhǔn)為主體的常規(guī)地面定位技術(shù)，正逐步被高速度、高效率、高精度的GPS技術(shù)所代替。本文將以多年的工程測(cè)量實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代工程測(cè)量技術(shù)的發(fā)展水平，對(duì)GPS測(cè)量技術(shù)的基本原理、技術(shù)優(yōu)點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用展開(kāi)論述，希望以此為同行業(yè)人員的日常測(cè)繪工作有所借鑒。

1.GPS測(cè)量的基本原理

在GPS 定位中，如果在某個(gè)位置架設(shè)GPS 接收機(jī)，其會(huì)同時(shí)接收至少3顆GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號(hào)和導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息，再根據(jù)后方交會(huì)原理，測(cè)得衛(wèi)星到測(cè)站點(diǎn)的幾何距離，確定出測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而顯示出測(cè)站的位置。GPS衛(wèi)星是高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星，其坐標(biāo)值隨時(shí)間在快速的變化，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以將GPS 定位分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位。而根據(jù)對(duì)GPS 信號(hào)的不同觀測(cè)量，可分為偽距定位和載波相位測(cè)量?jī)煞N定位法。前者是利用GPS 衛(wèi)星的偽噪聲編碼信號(hào)，測(cè)定接收機(jī)到GPS 衛(wèi)星的距離，而后者是通過(guò)測(cè)量載波相位，求得接收機(jī)到GPS衛(wèi)星的距離。

2.GPS定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

2.1 自動(dòng)化程度高

采用GPS 接收機(jī)測(cè)量時(shí)，僅需一人將天線安置于測(cè)站上，量測(cè)天線高并接通電源，在啟動(dòng)接收單元后，儀器即自動(dòng)開(kāi)始工作。在結(jié)束測(cè)量時(shí)，只需關(guān)閉電源即可。若需要長(zhǎng)時(shí)間且連續(xù)測(cè)量，則還可實(shí)行無(wú)人值守的數(shù)據(jù)采集，再通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸，將所采集的定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

2.2 定位精度高

GPS定位短距離的精度可達(dá)毫米級(jí)，中、長(zhǎng)距離的相對(duì)精度可達(dá)到10- 7 至10- 8。差分導(dǎo)航的精度可達(dá)米級(jí)至厘米級(jí)。大型建筑物、構(gòu)筑物變形監(jiān)測(cè)，在采用特殊的觀測(cè)措施、精密星歷和適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理模型和軟件后，平面精度可達(dá)亞毫米級(jí)，高程精度可穩(wěn)定在1毫米左右。

2.3 全天候?qū)崟r(shí)定位

GPS 定位技術(shù)，不受天氣的影響，可以全天候地工作。這一特點(diǎn)保證了變形監(jiān)測(cè)的連續(xù)性和自動(dòng)化。

2.4 具備三維坐標(biāo)

在GPS 技術(shù)測(cè)量的同時(shí)，能精準(zhǔn)確定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其高度精確度完全可以滿足現(xiàn)代化工程的

測(cè)量要求。

3.GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 建立工程控制網(wǎng)

在大型工程建設(shè)的過(guò)程中，控制網(wǎng)的面積大，要求的精度高，而且測(cè)量數(shù)據(jù)隨著工程的進(jìn)度在不斷變化，需要高頻率的測(cè)量。傳統(tǒng)測(cè)量的定位點(diǎn)通常是位于地面的，隨著工程的建設(shè)，這些點(diǎn)中大部分會(huì)被不斷破壞，測(cè)量的進(jìn)度也就被破壞了。而且，導(dǎo)線測(cè)量的方式要求點(diǎn)與點(diǎn)之間通視，且需要分段實(shí)施，才能避免誤差積累過(guò)大。因此浪費(fèi)時(shí)間也浪費(fèi)精力，同時(shí)還存在著測(cè)量精度不均勻的問(wèn)題。

應(yīng)用GPS 技術(shù)建立控制網(wǎng)，通常采用載波相位靜態(tài)差分技術(shù)（RTK），點(diǎn)與點(diǎn)之間不需要通視，可以敷設(shè)很長(zhǎng)的GPS 點(diǎn)構(gòu)成三角鎖，以保持長(zhǎng)距離線路坐標(biāo)控制的一致性。GPS技術(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法，可以實(shí)時(shí)掌握測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)量精度，在達(dá)到精度要求后，就可以停止測(cè)量了，不需要再計(jì)算出數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)精度要求需要返工時(shí)，可實(shí)時(shí)地判定解算結(jié)果是否成功，以減少冗余觀測(cè)，縮短觀測(cè)時(shí)間，節(jié)省開(kāi)銷。

3.2 RTK 的碎部測(cè)量與放樣

RTK 系統(tǒng)由兩部分組成，即基準(zhǔn)站和移動(dòng)站。其本原理是將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶，用戶根據(jù)基準(zhǔn)站的差分信息，進(jìn)行求差解算用戶的位置坐標(biāo)。RTK 技術(shù)可以應(yīng)用于測(cè)繪地形圖、地籍圖、測(cè)繪房地產(chǎn)的界址點(diǎn)、平面位置的施工放樣等。采用RTK 技術(shù)測(cè)圖時(shí)僅需一人進(jìn)行，首先將GPS 接收機(jī)放在待定的特征點(diǎn)上，并輸入該特征點(diǎn)的編碼即可。在測(cè)定一個(gè)區(qū)域內(nèi)的地形、地物特征點(diǎn)后，將信息傳入計(jì)算機(jī)，由專業(yè)成圖軟件自動(dòng)生成所需的成果圖。在施工放樣、標(biāo)定界標(biāo)點(diǎn)時(shí)，常規(guī)的測(cè)量方法需要后視方向、用解析法標(biāo)定，而采用RIK 技術(shù)，則可直接標(biāo)定坐標(biāo)，簡(jiǎn)捷易行。

3.3 區(qū)域差分網(wǎng)下的碎部測(cè)量與放樣

區(qū)域性GPS 差分系統(tǒng)下的碎部測(cè)量、放樣，是基于區(qū)域GPS 差分網(wǎng)進(jìn)行的。區(qū)域差與RTK 單基點(diǎn)載波相位差分的原理相似，不同的是區(qū)域差分的基準(zhǔn)站通常多于1 個(gè)。多基準(zhǔn)站組成基準(zhǔn)網(wǎng)，基準(zhǔn)網(wǎng)提供各個(gè)基準(zhǔn)站的差分信息，用戶接收機(jī)根據(jù)自己的位置，確定各基準(zhǔn)站差分信息的權(quán)，按非等權(quán)平差后形成自己的差分改正數(shù)，實(shí)現(xiàn)差分定位。

3.4 GPS 變形監(jiān)測(cè)

變形監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)高層大樓、大橋、水庫(kù)大壩等建筑物或構(gòu)筑物的地基沉降、位移、傾斜等狀況。常規(guī)的監(jiān)測(cè)技術(shù)是應(yīng)用水準(zhǔn)測(cè)量的方法，監(jiān)測(cè)地基的沉降。應(yīng)用三角測(cè)量或角度交會(huì)的方法，監(jiān)測(cè)地基的位移和整體的傾斜。由于被監(jiān)測(cè)物體通常都是幾何尺寸較大、監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜、監(jiān)測(cè)技術(shù)要求較高等特點(diǎn)，所以，觀測(cè)的時(shí)間較長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大且難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。而采用GPS 定位技術(shù)，則可實(shí)現(xiàn)可全天候工作、定位精度高且不需要通視。利用GPS 進(jìn)行水平位移觀測(cè)時(shí)，可獲得小于2mm位移矢量，高程的測(cè)量誤差也低于10mm誤差。

國(guó)內(nèi)的一個(gè)具有代表意義的工程實(shí)例，是湖北省長(zhǎng)陽(yáng)土家族自治縣境內(nèi)的隔河巖大壩。其壩頂弧線全長(zhǎng)653m，于1997年底至1998年初安裝、調(diào)試并運(yùn)行，并成功安裝GPS自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)有兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，采取了適當(dāng)?shù)奶岣呔鹊拇胧缦到y(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理等。監(jiān)測(cè)點(diǎn)在水平方向的測(cè)量精度為0.5 ～1.0mm，高程方向的測(cè)量精度為1.0～1.5mm。經(jīng)實(shí)驗(yàn)及運(yùn)行實(shí)踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、數(shù)據(jù)可靠、監(jiān)測(cè)精度高。這一監(jiān)測(cè)工程的成功范例，標(biāo)志著我國(guó)大型建筑物或構(gòu)筑物采用GPS 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)代的開(kāi)始。此外，在不久的將來(lái)，價(jià)格低廉、多天線、操作更為便捷的GPS 變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也會(huì)不斷被研發(fā)出來(lái)，并應(yīng)用到工程測(cè)量中。其研發(fā)宗旨是采用一個(gè)特制天線轉(zhuǎn)制開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)GPS天線與一臺(tái)接收機(jī)相連接，接收機(jī)再按照預(yù)先設(shè)置的程序，分時(shí)掃描每一臺(tái)天線并實(shí)現(xiàn)GPS衛(wèi)星的跟蹤，再通過(guò)多天線識(shí)別與分離模塊處理軟件來(lái)完成數(shù)據(jù)處理。

4.結(jié)束語(yǔ)

GPS 技術(shù)具有精度高、速度快、不受氣候條件及通視條件的限制等優(yōu)點(diǎn)，另外，GPS 接收機(jī)具有自動(dòng)觀測(cè)的特點(diǎn)，這為實(shí)現(xiàn)大型工程建筑物變形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。隨著GPS技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，給目前測(cè)量手段帶來(lái)了日新月異的變化，也給工程測(cè)量帶來(lái)許多方便，這種方法也能夠節(jié)約大量人力、物力、時(shí)間及成本。因此，GPS 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為多領(lǐng)域、多模式、多用途的國(guó)際性高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

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作者簡(jiǎn)介：劉偉（1964年10月）男，遼寧省沈陽(yáng)人，漢族，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，從事工程測(cè)量技術(shù)工作。