工程測量中應(yīng)用GPS控制測量平面及高程精度

吳迪 耿直

【摘 要】工程行業(yè)的發(fā)展與工程技術(shù)的進步是相輔相成的關(guān)系。作為工程技術(shù)的重要組成部分，GPS控制測量技術(shù)不僅與工程數(shù)據(jù)測量結(jié)果的準確性有關(guān)，而且對工程整體施工質(zhì)量有重要影響。基于此，本文將利用GPS控制測量平面以及控制測量高程精度作為調(diào)查研究的內(nèi)容，通過對GPS測量技術(shù)實施重要性的簡單描述，此外，還提出了影響GPS控制測量平面和高程精度的因素，以提高測量技術(shù)的精度。本文的目的是為GPS控制測量技術(shù)的發(fā)展提供參考性建議，為工程技術(shù)的全面發(fā)展提供積極的推動作用。

【關(guān)鍵詞】工程測量；GPS控制測量技術(shù)；平面及高程精度

一、概述

最近幾年，我國社會基礎(chǔ)設(shè)施的快速建設(shè)推動了 GPS技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，如在大地測量方面，利用 GPS技術(shù)建立全球大地控制模型，提供精確的地心坐標，并精化大地水準面；在工程測量中，采用 GPS靜態(tài)定位技術(shù)，為測量區(qū)域布設(shè)高精度工程控制網(wǎng)，以便用于城市地表沉降，主壩變形，超高層建筑的變形監(jiān)測，以及長距離隧道貫入測量等； 在航空攝影測量方面，利用GPS技術(shù)在GIS上的應(yīng)用，建立三維大型建筑、公路、橋梁的BIM模型，更立體直面的了解建筑實物概況；在地球科學中，GPS技術(shù)用于監(jiān)測地殼運動； 此外， GPS技術(shù)還用于海洋測量，水下土地測繪，軍事防御，智能交通，電信，采礦，煤炭，石油，建筑和農(nóng)業(yè)，氣象，土地管理，環(huán)境監(jiān)測，金融，公安等部門和行業(yè)。本篇文章以蕪湖長江公路二橋作為例子，對GPS控制測量平面及高程精度進行了深入的探討。

二、GPS定位測量技術(shù)的原理及布設(shè)形式

（一）GPS控制測量技術(shù)既是使用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，并依靠衛(wèi)星信號來進行分析的定位測量技術(shù)，其基本的定位原理為：

1.根據(jù)空間三維前方交會法，使用地面坐標計算出衛(wèi)星實時軌道位置。

2.根據(jù)空間三維后方交會法，使用衛(wèi)星實時位置坐標，計算出地面未知點坐標。

計算公式如下：

該技術(shù)在地面區(qū)域進行操作時，僅需要使用GPS信號接收器對衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的測量結(jié)果進行接收[1]。因此，在實際測量技術(shù)應(yīng)用中，GPS技術(shù)具有定位準確性高，定位時間短，不需要測站點之間相互通視，攜帶操作方便等優(yōu)點。

（二）GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計連接形式分為：1.點連式。2.邊連式。3.網(wǎng)連式。4.邊點混合連接式。5.三角鎖（多邊形）連接。6.導線網(wǎng)形連接（環(huán)形圖）。7.星形布設(shè)。蕪湖長江公路二橋應(yīng)用GPS靜態(tài)控制測量技術(shù)，使用4臺GPS接收機，之間采用邊連式連接，形成大地四邊形組成的帶狀網(wǎng)。GPS網(wǎng)形如圖2-1所示。

三、影響GPS控制測量平面及高程精度的因素

影響GPS控制測量精度的因素有很多種，GPS衛(wèi)星測量本身的誤差來源、控制網(wǎng)布設(shè)結(jié)構(gòu)可靠性、觀測與數(shù)據(jù)處理方法等。

（一）GPS衛(wèi)星測量誤差來源

GPS測量主要的誤差分類如表3-1所示

（二）GPS控制網(wǎng)結(jié)構(gòu)可靠性

GPS控制網(wǎng)的精確程度是可以通過基數(shù)向量殘差、相鄰控制點的分量中誤差和距離中誤差加以評定的。GPS網(wǎng)的設(shè)計與觀測方案決定了GPS網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。而GPS網(wǎng)發(fā)現(xiàn)及抵御觀測和基線解算數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的粗差的能力叫做GPS網(wǎng)的可靠性。所建立的網(wǎng)發(fā)現(xiàn)粗差的能力稱為內(nèi)可靠性，抵御粗差的能力稱為外可靠性。大型橋梁的施工控制網(wǎng)最好在橋梁軸線上進行測點布設(shè)，以方便控制進行橋梁結(jié)構(gòu)物放樣，在橋軸線側(cè)部布設(shè)點，可以用于橋梁的下部結(jié)構(gòu)放樣。橋梁施工控制網(wǎng)常常也會兼作施工、運營期的橋梁變形監(jiān)測，所以對點的精度。位置和穩(wěn)定性要求較高[2]。

（三）觀測與高程擬合

觀測總體上應(yīng)執(zhí)行觀測方案，按計劃進行同步觀測作業(yè)。作業(yè)前計劃觀測天氣、環(huán)境因素，交通、通信及后勤保障，儀器校核，保證觀測異步環(huán)不超過限差。在GPS測量中應(yīng)使用大地高與水準測量結(jié)合的方式，降低高程擬合誤差。實際觀測中，由于擬合模型的選擇方式，擬合高程誤差大，會影響高程精確度。

（四）數(shù)據(jù)檢核與處理

數(shù)據(jù)采集完成后，數(shù)據(jù)采集誤差的大小直觀的影響GPS控制網(wǎng)的精度。評定基線解算結(jié)果誤差大小的標準有兩個方面，一方面是在統(tǒng)計學原理基礎(chǔ)上的參考標準，另一方面是在測量規(guī)范基礎(chǔ)上的控制標準。在工程應(yīng)用中必須滿足后一方面。而GPS網(wǎng)平差的目的主要有三個：

1.消除有已知存在條件與實際觀測的GPS幾何網(wǎng)型不一致的偏離誤差。

2.改善GPS網(wǎng)的質(zhì)量，評定GPS網(wǎng)精度。

3.確定GPS網(wǎng)中各點在特定參考系下的三維坐標以及其他數(shù)據(jù)參數(shù)的估值[3]。

對數(shù)據(jù)進行合適的預處理，選擇合適的數(shù)據(jù)處理軟件，按要求以合適方法檢驗基線質(zhì)量，平差計算對于保證控制網(wǎng)精度的十分重要。

四、提升GPS控制測量平面及高程精度的策略

（一）提升設(shè)備精準度

利用雙頻GPS接收機同步觀測能夠有效減弱電離層折射影響。可以使用扼流圈天線，避開水域、光滑平坦地面，大規(guī)模建筑群，增加觀測時間等措施減弱多路徑效應(yīng)。使用強制對中裝置減弱天線相位中心位置誤差帶來的影響。鑒于以上GPS測量的誤差來源，在實際觀測作業(yè)中應(yīng)采用相對定位或差分測量的形式減小誤差影響，必要時采用精密星歷定位。與此同時除了選擇性能優(yōu)異的GPS接收機和相關(guān)的后處理軟件以外，應(yīng)該選擇合理的觀測站點和觀測時間，做好外業(yè)觀測設(shè)計以求減弱GPS測量的誤差[4]。

（二）控制網(wǎng)布設(shè)要求

為滿足施工建設(shè)的需要，布設(shè)建設(shè)工程控制網(wǎng)應(yīng)具有必要的精確度。根據(jù)《工程測量規(guī)范》（GB0026-93），《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（ GB/T18314-2009）以及施工圖設(shè)計文件，得出蕪湖長江公路二橋GPS控制網(wǎng)測量作業(yè)技術(shù)指標要求如表4-1所示。

在實際布設(shè)GPS控制網(wǎng)過程中需要注意：

適當數(shù)量的異步環(huán)更能充分的發(fā)現(xiàn)基線向量中存在的問題，更加客觀地反映GPS測量的質(zhì)量。但最簡異步環(huán)的邊數(shù)不大于6條。

使用高精度的激光測距儀測距作為觀測值，和GPS觀測值一起聯(lián)合平差，或者將它作為起算邊能大幅提高GPS網(wǎng)的精度。

GPS高程測量的精度取決于大地高和大地水準面，通過高程擬合得到的高程點需要保證其精度，因而在布網(wǎng)時，需要適當選取一些水準點均勻分布在區(qū)域內(nèi)。當測量區(qū)域較大時，為避免地球曲率因素等的影響，可以將測量區(qū)域分為幾塊較小的區(qū)域建立擬合模型進行測量[5]。

（三）觀測過程

GPS觀測選擇觀測條件良好的時段，總體上執(zhí)行調(diào)度計劃，按規(guī)定時間進行同步觀測作業(yè)。作業(yè)前嚴格按照要求對儀器進行檢校，采用精密對點器對中，對中誤差小于2mm。每個觀測時段前后應(yīng)分別量取天線高，精度大于2mm，取平均值作為最終天線高。對講機的使用遠離GPS接收機。時段觀測前，儀器變動需要重新整平對中。觀測時段數(shù)Smin為：

其中，n為點數(shù)量，N為觀測GPS接收機數(shù)量，m為重復設(shè)站觀測次數(shù)，ceil（）函數(shù)作用是對實數(shù)向上取整。

（四）數(shù)據(jù)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完后，可以利用軟件對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理，根據(jù)觀測值的信噪比、衛(wèi)星高度角、衛(wèi)星健康狀態(tài)、多路徑效應(yīng)等情況，篩選出合格的原始數(shù)據(jù)進行基線向量解算。基線向量采用廣播星歷和商用隨機軟件進行，解算過程中同一時段觀測值數(shù)據(jù)剔除率小于10%。解算時，各同步環(huán)之間的起算點采用同一點或該點的衍生點[6]。衡量GPS網(wǎng)內(nèi)精度是GPS網(wǎng)無約束平差所得到的GPS網(wǎng)精度指標。而GPS網(wǎng)的非自由網(wǎng)平差則常常被用于保證GPS網(wǎng)成果由基線解算時，所用GPS衛(wèi)星星歷采用的參考系到指定參考系的轉(zhuǎn)換不發(fā)生變化。工程中常聯(lián)合平差作為GPS網(wǎng)平差的類型。在蕪湖長江公路二橋中，我們采用徠卡GPS商用處理軟件LGO進行GPS基線處理、網(wǎng)平差計算。采用科傻地面控制測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件和天寶TBC數(shù)據(jù)后處理軟件進行平差復核。

五、結(jié)論

在工程建設(shè)中，應(yīng)用GPS定位技術(shù)進行控制測量十分普遍，而影響GPS控制測量精度的因素有很多，本文從蕪湖長江公路二橋的控制網(wǎng)的具體實例出發(fā)，深入的探討了在實際工作中，運用GPS控制測量需要注意的問題，希望能夠在今后的工作給出一些參考意見。

【參考文獻】

[1]張文軒.淺析GPS控制測量平面與高程精度在工程測量中的應(yīng)用[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2016，18（12）：49-50.

[2]張正祿，李廣云.工程測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2015：50-51.

[3]李征航，黃勁松.GPS測量[M].武漢：武漢大學出版社，2013：167-168.

[4]魏天福.淺談GPS測量的誤差來源與減弱措施[J].科技視界，2015（02）：248-305.

[5]穆寧.工程測量中GPS控制測量平面及高程精度分析[J].低碳世界，2016，（26）：115-116.

[6]蔡少云，魯軍.滬通長江大橋施工控制網(wǎng)跨江測量技術(shù)[J].橋梁建設(shè)，2015，45（6）：117-122.