GPS測量技術及其在工程測量中的應用

劉敬東

摘要：為了保證各項工程的順利開展，就需要做好測繪工作。隨著現代化測繪技術的發展，測繪技術的準確性和便捷性越來越高。GPS測繪技術由于其良好的準確性，節約測量時間，測量工作方便快捷，因此GPS測繪技術在測繪工程當中得到了普遍的應用。在今后，還應該充分發揮GPS測繪技術的優勢，提升測繪工程的精準性與工作效率，促使測繪工程順利進展，為測繪工程的進步提供助力。

關鍵詞：GPS測量技術；工程測量；應用

GPS技術將信息以坐標點的形式呈現給使用者，傳遞給使用者的信息還包括測繪的地點、時間和速度。此時使用者對測繪信息的認識面也得到了擴展。在導航領域之中，GPS信息獲得了廣泛的應用，紙質版地圖已經被電子版地圖取代。如今人們只需一部手機就能完成對最優路線的規劃，這在很大程度上解決了人們在出行方面的問題。

1 GPS測繪技術的系統組成、基本原理和技術優勢

1.1GPS系統組成

GPS系統主要由以下三部分組成：衛星星座（空間部分）、地面監測系統（地面部分）和GPS接收機（用戶設備部分）。根據測繪工程要求選擇某一位置設定信號接收裝置，這樣一來地上信號接收裝置就會接收到來自GPS衛星系統的數據信息，并且信號接收裝置會處理所得信息，分析不同地區信息和位置，獲得詳細的地理坐標系信息。

1.2GPS系統的衛星定位原理

單點定位：單點定位也稱作絕對定位。單點定位指的是在一個待測點上，通過應用一臺接收機跟蹤GPS衛星，對待測點的地心坐標進行測定。因為很多用戶只單純的了解C/A碼（粗碼），但是不熟悉P碼（精確碼），使得導航電文測量的衛星位置存在一定的誤差。同時由于空氣會影響電波的傳播，使得測量結果出現誤差，所以，單點定位法的精度相對較低，通常是30m左右。此種方式的定位精度無法滿足工程測量的需求，不過在飛機導航、船舶航行等領域應用較為普遍。相對定位：相對定位指的是利用測量衛星將電波傳輸到兩臺接收機，會出現時間差，從而實現待測點的定位。通過兩臺同一型號的接收機對相同的4顆衛星信號進行實時跟蹤，合成處理兩臺接收機接收的電波，這樣就能計算出兩臺接收機之間的相對位置，此時只要給定一個接收機位置就能計算出另一個站點坐標。若是兩臺接收機坐標距離在10公里以內，因為兩臺接收機同時觀測同一個衛星時產生的衛星星歷誤差、時鐘誤差和電波空氣傳播誤差大體相同，所以，在進行相對定位時，就能夠有效抵消（或削弱）上述誤差的影響，提升定位精度。通常情況下，相對定位精度±（5mm+1ppm.D）。這種測量定位方式主要在大地測量以及工程測量中使用。相對定位方法確定一個點大概觀測時間為0.5h～1h。差分定位：差分定位指的是在定位過程中使用2臺以上的GPS接收機，把其中一臺接收機安裝在地面已知坐標點位置上作為基準點，剩余的接收機安裝在待測電商。所有的接收機在同一時間實施單點定位，按照基準站測量所得坐標以及已知的坐標就能計算得出定位結構的位置差分或者是偽距差分。借助基準點以及接用戶站之間的數據鏈，把基準站的改正值同步傳輸到用戶站，同時改正用戶接收機的定位結果，提升定位精度。差分定位融合了單點定位以及相對定位的優勢，而且克服了上述兩種方法的不足。不過需要注意的是，在使用差分定位方法時，必須保證所有接收機型號一致，同時觀測相同的4顆衛星。載波相位實時差分技術（即RTK）是差分定位法當中的一項典型技術。使用差分定位法測量僅需幾十秒就可以測得一個點的位置。

2 GPS測繪技術的優點

2.1觀測用時短，效率高

GPS導航定位技術的應用范圍十分廣泛，在目前的發展階段中，該技術主要應用于工程測繪中，另外在汽車行使方面，也能發揮良好的導航作用。對GPS接收機進行定位是GPS定位的關鍵所在，借助靜態處理的功能，精準把控數據，進而充分體現期間數據，提升數據的精準度。一般情況下，使用一臺GPS測定儀就能獲取并收集數據，如果設置的是兩臺兌點測定儀，儀器之間就能形成良好的協同作用，使得工作的效率明顯提升，與此同時測定的范疇也會有所增加。靜態定位有著工作效率高的特點，可以在較短的時間內完成相應的工作任務。單頻接收機的特點是能夠發揮衛星數據的優勢，進而獲取目標信息。一般情況下，該設備能夠在10～15min之內，連續獲取目標信息[1]。快速靜態定位效果十分明顯，而且接受信號質量水平高，能夠在很短的時間內就完成信號的接收任務，需要的時間一般不會超過5min。

2.2可實現自動化操作

高質高效的應用GPS測繪技術可更好的實現工程測繪自動化操作目標。具體而言，GPS測繪設備結構簡單，操作步驟少，使用門檻較低[2]。同時，隨著我國科技技術的快速發展，GPS測繪裝置體積不斷縮小，便于外出測繪攜帶。相關測繪人員只需將GPS測繪裝置上的接受天線擺放在相應的位置上就可對觀測地點的平面特征及位置進行定位，并將準確三維立體信息提供給用戶。

2.3滿足全天候作業要求

傳統工程測繪極易受到地形條件及障礙物的影響，造成測繪數據出現誤差，無法滿足后期施工要求。但GPS測繪技術主要采用接受及分析衛星信號的方式實現測量，不必受到天氣、溫度等影響，只要滿足觀測條件，就可實現全天候的連續觀測，大大提升了工程測量工作效率。

2.4應用范圍更廣

由于城市用地逐漸向郊外擴展，建筑工程地形圖測量需求量不斷增長，部分工程需在施工場地上布設施工控制網。原有城市技術控制網應用技術較為老舊，應在積極融入GPS技術，減少做過渡點等工作環節，切實降低工程測量成本。

2.5測繪效率高

與傳統工程測繪方式相比，GPS測繪技術的測繪效率更高。一方面，由于施工現場面積大，原有測繪技術需將施工地點分割成幾個部分進行測繪，難以實現對整體地區的準確量測；另一方面，由于傳統測繪方式缺乏相應軟件的支持，需依靠大量的人力物力完成測繪工作。而利用GPS測繪裝置可將測量數據直接傳輸到分析系統中，大大提升了測繪效率及質量。

3 GPS測量技術在工程測量領域中的常見方式

3.1常規靜態測量

常規靜態測量主要利用兩臺或者兩臺以上的GPS接收機作為主要測量設備，分別安置一條或者多條基線位于GPS接收機兩端。這種方式基本上可以實現同步觀測4顆以上衛星的要求，且每時段可根據基線長度或者測量等級，觀測四十五分鐘以上的時間。結合實踐經驗來看，常規靜態測量方式更加適用于建立全球或者國家級大地控制網體系當中，同時也比較適用于建立長距離檢校基線當中，能夠為工程測量工作提供更加安全、可靠的數據。

3.2快速靜態測量

快速靜態測量方法主要在已知測站上安置（一臺GPS接收機，并作為基準站，完成連續跟蹤所有可見衛星的方法。其中，移動站接收機可逐步作用于待測測站當中，結合GPS測量技術完成監控工作。一般來說，快速靜態測量方法比較適用于工程測量與地籍測量當中，取得的效果較為顯著。需要注意的是，測量人員必須全面掌握快速靜態測量內容與應用要求，以夯實最終測量效果。

3.3準動態測量

準動態測量方式與快速靜態測量方式類似，都需要在已知測站上安置一臺GPS接收機，并作為基準站，完成連續跟蹤所有可見衛星的方法。在工程測量當中，通過利用準動態測量方法可以第一時間明確現場施工條件與存在的施工隱患問題，便于施工人員進行科學的決策，防止后續施工出現安全問題。在實際測量過程中，結合GPS技術的實時性與精準性特點，可以進一步優化待測區域的測量結果，利于工程質量安全。

3.4實時動態測量

實時動態測量方式屬于現階段GPS測量技術主要應用的測量方式，并廣泛地用于工程測量當中。利用實時動態測量方式可以促使移動站接收機利用移動站數據鏈接方式，接收到來自基準站發射來的信號，并進行在機處理，從而獲取待測數據的準確位置。在此過程中，GPS測量技術往往會結合RTK技術，優化最終測量結果。究其原因，主要是因為RTK技術主要以載波相位觀測量為主，可以進一步實時差分GPS測量精度，能夠確保工程測量數據的精準度。

4 GPS技術在測繪工程相關領域中的應用現狀

GPS技術雖然相對于傳統測量技術有很多優點，但是在很多方面也存在很多缺陷。首先是測繪工程的檢測，GPS測量技術只能在工程完成之后對工程進行檢測，事后控制會有可能錯過工程中存在的問題的解決的最佳時機，一般等到工程即將結束之后才發現問題，將極大地提高工程建設的風險性。此外，在實際工程測繪檢查中，檢查嚴謹性不高，導致很多需要重點檢查的程序都沒有落實到位，可能出現測量單位失誤。另外，工程測繪是一項工作復雜，內容繁多的測量工程，因此測繪工程需要投入大量的員工和資金。隨著技術的發展，工程的施工工期都比較短，測量工作經常性地因為某些技術人員自身以及工程建設本身的原因，導致測繪工程中還存在諸多問題。

5 GPS測量具體應用策略

5.1布網工作

在工程測繪的布網工作中，GPS測量技術能夠發揮重要的作用。簡單地說就是利用GPS技術完成網格布置。針對的主要是線路工程，或者是帶狀工程。最為常見的就是引水工程和海港工程。應用GPS技術進行測繪應用的方式主要有點連式和邊連式，構成的三角鎖同步圖形，而且該圖形是在不斷發展的。施工控制網和變形監測網主要應用在工程的樞紐區域內，在大多數的情況下，使用的測量方式都是網聯式和邊連式。以水下地形的測繪為例，水下工程施工難度大，而且施工條件會受到很多限制，所以就需要非常精確的水下地形圖作為施工依據。此時就要用到水深測量儀和超聲波測量儀，以得到精準的水下地形高程。在某次測量工作中，完善偽衛星的相位差，使得東北兩個坐標方向上的測繪精度明顯提高。在實際的測量工作中，如果是第四等級的測量條件，也就是兩點之間的距離在600～2000m之間，就應該將GPS定位點均勻分布，最大距離不能大于平均間距的三倍，最小間距不能小于平均間距的1/3。

5.2外業測繪

在戶外作業中應用GPS定位技術，最為關鍵的是選出一個合適的測量點。在前期選擇出一個合適的測量點，在后期相關的工作就能進行的更加順利，最終得到的測量值才是正確的。這樣做會免去很多不必要的步驟，也會減少時間和資源的浪費。這對于測繪工作來說十分重要。在開始測量之前，要保證做好各方面的準備工作。將測繪地區的地理位置信息收集起來，了解施工場地的標架和標型。做好相關的準備工作，能夠大大提高選點的精確性。使用GPS進行觀測，有兩種方式，一種是開機觀測，一種是無線安置方式。與傳統的測試項目有所不同，在安置GPS設備的工作中，要嚴格地依照之前選擇的定位點。將設備安裝在三腳架上，保證與定位點垂直，為了保證操作的準確性，就要使用鉛錘等輔助工具。在測繪之前，要滿足一定的前提條件，就是保證天線的基座與標志上方的中心點對準。在測繪的過程中，要注意變換三個不同的方向，依次固定方向，并在不同的方向上進行觀測。

5.3實時動態測量

RTK技術就是實時動態測量技術，在完成這項工作時要在地面測量點安裝GPS接收機，并將此作為測量點的準確點，GPS衛星接收測量信息與此點相連，這樣就能實現實時獲取信息內容的目標。與此同時測量的信息也能實時傳遞給測量流動站和中心測量站。流動測量站的任務不僅要接收GPS衛星信號，還要實時獲取其他的信息。實現科學的整合所有信息，發揮GPS導航技術的優勢實現對信息數據的觀察和分析，測量流動站的具體坐標會上傳至計算機信息系統，同時計算機信息系統也會完成各項信息的回傳，這樣就形成了動態的測繪參數，達到動態測繪的目標。事實上RTK的工程程序是比較清晰的，GPS技術能夠觀測到在視線范圍之內的衛星運行狀況，在傳輸需要的信息時，借助的是無線機械設備。流動站完成的工作是接受并加工有效的信息，并且還會將這些信息展示出來。在地震預報中GPS技術也有應用，用來研究地殼的運動，總結地震前夕的各種地形變化。

6提升GPS測繪技術在工程測繪中應用有效性的具體措施

6.1提高GPS測繪技術重視度

為從根本上提升GPS測繪技術在工程測繪中的應用有效性，相關工作人員應從提高GPS測繪技術重視度入手。①認清社會發展對工程質量及效率提出的要求，在確保自身經濟利益最大化的前提下積極引進GPS測繪技術與設備[4]；②基于工程施工期間的具體特征及要求，對GPS測繪技術進行不斷的完善與革新，使其更加適應工程測繪；③依據GPS測繪技術應用需求，搭建起信息通訊平臺，確保測繪信息的有效傳輸。

6.2培養測繪人員專業技能

在將GPS測繪技術應用在工程測繪期間，相關管理部門也應將工作重點放在培養測繪人員專業技能上。一方面，針對GPS測繪技術理論知識及實際操作技能在測繪人員群體中開展教育培訓活動，使其能夠充分發揮出GPS測繪技術應用期間的綜合效益；另一方面，構建GPS測繪技術應用管理機制，針對GPS測繪技術實際應用期間存在的局限性制定出與之相應的解決措施，采用業績考核及獎懲機制相融合的手段，提升GPS測繪技術實際應用過程中的規范性及有效性，以獲得更加精準的測繪數據，為工程穩定有序的開展奠定堅實基礎。

7結束語

當前我國社會已經正式步入現代化的軌道，技術手段的更新換代速度非常快。GPS技術在工程測繪中的應用越來越廣泛，制定一套合理合適的測繪方案是業內研究者關注的重點話題。GPS技術有整合、分析、計算信息的功能，最后展示信息采用的是三維模式，人們獲取的信息也是三維立體坐標的形式，這讓人們識別信息變得更加方便。

參考文獻：

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（作者單位：中國水利水電第十一工程局有限公司）