GPS測(cè)量在道路工程中的應(yīng)用效果觀察

吳春智

（福建同集工程管理有限公司，福建 福州 350600）

GPS全球定位系統(tǒng)是在近幾年來(lái)在道路工程中得到了迅速應(yīng)用和推廣，主要取決于GPS系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的向全球所有用戶提供高精度空間和時(shí)間的信息參數(shù)。因此，我們分析了GPS系統(tǒng)組成及工作原理以及GPS測(cè)量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，和如何在道路工程中實(shí)際應(yīng)用。

1 GPS系統(tǒng)組成及工作原理的分析

GPS是由兩部分組成，空間星群以及地面監(jiān)控系統(tǒng)。此外，地面檢測(cè)用戶還有衛(wèi)星接收器的終端設(shè)備[1]。GPS空間星群是由24顆距離地面20萬(wàn)公里的衛(wèi)星群所組成，它們均勻的分布到6個(gè)軌道線路上，以確保GPS衛(wèi)星所發(fā)出的信號(hào)在地球上的任何點(diǎn)位在任何時(shí)間可以接收到。

GPS系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)意義上的測(cè)量，是依靠衛(wèi)星遠(yuǎn)程導(dǎo)航、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，結(jié)合實(shí)時(shí)通信功能，在很多工程項(xiàng)目上基本取代了傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器。在所測(cè)的點(diǎn)位假設(shè)安裝GPS的接收裝置，在某一時(shí)刻同時(shí)接收至少三顆的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的通信信息，通過(guò)三點(diǎn)坐標(biāo)定位原理，可以得到假設(shè)GPS的接收裝置與GPS衛(wèi)星之間的距離。

GPS測(cè)量技術(shù)可以測(cè)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)，此方法可以拓展到海洋甚至是外層空間，既可以測(cè)量點(diǎn)位，也可以測(cè)量線距，同時(shí)可以滿足點(diǎn)線面等動(dòng)態(tài)需求，精度可以達(dá)到毫米級(jí)，在地球氣象學(xué)、物理學(xué)、海洋學(xué)、交通等多個(gè)方面已經(jīng)得到實(shí)踐應(yīng)用，已經(jīng)超過(guò)利用傳統(tǒng)工具測(cè)量方法的效果[2]。

2 GPS測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)

2.1 GPS測(cè)量與傳統(tǒng)測(cè)量?jī)?yōu)劣

利用傳統(tǒng)方式測(cè)量方網(wǎng)格，點(diǎn)位之間因?yàn)闊o(wú)法通視，測(cè)量難度大、時(shí)間長(zhǎng)、需要人手多，運(yùn)輸?shù)綔y(cè)量地專業(yè)的測(cè)量?jī)x器，提前準(zhǔn)備和檢查工作時(shí)間久，為保證測(cè)量準(zhǔn)確要多次測(cè)量，因?yàn)樘鞖夂偷匦萎a(chǎn)生的誤差同樣要考慮進(jìn)去，而運(yùn)用GPS技術(shù)來(lái)測(cè)量方格網(wǎng)，解決了點(diǎn)位間無(wú)法通視的問(wèn)題，在測(cè)量大型方格網(wǎng)的情況解決的傳統(tǒng)測(cè)量運(yùn)輸相對(duì)較多專業(yè)測(cè)量?jī)x器，而造成儀器破損失效的風(fēng)險(xiǎn)，GPS系統(tǒng)測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)極為明顯。

道路工程對(duì)于精度的施工規(guī)范要求，GPS系統(tǒng)都能滿足，采用點(diǎn)位中的誤差比相比傳統(tǒng)測(cè)量方式因工作現(xiàn)場(chǎng)而導(dǎo)致人為誤差來(lái)表示精度指標(biāo)更為科學(xué)合理，完全可以通過(guò)GPS方格網(wǎng)測(cè)量精度指標(biāo)[3]。

GPS圖形的強(qiáng)度系數(shù)很高，用GPS方法來(lái)布設(shè)控制網(wǎng)，優(yōu)化道路網(wǎng)形方便，更有效地趨近點(diǎn)位速度；采用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法測(cè)設(shè)建筑方格網(wǎng)，單人可以完成有多臺(tái)流動(dòng)站作業(yè)，一人多操大大提高了工作效率，在工作人員經(jīng)過(guò)有效的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，利用GPS測(cè)量事半功倍，降低工作帶來(lái)的壓力和強(qiáng)度。

2.2 GPS技術(shù)的缺點(diǎn)

前文說(shuō)GPS系統(tǒng)組成是來(lái)自GPS衛(wèi)星和地面接受裝置，這兩邊裝置出現(xiàn)問(wèn)題，則測(cè)量結(jié)果一定不準(zhǔn)，對(duì)道路施工進(jìn)程會(huì)形成阻礙，倘若衛(wèi)星端沒(méi)有出現(xiàn)老化破損的情況，在接受裝置方如果因?yàn)槟承┑貐^(qū)的不可移動(dòng)障礙物對(duì)于信號(hào)的影響，直接會(huì)影響信號(hào)傳播路徑，計(jì)算過(guò)程中定會(huì)存在一些誤差，比如盆地、丘陵、高原及白層高樓大廈因其過(guò)高導(dǎo)致的不可移動(dòng)障礙。通過(guò)大量工程實(shí)踐證明，GPS的精度可以滿足一定程度的施測(cè)工程，但是如果要控制精確度到一定程度，則需要傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器輔助測(cè)量。

在GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法測(cè)量之中，若選擇的控制點(diǎn)不同，也影響觀測(cè)測(cè)量的準(zhǔn)確度。因?yàn)镚PS是通過(guò)衛(wèi)星和接收器之間傳遞，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理后得到的點(diǎn)位坐標(biāo)，所以當(dāng)接收器因?yàn)楦鞣N原因受到干擾，所測(cè)的點(diǎn)位結(jié)果都會(huì)出現(xiàn)誤差；GPS在測(cè)量舊城區(qū)的道路工程中因其設(shè)備老化，易受干擾是不能準(zhǔn)確測(cè)量其實(shí)際點(diǎn)位。

作為現(xiàn)代新興起的一門(mén)測(cè)量技術(shù)，GPS以及其相關(guān)的技術(shù)運(yùn)用，還得不到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，目前，我國(guó)各個(gè)軟件或電子廠商，如騰訊、高德或百度地圖各自開(kāi)發(fā)電子地圖，軟件之間無(wú)法兼容，比例以及操作方式各有一套方式[4]，我國(guó)相關(guān)部門(mén)還沒(méi)有頒布應(yīng)用于GPS的統(tǒng)一格式和規(guī)范，導(dǎo)致使用不同電子地圖各得其法，還待有關(guān)部門(mén)進(jìn)行探討制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

3 GPS測(cè)量在道路工程中如何應(yīng)用

主要應(yīng)用GPS靜態(tài)功能和動(dòng)態(tài)功能參與道路工程的測(cè)量，靜態(tài)功能可以通過(guò)接受衛(wèi)星的信息來(lái)確定某些點(diǎn)的三維坐標(biāo)；而動(dòng)態(tài)功能則是把移動(dòng)點(diǎn)實(shí)時(shí)的投放到利用GPS已觀測(cè)的地圖之上，跟蹤的觀測(cè)目標(biāo)自動(dòng)由測(cè)量?jī)x器完成。

3.1 GPS RTK測(cè)量技術(shù)

利用GPS測(cè)量在道路中應(yīng)用，上文介紹過(guò)的實(shí)時(shí)測(cè)量差分法技術(shù)是道路工程中經(jīng)常用到的技術(shù)手段，其英文名稱為Real Time Kinematic，后文簡(jiǎn)稱RTK，是一種新型且實(shí)用的GPS技術(shù)測(cè)量手段，相比傳統(tǒng)RTK測(cè)量手段，利用GPS RTK測(cè)量可以避免因環(huán)境、天氣帶來(lái)測(cè)量的不利條件，更準(zhǔn)確更實(shí)時(shí)的得到精確度厘米級(jí)的測(cè)量結(jié)果，隨著導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)量的增多[5]，會(huì)在測(cè)量精度上更進(jìn)一步，將來(lái)在更多領(lǐng)域及領(lǐng)域的更深層次得到充分利用。

3.2 控制測(cè)量以及線路勘測(cè)

在道路工程中利用GPS RTK技術(shù)可以做到控制測(cè)量，當(dāng)邊長(zhǎng)較長(zhǎng)的道路工程中，動(dòng)態(tài)觀測(cè)15min以上會(huì)發(fā)現(xiàn)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理出的數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，用戶根據(jù)實(shí)際需要來(lái)規(guī)定實(shí)際測(cè)量時(shí)間，通常在誤差小于2μmD時(shí)基本可以確定數(shù)據(jù)，杜絕了傳統(tǒng)測(cè)量多次檢測(cè)避免誤差，甚至因氣候、環(huán)境出現(xiàn)物產(chǎn)返工的情況，提高工程進(jìn)度。而且為后續(xù)線路勘測(cè)提供了便利，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)地道路的處理，將模擬地圖轉(zhuǎn)化成數(shù)字化地圖，直接利用相應(yīng)的工程軟件進(jìn)行線路勘測(cè)，有利于科學(xué)化整理和數(shù)字化設(shè)計(jì)，通過(guò)將實(shí)物轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型很好的解決道路中有關(guān)數(shù)學(xué)參數(shù)的問(wèn)題，不需要花費(fèi)精力去現(xiàn)場(chǎng)勘查測(cè)量，利用GPS RTK技術(shù)比常規(guī)測(cè)量工具傳統(tǒng)方法測(cè)量相比，降低工作量，減少了人力物力成本。

3.3 GPS RTK中線測(cè)量與施工放樣

采用GPS RTK技術(shù)測(cè)量時(shí)，通過(guò)將中樁樁號(hào)傳輸?shù)较鄳?yīng)的工作軟件中，軟件會(huì)自動(dòng)得到放樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)，各個(gè)點(diǎn)位相對(duì)獨(dú)立，經(jīng)過(guò)多次傳輸，經(jīng)過(guò)判斷和分析，可以確定誤差的存在性，當(dāng)各個(gè)放樣點(diǎn)數(shù)據(jù)趨同時(shí)，則可以根據(jù)數(shù)據(jù)判斷其精確度，道路工程是至關(guān)重要的。

GPS RTK技術(shù)進(jìn)行放樣時(shí)，因?yàn)榈缆窡o(wú)外乎簡(jiǎn)單的曲線、直線以及環(huán)形圖所構(gòu)成，只要標(biāo)好樁號(hào)起始點(diǎn)以及重點(diǎn)，測(cè)量或觀察出道路線路間距離長(zhǎng)度、曲率半徑以及方位角各項(xiàng)數(shù)據(jù)，即可完成放樣，這一切工作均在相關(guān)工作軟件中來(lái)完成，容易上手，相比傳統(tǒng)方法，利用GPS可以模擬實(shí)地場(chǎng)景并進(jìn)行多次檢驗(yàn)校對(duì)，不僅降低了工作強(qiáng)度，同時(shí)可以減少道路工程見(jiàn)習(xí)生的實(shí)習(xí)成本，也為培養(yǎng)道路工程人才提供便捷條件，有很高的的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，勘測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)時(shí)代發(fā)展而不斷升級(jí)。高精度、高效、時(shí)效和不受惡劣氣候干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)是使用GPS系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)整理所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)[6]。9月23日，隨著國(guó)內(nèi)“一箭雙星”的成功發(fā)射，第47、48顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)入太空，中國(guó)的北斗導(dǎo)航軌道衛(wèi)星首次超過(guò)GPS，在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中國(guó)已經(jīng)能和美國(guó)分庭抗禮，隨著中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航的高速發(fā)展，衛(wèi)星定位導(dǎo)航測(cè)量技術(shù)作為一種現(xiàn)代化的科學(xué)測(cè)量手段，將會(huì)在道路工程中扮演著越來(lái)越重要的作用。