GPS 定位技術在土木工程測量中的應用

王琿

（廣東交通職業技術學院土木工程學院，廣東 廣州 510420）

1 GPS 定位技術概述

1.1 GPS 定位技術的特征

GPS 定位系統由三大部分組成。第一，是在太空中部署的衛星系統。第二，是在地面設置的監控系統。第三，是存放于設備中的信號接收系統。GPS 衛星系統，也稱為GPS 星座，是由21 顆工作衛星與三顆在軌備用衛星構成。衛星軌道距地面2.02 萬km。在定位地面物體時，至少會有4 顆衛星對地面接收器發射信號。地面監控系統的主要職能是控制衛星系統，由主控站、監控站、注入站構成。其會為衛星系統提供數據分析及天氣監測。信號接受系統的主要功能是接受衛星傳輸的電子信號，并利用四項數據推導出自身的三維坐標以及時間差，以體現自身的實時定位。綜合分析，GPS 定位技術的主要特征是以衛星位置為中心，分析定位物體的空間位置。

1.2 GPS 定位技術的優勢

GPS 定位技術的主要優勢可被概括為3 個方面。一是精度高。GPS 定位技術的誤差，主要來自信號傳輸過程中產生的干擾。在民用領域，GPS 系統的靜態測繪誤差，通常可控制在厘米級別。若在干擾因素較少的環境中，其誤差范圍將得到進一步控制。二是操作便捷。GPS 系統的測繪工作主要由衛星系統完成，而地面人員的主要職能是完成輔助工作及信號接收，因此該系統的操作極為簡便。三是應用范圍廣。GPS 系統可覆蓋全球表面98%的區域，并可抗拒多種天氣干擾，因此GPS 系統的應用極為廣泛。同時，廣泛的使用范圍，進一步降低了該系統的邊際成本，為GPS 系統設計接口，已經成為諸多領域的標配。

2 GPS 定位技術的發展與應用

2.1 差分GPS 技術在靜態定位中的應用

GSP 靜態定位被廣泛應用于建筑測量，其發展趨勢是不斷提升測量精度。GPS 定位技術依賴于衛星信號的傳送，衛星信號在穿越平流層的過程中會遇到干擾，從而使定位精度受到影響。通常情況下，民用領域的定位精度優于25m，在架設手持基站后可獲得亞米級的定位精度。差分GPS 技術（DGPS），是利用同一點位信號差，提升定位精度的測量方法。該技術可提供更高的定位精度，因此已被廣泛應用于土木工程測量。在使用中，測量人員應依據GPS 靜態定位的操作方式，在指定點架設基站。之后應將GPS 檢測接收機置于基站同坐標點。通過計算，可得到基站距GPS 衛星的改正數。同時，利用用戶接手機接受基站發出的改正數據，可使定位結果得到修正，定位精度進一步提升。差分GPS 技術可具體分為位置差分、偽距差分以及載波相位。三者的工作原理相同，但發送的數據信息存在差異。

2.2 GPS 動態定位技術在土木工程中的應用

GPS 動態定位是指，借助衛星信號測量相對于地球運動的物體。相較于靜態定位，其接受到的數據更多，其中包含三維坐標、三維速度以及七項時間參數。將該技術應用于橋梁、水壩等土木工程監測，可準確呈現建筑物的振幅、變形等數據。在土木工程監測環節，使用GPS 動態定位技術的過程中，可首先在觀測建筑外設置基站，并將該基站視為精準位置。同時，在觀測建筑內設置觀測點，并利用接收機收集衛星信號。將某一時間段的位置數據疊加為時程曲線，可使該觀測點的位移得到體現。借助GPS 動態檢測技術，橋梁等工程的安全檢測可獲得保障。在具體應用中，測量人員也可結合使用地理信息系統（GIS）以及遙感系統（RS），從而構建出兼容三者的“3S 系統”。同時部分實驗性測量中，也使用了測量機械人等新型技術，建筑物的動態檢測將得到更多支持。

3 GPS 定位技術在土木工程測量中的應用

3.1 GPS 定位技術在橋梁測量中的應用

橋梁施工的難度較高，施工設計人員會利用三維圖像模擬該橋梁的受力與抗風性能，從而使設計、施工更加合理。GPS 測量技術可有效提升橋梁施工測量的精度，并還原施工現場的地貌，因此，GPS 定位技術在橋梁施工測量中具有廣闊的應用前景。廣東省虎門大橋，是我國第一座應用GPS 定位技術的橋梁建筑。在使用中，測量人員首先利用差分GPS技術，收集橋樁等受力點的坐標。之后，利用線坐標繪制出橋梁剖面，并將該剖面轉換為橋梁模型。同時，測量人員通過高斯投影，將橋梁模型轉化為與施工現場表面弧度相符的橋梁模型及各關鍵點的三維坐標。在放樣過程中，測量人員會利用GPS 定位系統再次確定橋梁模型的吻合度。在高程測量中，GPS 定位系統可提供測量精度。傳統的測繪工具，需要設立參照物，但高點的參照物難以獲得且不穩定，因此測量精度相對較低。但GPS 定位系統可依據地面基站假設相對距離點，因此其測量精度更高。

3.2 GPS 定位技術在道路、隧道測量中的應用

道路、鐵路、管線與隧道工程中，大部分施工段會在野外進行。受到交通條件的影響，全站儀等測量工具無法在測量全程中得到使用。同時，受地形地貌的影響，高程測量的準確性也難以提升。有鑒于此，我國已在道路、鐵路、管線與隧道工程中廣泛應用了GPS 定位技術。例如，在我國的磨盤溝隧道、秦嶺隧道、烏鞘嶺隧道，均在測量環節使用了GPS 定位技術。道路勘測圖紙極為狹長，各測量段的銜接對于精準度的要求較高。GPS 定位技術可通過高空視角俯瞰地面情況，全域施工現場將得到清晰呈現。在具體的應用中，測量人員應首先通過衛星地圖，初步判斷基站的安放點。之后，應通過GPS 靜態定位，開展控制測量并建立首級控制網與加密網。其次，可借助GPS 快速定位技術，實施測圖碎部點的采集以及圖根點的測量。

3.3 GPS 定位技術在水壩測量中的應用

水庫、水電站需要利用大型水壩攔截水流。當水庫容量較高時，水壩將經受巨大推力。在水位變化時，水壩將在短時間內經受外部推力與內部拉力，水壩內部極易松動。有鑒于此，水壩需要得到及時加固與維護。但水壩的形態變化，不易通過肉眼判斷，因此可借助GPS 定位技術完成日常測量。GPS 定位技術的測量精度較高，適用于大型建筑的測量。在具體的測量工作中，測量人員可首先在壩體外部設計測量點，并安放信號接收設備。之后，可在壩體中央設置兩處觀測點。以1h 為單位，測量人員可將接收到的衛星定位數據，制作成觀測點的時程曲線，水壩振幅將得到準確觀察。同時，GPS 動態檢測可分為強迫振動、隨機振動。在水壩檢測中，測量人員可借助排洪、蓄水等作業，實施隨機振動檢測。

3.4 GPS 定位技術在城市工程中的應用

城市工程的施工難度較高，垂直作業與水平作業需要得到長期監測。因此，建筑工程需要同步開展前期測量與施工監測。在城市建筑的前期測量中，應將全站儀作為主要測量工具，而GPS 定位系統，應主要承擔周邊建筑分析與地形分析等職能。在具體的應用中，測量人員可首先使用差分GPS技術，準確定位建筑孔樁與邊角。再有，高層建筑會對地面帶來較大壓力，受到地下水流變化等因素的影響，部分建筑所處位置會逐漸下沉。在受到建筑帶來的壓力后，地面表層會加速下沉。同時由于下沉位置并不均勻，因此建筑物也會出現開裂、傾斜等問題。因此，在施工過程中，應對建筑物實施動態監測。例如，測量人員可在建筑物外圍設置GPS 接收裝置，并在各直角設立監測點，最后應將連續收集的定位信息轉化為時程曲線。

3.5 GPS 定位技術在機場跑道測量中的應用

機場跑道應保持軸線平直，其精度通常在±1″～6″。由于精度要求較高，測量人員應參與施工過程。自20世紀90 年代，我國就將GPS 定位技術應用于機場修建。在施工要求較高的機場中，應收集大地方位角，并使用精密計算軟件或云計算系統，運算平面子午線斂角與方向帶來的實際影響。而在建設精度要求較低的機場中，可利用GPS 定位技術取各軸線坐標，通過重疊對比可檢測跑道平整度。

4 結語

GPS 定位技術的主要優勢在于使用成本，因此其適用于大型測量及常態化監測。在靜態定位中，測量人員應依據工程特征，設計檢測基站。針對精度要求較高的測量項目，可結合使用差分GPS 定位技術。同時在水壩、橋梁等建筑物的監測工作中，可借助GPS 動態定位技術，提取觀測點的時程曲線，以判斷建筑物的振幅。綜合分析，GPS 定位技術具有使用范圍廣、精度高、環境適應性強、成本低等優勢，合理使用可使我國土木工程的測量技術得到進一步發展。