GPS測繪技術在工程測量中的應用解讀

張金生

摘 要：隨著科學技術的不斷發(fā)展，工程測量作為測繪行業(yè)的一個專業(yè)方向，先進的測量技術也被廣泛的應用。GPS測繪技術有著很明顯的發(fā)展優(yōu)勢，高應用價值提高了測繪效率。本文從GPS測繪技術的工作原理、坐標轉換、應用特點、具體應用及發(fā)展現(xiàn)狀等方面進行了簡明扼要的闡述。

關鍵詞：GPS;工作原理;坐標轉換;測繪技術;具體應用

中圖分類號：P228 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0110-03

0 引言

GPS測繪技術作為一種先進的生產(chǎn)技術，在我國各個領域得到了廣泛的應用，為測繪工作的效率提供了有力保障。與傳統(tǒng)的測繪技術相比較，它具有測量精確度高、時間短、測站間無需通視、操做簡單等優(yōu)點，所以被工程測量領域所采納和應用，結果的準確性得到更好的保證，希望工程測量領域的相關人員不斷對新型GPS測繪技術的探索和研究。

1 GPS測繪技術概述

1.1 工作原理

首先將GPS接收機設置在一個固定的測量控制點上，然后通過衛(wèi)星信號感應技術確定其具體位置，最后將其信息數(shù)據(jù)傳送給計算機進行數(shù)據(jù)分析和處理，并建立一個三維坐標系來顯示接收機的具體位置。坐標系是測量工作的基準，GPS定位技術是一種通過接收來自位于地球表面的GPS接收器的GPS衛(wèi)星信號來確定連接位置的技術。在GPS定位測量中，通常采用天球坐標系和地球坐標系。地球坐標系隨地球旋轉，可視為固定在地球上的坐標系，使地面觀測站的空間位置描述更加清晰;天球坐標系是一個慣性坐標系，與地球自轉無關，易于描述人造地球衛(wèi)星的空間位置;這兩個坐標系可以相互轉換，從而準確地確定控制點的具體位置。

1.2 坐標轉換

從事測繪行業(yè)的相關人員都知道，GPS定位結果屬于協(xié)議地心坐標系，即WGS-84，通常以空間矩形坐標（x，y，z）或橢球大地測量坐標（b，l，h）的形式給出。然而，我們所需要的結果一般是北京54坐標系（BJZ 54）、西安80坐標系（GDZ 80）或局部獨立坐標系，因此GPS坐標系和實際坐標系應該進行轉換。

（1）同一坐標系內(nèi)空間直角坐標與大地坐標的換算，即[（B，L，H）→（X，Y，Z）]

（2）不同的空間直角坐標系之間的坐標換算，常用七參數(shù)法，常用布爾莎-沃爾夫模型和莫洛金斯基模型進行轉換。在布爾莎-沃爾夫（Bursa-Wolf）模型中，采用了七個參數(shù)，即三個平移參數(shù)、三個旋轉參數(shù)（3個歐拉角）和一個尺度差參數(shù)。模型的基本變換可分解為三個過程：平移變換、尺度變換和旋轉變換，如圖1。

①從XA沿原點OA方向，以OA點為固定旋轉點，將OA-XAYAZA繞XA軸逆時針旋轉角度，使經(jīng)過旋轉后的YA軸與OB-XBYB平面平行;

②從YA沿原點OA方向，以OA點為固定旋轉點，將OA-XAYAZA繞YA軸逆時針旋轉角度，使經(jīng)過旋轉后的XA軸與OB-XBYB平面平行，此時ZA軸也與ZB平行;

③從ZA沿原點OA方向，以OA點為固定旋轉點，將OA-XAYAZA繞ZA軸逆時針旋轉角度，使經(jīng)過旋轉后的XA軸也與XB平行，此時OA-XAYAZA的三個坐標軸已與OB-XBYBZB中相應的坐標軸平行;

④將OA-XAYAZA中的長度單位縮放（1+m）倍，使其長度單位與OB-XBYBZB的一致;

⑤將OA-XAYAZA的原點分別沿XA、YA和ZA軸移動、和，使其與OB-XBYBZB的原點重合。

由圖1可知示，兩個坐標系中任意點PI的坐標之間存在以下關系，

考慮到兩坐標軸定向的差別一般很小，因此歐拉角εX、εY、εZ通常都是微小量，所以

莫洛金斯基模型：這個模型認為只有任何一點與參考點之間的坐標差受到標度和旋轉的影響。在該模型中，還使用了七個參數(shù)。它們是三個平移參數(shù)、三個旋轉參數(shù)（也稱為三個歐拉角）和一個標度參數(shù)，然而，與Buersha模型不同，轉換過程可以描述為：將OA-XAYAZA原點P轉換為一個過渡坐標系P≤X≤Y≤Z，將OP-X‘YZ依次圍繞X旋轉Y，Z，使坐標軸與OB-XBYBZB中相應的坐標系平行，旋轉模式和順序與布爾沙-沃爾夫模型相似。將P≤X≤Y≤Z中的長度單位放大1倍，使其長度單位與OB-XBBZB的長度單位一致。最后，OA-XAYAZA的起源分別沿X、Y和Z軸-TX、-Ty和-TZ移動，與OB-XBYBZB的起源一致。其轉換模型如圖2所示。

兩種型號的轉換結果相同，但在實際應用過程中仍有差異。Brinell模型在全局或大規(guī)模基準轉換中應用較多，但旋轉參數(shù)與平移參數(shù)有很高的相關性。在較小范圍內(nèi)，可使用3個參數(shù)（3個平移參數(shù)）、3個平移參數(shù)（3個平移參數(shù)）和1個刻度參數(shù)（4個參數(shù)），最好在上述四個參數(shù)外，再確定一個旋轉參數(shù)（5個參數(shù)）。這個問題可以通過使用莫洛金斯基型解決，因為它的旋轉中心可以手動選擇。當網(wǎng)絡很小時，可以選擇網(wǎng)絡中的任意一點，當網(wǎng)絡大的時候，可以選擇網(wǎng)絡。

2 應用特點

2.1 測量精度高

與傳統(tǒng)測量技術相比，傳統(tǒng)測量技術的精度難以達到現(xiàn)代工程測量精度的要求。因為傳統(tǒng)測量技術受氣溫、氣壓、測距及各種測量誤差影響較大;而GPS測繪技術的靜態(tài)測量功能可以將測量結果精確到毫米，遠超過了傳統(tǒng)的測量技術。所以它具有其他傳統(tǒng)測量技術在準確性方面的優(yōu)勢。

2.2 測量時間短、效率高

GPS測繪技術在靜態(tài)模式下，外業(yè)工作需要三臺固定基站就可以完成外業(yè)測量的數(shù)據(jù)采集，在動態(tài)模式下，外業(yè)工作需要一臺固定基站和一臺流動站就可以完成外業(yè)測量的坐標定位及數(shù)據(jù)采集，提高了外業(yè)的工作效率;而內(nèi)業(yè)處理只需要一臺電腦和一套處理軟件系統(tǒng)就能完成數(shù)據(jù)處理和分析，提高了內(nèi)業(yè)的工作速度。傳統(tǒng)的測量技術需要很長的時間和消耗大量的人力、物力才能完成工作。GPS映射技術可以通過相關軟件自動操作，有效地完成測量工作，例如，20km以內(nèi)實現(xiàn)極限測量，在靜態(tài)測量模式下，只需20分鐘左右;在動態(tài)定位模式下，移動臺可以在大約2分鐘內(nèi)快速完成數(shù)據(jù)采集，還可以根據(jù)測量要求隨時對坐標數(shù)據(jù)進行定位和采集，而傳統(tǒng)的測量技術不可能實現(xiàn)。

2.3 操做簡單

GPS接收機自動化程度更高，方便實際操作，工作人員只需要安裝好測量儀器，連接好通電纜并通電，做好相關的數(shù)據(jù)記錄即可，其它觀測工作由GPS設備自動完成，當現(xiàn)場測量工作結束后，工作人員只要關閉電源收回設備;傳統(tǒng)的測繪儀器要經(jīng)過整平、對中、定向等一系列程序才能完成數(shù)據(jù)采集和坐標定位工作，而且外界條件對其工作影響較大。

2.4 測站間無需通視

在GPS測量條件下，只須基站的上部開闊且能夠與衛(wèi)星保持信號暢通就可以完成外業(yè)測量工作，而傳統(tǒng)的測量方法對觀測點的通視要求很高，給測量工作帶來了極大的困難和障礙，也增加了工作人員的強度，所以GPS測量具有更好的優(yōu)越性。

2.5 全天候作業(yè)

GPS測量在不影響儀器使用功能的情況下可以全天候作業(yè)，而傳統(tǒng)的測量儀器受外界條件影響很大，不能連續(xù)工作，特別是晚上。

3 具體應用

3.1 外業(yè)測繪

測量控制點的選擇關系到整個測量結果的準確性，在選擇測量點時，不僅要確定測量范圍，還要考慮測量控制點位置的信號是否良好和其它電磁波對它的干擾。在確定好測量控制點之后，只要GPS設備準確地定位在測量控制點上，就可以獲得精確的測量結果，為了確保天線基座與標記中心的相對位置準確，需要在三個不同的方向上固定，以保證現(xiàn)場測量的順利進行。

3.2 布網(wǎng)

在測量控制網(wǎng)布設過程中，使用GPS測繪技術進行規(guī)劃和施測區(qū)域布網(wǎng)是精度最好、效率最高的。GPS測繪技術布網(wǎng)時，是通過點連接或線連接繪制三角鎖同步圖，最終完成網(wǎng)絡分配工作，針對不同施測區(qū)域進行布網(wǎng)時，需要根據(jù)實際情況而定。根據(jù)施工網(wǎng)或者信息網(wǎng)的方式不同來選擇布網(wǎng)的方式，這樣既可以有效增強網(wǎng)絡自身的強度，又可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化采集和儲存，進而保證測量結果的準確性。

3.3 實時動態(tài)測量

又稱RTK技術，是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術，它能夠實時提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果。在RTK作業(yè)模式下，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將觀測值和測站坐標信息一起傳送給移動站，移動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理。具體測量方法是，在地面上確定的測量控制點上安裝一臺GPS接收基準站，作為測量工作的準確依據(jù)，然后安裝一臺移動站，通過與GPS衛(wèi)星的連接實現(xiàn)測量信息的接收，并將測量信息傳輸?shù)揭苿诱竞突鶞收荆@些信息進行綜合處理，最后獲得移動站的具體位置坐標，最終實現(xiàn)動態(tài)測量。

4 發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科學技術的快速發(fā)展，GPS測繪技術具有全面的陸、海、空定位能力。無論在工程測量的哪個領域，它都能提供準確的數(shù)據(jù)采集、分析和處理。GPS接收機小型化、低功耗的發(fā)展趨勢，為工程測量提供了有力的條件，GPS快速定位系統(tǒng)的不斷完善已成為工程測量普遍應用的重要原因。因此，GPS測繪技術越來越受到工程測量領域內(nèi)相關人員的重視，也越來越多的研究者對新的GPS測量技術和新方法進行探索和研究。GPS測繪技術在工程測量領域中非常流行，究其原因有測量精確度高、定位準確、測量時間短、測站間無需通視、操做簡單、成本低、全天候作業(yè)等特點，解決了傳統(tǒng)的測量技術必須通視的缺點。新時代社會的快速發(fā)展也為現(xiàn)代工程測量帶來了挑戰(zhàn)和機遇，使GPS測繪技術在工程測量領域中有著很大的發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢，也促進了工程測量領域的持續(xù)發(fā)展。

5 結語

綜上所述，本文主要針對GPS測繪技術的工作原理、坐標系統(tǒng)、坐標轉換、定位特征、具體應用以及發(fā)展現(xiàn)狀等方面進行了簡明扼要的闡述。與傳統(tǒng)的測量技術相比，GPS測繪技術在精度和應用效率上都有很大的優(yōu)勢，所以GPS測繪技術在工程測量中得到廣泛應用是必然趨勢。

參考文獻

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