工程測量GPS動態監測應用與數據處理研究

馬忠衛

（江蘇省地質調查研究院，南京 210018）

1 引言

在工程建設和使用中，在一些自然災害或者人為因素影響下，會發生地震、滑坡和潰壩等災害，使工程發生嚴重損壞。因此，在國內外都對工程變形監測給予了很大重視，特別是當前大型建筑的增加，一些地質災害的發生愈加頻繁，都對工程測量動態監測有了更高的要求，其重要性也更加突出，需要不斷發展其變形監測理論、測量技術等，以提升數據處理水平，特別是GPS技術的應用和發展對工程監測來說有著積極意義。

2 GPS測量技術的應用特點

與常規測量方法相比，GPS測量技術具有較多的優勢：一是其測站之間不需要通視，因此其選點也更加靈活，但需保持測站上空足夠開闊，可以更好地接收GPS衛星信號，避免受到其他因素的干擾；二是具有較高的定位精度，其測量精度近似于紅外儀，但在距離增長的過程中，GPS較之紅外儀更具應用優越性[1]；三是其觀測時間較短，在布設控制網的過程中，各個測站上觀測時間在30～40min，可利用快速靜態定位法，縮短了觀測的時間；四是可提供三維坐標，在對觀測站平面位置進行精確測定的過程中，可以對其大地高程實行高精度的測定；此外，GPS測量技術的自動化程度高，操作比較簡便，使用的接收機也更小，可以實現自動觀測，并利用專業軟件處理數據，從而獲得測點三維坐標。并且利用GPS技術不受時空限制，可以全天候作業，也幾乎不會受到天氣影響。

3 工程測量概述

在工程測量作業中，主要是測繪小區域大比例尺地形圖，以及進行施工測量和變形監測等[2]。因此，其工作環境比較復雜多變，且實際測量中容易受到較多因素的干擾。在當前科技進步下，其測量對象向著宏觀、微觀方向發展，對精度也有了更高的要求，可采用電子化、數字化和自動化的儀器進行測量作業。

一般在工程測量中，主要使用的測量儀器有數字水準儀、全站儀和經緯儀等，當前經緯儀逐漸淘汰，減少了單一功能測距儀的應用。常規水準儀成本低、精度可靠，因此仍有繼續使用的價值。在未來數字化發展下，全站儀難以適應技術環境，而GPS技術具備定位和導航功能且其自動化程度、定位精度高，又可進行全年候作業，在多個領域有著廣泛應用。同時，GPS技術廣泛應用于測繪行業，數字城市構建和差分基站的支持下，城市具有區域查分網，因此，使用GPS接收機可以高效完成碎部測量、放樣，利于該技術的拓展應用。

但也要認識到，在GPS技術應用中，其局限性也會影響到實際成效，需要正確對待該技術，才能更好地利用其優勢。比如，在隧道和礦山等地下工程測量中，GPS技術就存在不足，工程測量外業作業主要是碎部測量、施工放樣。因此，要提高外業測量工程效率，就要實現連續作業，減少使用儀器設備和依賴的基礎控制。

4 工程測量中GPS技術的具體應用

4.1 RTK技術應用

RTK定位技術是GPS測量技術發展的一項新技術，是實時動態定位技術，在公路工程中有著良好應用優勢[3]。在數據處理方面，靜態定位和準動態定位模式都存在一定滯后性，難以將定位結構實時解算處理，在檢核觀測數據方面的效率也很低，因此，其觀測數據質量往往得不到保證，需要返工重新觀測，加大了作業成本、降低了工作效率。

而延長觀測時間，可以更好地解決這一問題，使測量數據的可靠性得以保證，但也降低了實際測量工作效率。RTK系統組成主要是基準站、流動站，要保證實時動態測量，就要建立無線數據通信，將具備高精度取點位的首級控制點作為基準點，并設置接收機為參考站，可實現連續觀測。接收機在接收到衛星信號時，通過無線電傳輸設備接收觀測數據，根據相對定位原理，由計算機對流動站三維坐標、測量精度實時計算，用戶可以實時掌握待測點數據觀測質量、基線解算結果，結合精度指標來確定具體實踐，以使冗余的觀測減少，從而提高其工作效率。

在實際應用中，RTK主要有2種測量模式，即快速靜態定位、動態定位，具體可以將這2種模式結合起來，在公路工程測量中，可以將公路勘測、施工放樣和監理等覆蓋。

4.2 靜態GPS技術測量應用

靜態相對定位是要設置2臺及以上接收機來接收衛星信號，并對數據實行有效處理，精確計算出控制點的三維坐標。根據其中某個點坐標，對另一點坐標進行精確計算。這種技術精度較高，頻繁應用在我國野外測量中，比如，大型工程的野外涵洞隧道定位等。GPS靜態定位在使用中，受天氣狀況的影響較小，使用起來比較方便。并且其監測精度較高，有效縮短了測量實際、提高了效率。

除了公路工程測量外，大型橋梁、隧道工程中，應用GPS技術可以十分方便地進行無檢核支點量測，形成的畫面圖像也具備較高清晰度。其中，還可使用GPS來檢測邊角網，利用其毫米級精度優勢實現精確測量。

5 動態GPS測量應用

這種技術利用了GPS信號，對運動目標相對于參考系的位置、速度和時間等參數實現實時觀測。具體將GPS接收機設置在運動載體，可以實時測得其位置，因此，動態GPS相對相位是固定一臺接收機作為基準站，而其他接收機是處于運動狀態的，將其作為流動站[4]。通過比較兩站信號，以及進行相關計算，可以獲得流動站在各個時刻位移情況、位置坐標等。其差分數據處理有即時處理和滯后處理2種方式，前者是將基準站數據傳到流動站對比加工，重要的部分就是數據鏈的形成，以使數據得以實時傳輸；后者則將數據傳輸到流動站后，在后期對其進行處理。

6 工程測量GPS動態監測數據處理

6.1 數據處理模式一

這種模式在數據處理方面，就是將GPS基線向量轉化到指定平面，使其成為二維基線向量，在此平面上聯合平差。在此平面上需進行合理變換，以實現具體數據處理。在具體處理過程中，要先根據基線向量的具體觀測值，對各點實際三維空間直角坐標計算，獲得其近似值。然后根據GPS具體基線向量位置信息，將其中一個端點固定，并根據該基線向量觀測值，對另一個端點進行計算。之后，通過空間直角坐標、大地坐標間轉換公式，轉換這兩個端點，然后利用高斯投影正算公式計算各相應點平面坐標，以計算其平面上基線向量，可求得相應方差-協方差陣變換過程。經過轉換，將之前觀測值、方差-協方差陣轉換到工程坐標體系中，進而獲得誤差方程，要考慮到已知點數據誤差，將其作為虛擬測值來得到誤差方程，然后求取按照最小二乘法得到的方程，以獲得各點坐標、控制網質量指標。

6.2 數據處理模式二

該模式是將純粹的GPS數據實行三維無約束化平差，將其三維坐標、方差-協方差陣整體轉換到指定平面，以得到一個平面上二維坐標及其方差-協方差陣，將求取的實際坐標作為聯合平差，根據最小二乘法原理對GPS虛擬觀測值和地面其他觀測值進行平差處理[5]。

7 結語

在工程測量中，應用GPS技術實行動態監測，有利于及時掌握工程情況，可以獲得較高的工程監測精度，更好地應對工程變形問題。在未來發展中，對該技術應用及數據處理方面，還要進一步改進完善，使其作用得以充分發揮。