工程測量中GPS控制測量平面與高程精度研究

畢杰朋

（中鐵二十一局集團(tuán)國際工程有限公司，北京 100073）

目前，GPS已經(jīng)成為測繪行業(yè)內(nèi)一項全新的技術(shù)，且開始頻繁應(yīng)用于各類工程測量項目中。但由于工程測量難度較高，目前的GPS技術(shù)無法滿足其平面與高程方面的精度要求[1]，因此有必要對提升GPS平面與高程測量精度標(biāo)準(zhǔn)的有效舉措展開探討。

1 平面控制測量與高程控制測量

1.1 布網(wǎng)與選點

筆者以參建的阿爾及利亞麥迪亞53km高速公路項目為例，將項目線路周邊的GPS C級點當(dāng)成是起始點，且整條線路中每5km的位置均設(shè)置一對四等GPS點，這樣設(shè)計的目的是為了加強(qiáng)下級控制點的加密效果。尋找點位需嚴(yán)格按照以下四點要求：（1）點位必須位于顯而易見、不易受威脅的位置，只有這樣的點位才能真正用于公路測量中；（2）點位周邊遮擋物高度角均需≥15°，同時點位需要與所有大功率無線電發(fā)射源、高壓輸電線分別保持＞0.4km、0.2km的距離；（3）所有點位之間的距離都應(yīng)＞0.5km，且必須能夠相互通視，只有這樣才能實現(xiàn)聯(lián)測與加密；（4）所有四等GPS點應(yīng)使用以此GP01～GP0n進(jìn)行標(biāo)注，需使用油漆等物品對標(biāo)石進(jìn)行再次標(biāo)記，以便操作人員查找。

1.2 平面控制測量

主線首級平面控制網(wǎng)整體的施測等級標(biāo)準(zhǔn)是四等，而加密平面控制點的標(biāo)準(zhǔn)卻為一級，因此如若該控制網(wǎng)選用GPS靜態(tài)法展開觀測，其觀測周期均值應(yīng)超過1h，其最小值也應(yīng)為45min左右，且每隔15s需獲取一次數(shù)據(jù)。在進(jìn)行聯(lián)測的時候，基線長度過大會造成觀測周期的延長。基線解算全部結(jié)束后需對復(fù)測基線、同步環(huán)以及異步環(huán)展開復(fù)核，其中四等平面控制網(wǎng)所包含的重復(fù)基線、同步環(huán)以及異步環(huán)個數(shù)應(yīng)分別為7、95、47個；而若等級為一級則需分別包含25、362以及177個。此外，一級平面控制網(wǎng)需要立足于三維無約束平差前提下進(jìn)行測量，同時將GP01、GP02之類的四等點當(dāng)成是起始點展開平差，計算結(jié)束后得到的最弱邊相對誤差值是1/92135、最弱點點位中誤差值是±0.66cm，對照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)其各項精度均在誤差允許的范圍之內(nèi)。

1.3 高程控制測量

高程控制測量主要選用的是四等光電測高程導(dǎo)線完成測量工作，必要時搭配使用三聯(lián)腳架法作為輔助，高程測試需取值兩次，最終結(jié)果為兩次取值的中位數(shù)。若是導(dǎo)數(shù)點之間無法通視，則可添加過渡站保障觀測工作的順利進(jìn)行[2]。據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其邊長需控制在30～1000m，且控制網(wǎng)平差、閉合差等參數(shù)精準(zhǔn)狀況必須達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定才算合格。

2 GPS控制測量平面與高程精度存在的問題

2.1 GPS精度不符合要求

測量過程中GPS設(shè)備自身的精度水平會在很大程度上左右平面、高程的測量精度[3]。通常來看，要想使高程測量精度得以提升，要求使用的GPS設(shè)備同樣具備更優(yōu)的精度標(biāo)準(zhǔn)，然而由于GPS衛(wèi)星在數(shù)據(jù)傳送過程中極易出現(xiàn)精度降低的問題，因此測量者在進(jìn)行測量時需要通過計算或精準(zhǔn)預(yù)估來保證GPS設(shè)備的測量精度滿足設(shè)計需要。然而目前在使用該項技術(shù)進(jìn)行測量時，頻繁出現(xiàn)因測量人員選用的設(shè)備精度性能差而出現(xiàn)信息誤差甚至圖像失真的問題，極大地影響了高程測量精度，進(jìn)而促使平面選擇出現(xiàn)嚴(yán)重失誤。

2.2 對測量平面的選擇缺乏明確標(biāo)準(zhǔn)

要想將該項技術(shù)使用到工程測量中，首先要求測量平面與控制點均選擇精準(zhǔn)，而其位置是否精準(zhǔn)需經(jīng)由科學(xué)計算來判斷。某工程平面測量圖例如圖1所示。

圖1 測量平面示意圖

要想選取到合適的測量平面，首先應(yīng)保證公共幾何點水準(zhǔn)測量精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計人員可以通過高程異常數(shù)值與大地高差值的關(guān)聯(lián)展開數(shù)學(xué)擬合，找出最優(yōu)選擇，將其作為確定平面的依據(jù)。然而當(dāng)真正在進(jìn)行測量時，施工人員往往會因操作不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)仍虺霈F(xiàn)精度偏差，致使高程起算點精度超出專業(yè)誤差允許范圍，從而影響整體測量結(jié)果。

3 提高GPS對測量平面與高程精度的措施

3.1 使用精度較高的測量設(shè)備

GPS設(shè)備精度會在很大程度上左右整個工程測量的效果，若所使用的GPS設(shè)備自身精度不足，在衛(wèi)星傳輸過程中極易發(fā)生明顯偏差，導(dǎo)致高程精度出現(xiàn)偏離，并且GPS精度不足也會使設(shè)備自身的信息處理效率降低，導(dǎo)致傳輸?shù)男畔⒖赡艽嬖阱e誤。可見，工程測量時只有使用高精度儀器才能確保高程精度在誤差允許范圍內(nèi)。選擇高精度GPS儀器的優(yōu)勢如下：（1）能夠在更短的時間內(nèi)識別、處理衛(wèi)星傳送的信息數(shù)據(jù)，若存在衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)失真的情況，儀器也會自行調(diào)整；（2）若是測量工作在環(huán)境惡劣、地質(zhì)復(fù)雜的條件下進(jìn)行，高精度的GPS設(shè)備就可以在很大程度上克服因?qū)α鲗踊蚝０芜^高帶來的干擾，保障其自身工作不受干擾、所獲取到的信息準(zhǔn)確無誤；（3）使用高精度GPS儀器能夠顯著提升工作效率，必要時還可實現(xiàn)加密傳輸，使測量者獲取到真實的地質(zhì)示意圖，還可將海拔、區(qū)域輪廓線等參數(shù)信息直接變成圖像進(jìn)行顯示，使觀察者能夠更加直觀、清晰地了解區(qū)域狀況；（4）高精度的GPS儀器能夠有效縮小外界環(huán)境帶來的影響，保證信息準(zhǔn)確無誤，保證平面、高程測量精度在設(shè)計允許的誤差范圍內(nèi)。

3.2 提高測量平面的選擇標(biāo)準(zhǔn)

測量者應(yīng)注意選取適宜的公共幾何點，以對平面高程、平面高程異常值展開詳細(xì)的估算。其中，計算高程數(shù)值過程中，測量者可以借助高程擬合先展開測量，待得到結(jié)果后只需去除正常高即可獲得所需數(shù)值，該環(huán)節(jié)可反復(fù)使用二次曲面擬合法進(jìn)行，從而將誤差不斷減小至可控范圍。但若是測量工程所處地質(zhì)環(huán)境不同，則選擇標(biāo)準(zhǔn)同樣需要發(fā)生更改。假設(shè)測量工程處于地勢起伏明顯的山區(qū)，則應(yīng)綜合衡量測量工作是否會受到周邊磁場、大氣對流層活動等因素的影響。此外，由于地下介質(zhì)密度與土質(zhì)條件同樣會干擾GPS衛(wèi)星傳輸工作的精準(zhǔn)度。因此，當(dāng)測量人員在這些地區(qū)開展測量工作時，首先必須保證測量平面位于一個相對平坦的區(qū)域，嚴(yán)格把控與基站的間隔，將測量區(qū)域真實長寬作為依據(jù)來安放數(shù)量合適的基站，以保障所有基站均能接收到衛(wèi)星傳送的信息。而若是測量環(huán)境磁場較強(qiáng)，則禁止在該區(qū)域安放基站。此外，當(dāng)進(jìn)行平面測量時，各個基站的高程測量工作一同進(jìn)行，只有這樣才能保證測量結(jié)果的真實可靠。若是測量者在測量時選擇的標(biāo)準(zhǔn)合適，就能夠很大程度上減小測量誤差，提升測量的有效性。

3.3 采用GPS RTK技術(shù)

測量工程單獨使用GPS測量技術(shù)往往極易出現(xiàn)精度偏離、信息失真、傳輸延遲等故障，但若是將GPS替換為GPS RTK技術(shù)，只需使用軟件處理、作業(yè)工作等方式即可有效避開使用GPS技術(shù)時出現(xiàn)的各種問題，有效提升測量結(jié)果的精度與準(zhǔn)確性。值得注意的是，若要使用該技術(shù)進(jìn)行測量則需提前找準(zhǔn)RTK作用距離與基準(zhǔn)站架設(shè)高度之間的聯(lián)系，如表1所示。

表1 RTK作用距離和基準(zhǔn)站架設(shè)高度之前的關(guān)系

選擇正確的流動站、基準(zhǔn)站位置能夠使站臺更高效地獲取來自GPS衛(wèi)星傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)，而為了確保RTK無線電數(shù)據(jù)鏈發(fā)射順利，則應(yīng)將發(fā)射位置選取在平坦開闊的區(qū)域，確保發(fā)射路徑最小，同時還應(yīng)注意發(fā)射區(qū)域不得靠近電視、微波站等區(qū)域。開始測量工作之前，需提前檢測衛(wèi)星數(shù)目和位置，整個測量工作需確保持續(xù)供電。此外，為提升精度標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)增加基準(zhǔn)站數(shù)目。

4 結(jié)束語

通過研究發(fā)現(xiàn)，雖然在使用GPS儀器進(jìn)行測量工程的平面、高程定位時極易出現(xiàn)偏差，且往往這些偏差極易被操作人員所忽視，但隨著技術(shù)的發(fā)展及以GPS設(shè)備性能的不斷優(yōu)化，測量人員也開始意識到誤差的危害，并嚴(yán)格規(guī)范所有操作，從而使測量結(jié)果的精準(zhǔn)度有所提升。