GPS測繪技術在工程測繪中的應用分析

李 林

(普寧市自然資源信息中心，廣東 揭陽 515300)

0 引 言

GPS技術在測量與工程測繪領域中應用，不僅需要地面監控系統為其提供支持，還需要信號接收中繼、聯合定位衛星系統等作為輔助[1]。測繪過程中，每個環節都是相輔相成的，為了提高測繪結果的精度，保證測繪系統運行的穩定性，應規范測繪作業流程，并結合相關工作的具體需求，設計優化、完整的測繪方案與執行步驟[2]。目前，已有理論證明GPS技術是一項可靠度較高的技術。相比其他技術，此項技術具有作業效率高、操作簡單、測繪結果精度高、節約現場作業人力資源等優勢，但如何將其在實踐中合理、規范地應用，仍需要深入研究。

1 GPS測繪技術在工程測繪中的應用

1.1 GPS控制網布設

在進行工程測繪前，需要完成對GPS控制網的布設，既需要滿足近期工程建設規劃要求，同時又需要考慮到工程在未來長期建設當中的各項發展條件以及1∶500數字化測圖和測繪結構立體成像的需要[3]。在遵循測繪精度和測繪速度的原則基礎上，布設如圖1所示的GPS控制網。

圖1 GPS控制網局部布設示意圖

在布設GPS控制網時，需要按照各個節點所在位置的重要程度和復雜程度，將其劃分為一等點、二等點和三等點，等級從小到大依次對應重要程度和復雜程度從大到小[4]。在進行控制網中各個節點的布設時，要求點位中誤差不得超過50 mm，控制網邊界的長度精度不得低于1/100 000。同時，要求在GPS控制網中測繪基線數與獨立基線數之間的比值不得超過1∶3～1∶2的范圍，設站2次以上的點數，應當占總點數的六成及以上[5]。在對GPS控制網上的節點進行選擇時，還需要滿足下述要求：第一，要選擇在交通便利、埋設容易、容易防護的地點；第二，點位要有足夠的視野，在高度角度超過15°時，不能有任何障礙物；第三，距點位200 m以內無高能無線電信號源或高壓線。根據上述要求，完成對GPS控制網中節點的選擇，為后續測繪提供條件。

1.2 基于GPS測繪技術的測繪目標定位

在完成對GPS控制網的布設后，引入GPS測繪技術，對測繪目標進行定位。通過GPS衛星發射出的無線電信號，首先通過GPS接收裝置進行接收，若接收裝置的時鐘與衛星時鐘同步，則從GPS衛星到達GS接收裝置之間的時間可以測定得出，其時間差可用下述公式表示：

△t′=t2-t1

(1)

式中：△t′代表時間差，即GPS衛星信號在空間當中傳播的時間；t2代表接收到信號時的時間；t1代表發射信號時的時間。在公式(1)基礎上，結合歐式空間兩點之間距離的計算公式，得出GPS接收機裝置與GPS衛星之間的距離，其公式為：

(2)

式中：d代表GPS接收機裝置與GPS衛星之間的距離；(x，y，z)代表GPS接收裝置的空間位置坐標；(xi，yi，zi)代表某一點i在GPS衛星軌道上的坐標。在計算得出d的具體數之后，再加上時間差與GPS信號在空間中傳播速度的乘積，并建立四個類似方程，求解出GPS接收裝置的位置信息，每一個方程都代表在GPS衛星運行到不同位置上時的定位方程，結合GPS定位原理，得出具體的測繪數據[6]。圖2為GPS測繪技術定位原理示意圖。

圖2 GPS測繪技術定位原理示意圖

1.3 GPS數據格式轉換

利用GPS測繪技術獲取到的測繪目標定位信號當中包含了載波、測距碼和數據碼，所有信號分量都是在同一個基準頻率上產生的[7]。為確保后續對工程測繪結果進行立體成像時能夠實現對GPS數據的準確識別，需要對其格式進行轉換。在轉換前，還需要按照NMEA0183協議，完成對GPS數據的傳輸。表1為NMEA0183協議語句命令與對應語句信息表。

表1 NMEA0183協議語句命令與對應語句信息表

在利用上述協議實現對GPS信號的傳輸后，使用GPRMC語句對其數據格式進行轉換，假設轉換后得到的GPS數據格式為“$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>，<13>”，則其格式當中每個字段對應的含義依次對應表2中的內容。

表2 GPS數據經GPRMC語句轉換后各字段含義

按照上述格式完成對GPS數據格式的轉換，實現與GPS接收機、數據處理軟件以及測繪軟件等之間的兼容，對于提高測繪效率具有較大幫助。

1.4 工程結構參數測定與測繪結果立體成像

在完成對GPS數據格式轉換后，將得到的GPS數據導入到高程模型當中，利用該模型實現對工程項目中各個結構參數的測定[8]。利用數字高程模型提取工程結構參數信息計算具體數值，并針對大范圍建筑結構參數進行統計。以工程結構當中傾斜角度參數為例，在對其進行計算時，只需要對有限角度進行傾斜檢測，即可實現對傾角單個軸向數據的獲取。當工程結構具備特定方向并且數據軸能夠始終處于重心面時，測定得出的傾斜角度數據更加準確。在測定過程中，還可應用傳感器實現對測定的輔助[9]。在對傳感器進行放置時，其水平線通常與重力矢量相互垂直，在數據軸上的重力矢量投影會產生與傳感器橫軸與水平線交角正弦值相同的輸出結果。在軟件當中對傳感器的量程進行設定，輸出的加速度結果與角度之間存在下述關系：

ax,out=2g*sinθ

(3)

式中：ax,out代表結果輸出中的加速度；θ代表工程結構傾斜角度；g代表傳感器量程。基于上述公式中的關系，得出工程結構傾角的具體數值。按照上述邏輯完成對工程項目中所有結構各個參數的測定。針對所有測定得到的結果進行立體化采集，并對其進行編輯和調繪[10]。在MapMattrix軟件中進行對高程模型的導入，并構建一個立體的三維結構。將所有測定數據導入到該模型當中，實現對測繪結果的立體成像。由于引入了GPS測繪技術，利用其本身具備的廣泛性特點，在不對結構進行二次剪裁的情況下，可實現各結構之間的貼合，從而減少甚至避免模型上出現縫隙，保證測繪模型的完整性。

2 實證研究

2.1 測繪區域大致范圍

本次選擇某山區建筑工程項目作為測繪研究對象，該地區的地形、地勢結構較為復雜，沿著工程項目所在地的多條道路均表現為帶狀地形。盡管該地區交通條件較為便利，但由于場地條件有限，因此，針對該區域的測繪工作一直是有關單位的關注重點。

2.2 可用參照資料

(1) 由地區省測繪局測量的C類GPS控制點，可用作該工程平面控制點的初始資料。此外，還可以利用測區周邊其他能夠滿足地圖控制需要的等高水平作為控制點設計參照資料。

(2) C級GPS控制點的三等水平聯測及福建各省大地水準面的精確插值，可用作該工程的基準高程控制參照資料。

(3) 省測繪總局現有的圖幅分幅、作業計劃圖、圖幅分幅等共計1萬多幅，均可作為此次實驗的參照。

2.3 測繪作業現場設計

可根據現場測繪需求，使用GPS技術進行現場測繪，測繪過程中，在一個特定的區域內安裝一個信號接收器，通過衛星信號接收系統與地面接收設備，進行發送信號的接收，再通過數據傳送，將地區地質信息和位置坐標傳送到處理終端，并通過對系統地質資料進行整理、編輯等方式獲得信號接收器的坐標和數據，將接收與獲得的坐標數據在坐標系不同位置進行特征標記，即可實現在現場的測繪。設計方案如圖3所示。

圖3 現場作業測繪方案

GPS定位是利用數學、物理等原理，結合人造衛星的方法，對地面數據進行采集、分析，并對靜止相、動相進行測量。將其作為參照，設計GPS在測繪中的定位方式，如圖4所示。

圖4 GPS在測繪中的定位方式

在實際應用中，將接收設備放置在測點上，既能準確地測定測量坐標，又能縮短觀測時間，以此提高工作效率。在進行動態定位時，操作員可依據載波特性，合理地選取工作點，設置接收設備，實現多方位、高效地測量。

2.4 主要技術指標

將相關文件作為參照，設計測繪作業中的關鍵技術指標，見表3。

表3 現場測繪作業中的關鍵技術指標

設計基于GPS技術的作業規范，見表4。

表4 基于GPS技術的作業規范

2.5 測繪坐標數據對比

將GPS測繪的工程坐標數值與已知的工程數值進行對比，見表5。

表5 坐標測繪結果對比(單位：mm)

對測繪結果進行差值比較，見表6。

表6 差值比較(單位：mm)

從表結果可以看出，測繪結果與已知數值兩者的差值較小，證實該測繪方法的測繪精度較高。

2.6 高程測量精度對比

將測繪中的高程測量結果作為另一評價指標，對GPS測繪結果與水準儀測繪高程測繪結果進行對比，對比結果見表7。

表7 高程測量精度對比(單位：mm)

從上述結果可知，本文測繪方法在應用中的比較差值較低，相對精度較高，滿足工程測繪現場作業需要。

綜上，利用GPS技術對工程進行測量，既具有高精度、高效率等優點，如網狀結構簡單，點密度和邊長可自由選擇，即使距離已知的控制點很遠也能實現對控制網的定位和定向等，又克服了傳統方法難以克服的缺點。所以，運用科技手段進行工程測量，并建立針對工程的平面控制，是一項值得在領域內推廣的方法。

3 結 論

本次研究將某山區建筑工程項目作為測繪研究對象，通過布置GPS控制網、定位測繪目標、數據格式轉換、結構參數測定、測繪結果成像等方式，完成了設計。

通過上述設計，得到以下結論：

(1) GPS技術的應用，可以有效提高坐標測繪結果精度，實現將測繪誤差控制在一個相對較低的水平。同時，該方法還可以在應用中提高高程測量精度，確保測繪結果與真實結果之間的偏差較小。

(2) 在后續研究中，將持續對此項工作進行深化，根據實際研究需求，進行測繪方法的進一步優化，以期通過此種方式，為項目測繪等相關工作的實施提供更為優化的技術作為指導與幫助。