GPS 技術在工程測繪中的應用及發展趨勢

許常善

（甘肅省地質調查院，蘭州730000）

1 引言

目前，隨著網絡時代的進步和發展，GPS 等測量技術也已經被應用到了軍事測量和工程監測上面，而測量技術也將隨著信息時代的發展更加智能化和自動化，以便于從各個方面上適應人類的智能化發展的要求[1]。

2 GPS 技術

2.1 GPS 技術的定義

GPS 技術本質上屬于一種定位系統，主要是利用衛星系統，通過主控站和地面接收器以及監控系統等，收集到某一特定區域的地理信息。GPS 測量快速、高效，主要依靠的還是衛星技術，可隨時隨地進行地質信息的收集，并且保證接收信號的穩定性，可快速傳輸所需要的定位信息，可高質量、高效率地完成工程測量工作。但是GPS 技術在應用的過程中，還是會受到一些外在因素的干擾，影響測量工作的準確性。隨著科學技術的不斷發展，GPS 技術也在不斷地完善，其在工程測量中的應用將會越來越成熟。

2.2 GPS 技術的特點與優勢

2.2.1 定位精度高

對于GPS 定位技術來說，它的動態定位精度達到米級至亞米級，靜態定位精度能達到毫米級[2，3]。其達到的定位精度和其他測量技術相比，存在明顯的定位優勢。而大量的實際工程應用已經證明，使用載波相位觀測，實現了靜態相對位置，即使在不超過50 km 的基線上，絕對位置的相對精確度也能夠超過1×10-6～2×10-6，在100～500 km 的基線上能夠達到10-6～10-7。同時，由于現代信息處理方式和電子探測技術的進一步發展，也能夠在大于l 000 km 的基線上，位置的相對精確度高于甚至超過10-8。當同時完成即時動態定位與即時差分位置任務時，位置的精確度超過了分米級和厘米級，可以適應信息工程中不同監測技術的需要。隨著GPS 技術和信息處理技術的發展，它的監測精度將會繼續提高。

2.2.2 功能較多，應用廣泛

利用GPS 技術可以迅速提取客戶所需要的需求數據，保證了數據的即時連續性，并保證了數據的流動性，而且還可以直接為使用者提供信息的三維位置和時序信號，使得其應用范圍不僅僅局限于監測和引導的范疇中，可被廣泛應用于更廣闊的應用領域，如對海陸空的目標引導、監視運動目標、管理運動對象、大地監測、工程監測等。

2.2.3 可操作性強，操作環境要求不高

GPS 監測技術在工程建設監測中的使用，極大地提高了工程建設的監測效率。人員不需煩瑣地操作就能夠輕松監測，相對于傳統的地面監測設備，這種技術更好使用，同時，也降低了人員的工作壓力，從而開拓了獲取信息的新渠道，能夠收集更多的資訊，從而極大地提高了工程建設監測的效率。GPS監測技術能夠通過衛星來獲取信息，不需要過多的人力干預，監測結果不但顯示具體的三維位置，而且還能夠反映某地方的區域信息內容，從而更好地服務于工程。

3 GPS 技術在工程測繪中的應用

3.1 國土測繪

國土測量定界是一項科技服務性工作，它主要是為適應農村土地規劃、征收、農用地改變、出讓、耕地開發與整理、耕地復墾、城市土地利用建設管理等方面的國土資源利用需要，為滿足國土資源部門的用地審查和地籍管理工作需求，通過實地調繪城市土地利用狀況、劃分耕地利用區域、測算土地面積、確定界址定位等工作提供精確和科學的基本數據信息資源[4]。它是通過一種技術手段，來保障政府正確、合理、科學地批準建設項目的用地的服務性工作。在國土測量定界中運用GPS 等現代測量技術，有效提高了國土測繪工作的效率，同時提高了國土測繪結果的精確性與準確度。

3.2 城市測繪

隨著我國科技的不斷發展，現代化城市建設正在突飛猛進。城市基礎建設作為城市施工的重心，決定了城市建設的高度和規模。對于城市基礎建設而言，測繪技術的應用則是其不可或缺的一部分，在建設過程中不但涉及城市規劃，還涉及地質勘測。如今的城市建設基本都要依靠GPS 系統來獲得全面準確的城市地形、路網分布、建筑物空間分布等基礎數據。

傳統單一的測量方法，在技術定位時往往要求在點與點間維持通視，不僅耗費時間過長，還耗費了大量的勞動力，同時測量精確性也不高，無法妥善地進行信息對接工作[5]。而此時使用RTK 測量技術，則突破了傳統技術限制，不需要以點與點間通視距離作為工作基準，依舊可以獲取比較精確的測量數值。人們可以通過RTK 技術進行實時動態差分析，通過科學的測量手段，快速精準獲取城市控制網的基礎數據，為城市規劃和基礎建設提供翔實準確的數據支持，確保使用者的切身利益和城市土地的利用率。

3.3 礦山測量

GPS 技術在礦山測量領域也具有良好的運用。因為礦山測量本身受到地形、地質構造等因素影響，傳統測量技術已不能滿足當前礦山測量工作的要求。因此，在實際礦山工程勘測中必須運用GPS-RTK技術，利用其精確、高效、方便的特性，來滿足人們對測繪數據的高精度要求。精確的觀測數據可以更有效地保證在礦產資源開發利用和礦井建設過程中的安全和效益，這也是GPS 技術在采礦監測中的應用優點所在。另外，在對礦場控制點進行加密的過程中，GPS-RTK 技術也起到了至關重要的作用。目前，GPS-RTK 技術已廣泛應用于地質測量、鉆孔施工、取樣鉆進、探井、槽探、地質點、坑口定位等領域。

3.4 工程變形中的應用

在工程建設中或施工建成后，均會出現建構筑物的變形問題。通常的表現方式是：由于外在因素對建構筑物結構產生了一定的損傷，或因地殼自身的變形和運動過程對建筑結構造成了影響，如重大建筑物、堤壩、橋梁、路面等建筑出現沉降、變形、裂紋。在此時，通過GPS 進行智能化的精準實時動態測量，迅速連續監測整個建構筑物的變形程度并將其精準至毫米級，便可有效精準地監測建構筑物的變化狀況，從而及時掌握其實時變量，為后期維護補救工作帶來更確切真實的基礎數據支撐，大大提高了工程建設養護的效率。

4 GPS 技術在工程測繪中的發展趨勢

4.1 GPS 網絡

GPS 網絡通常是指國家的C、D、E 類工程建設測控網絡，或專門為工程建設而布設的工程建設測控網絡。在工程建設領域，GPS 網絡又分為城市GPS 網絡、礦井GPS 網絡、道路GPS 網絡、橋梁GPS 網絡等各種GPS 工程建設網絡和GPS綜合服務網絡。如運用靜態GPS 技術布設的精密工程建設測控網絡，進行堤壩、災害點、礦井、油田、建筑群、道路網的地面沉降、堤壩變形、高層建筑變形、隧洞貫通、地質災害防治等進行精密監測。這類網絡的主要優點：一是控制范圍廣，其控制范圍可由單個工程建設網擴展到全國，乃至全球；二是觀測時間短，在監測領域，動態監測的速度和反應時間可由以往的幾十分鐘至一兩個小時提高至秒級，為快速應對和處置節約了大量的寶貴時間；三是精準度高，在工程監測領域，其監測精度可達毫米級甚至微米級，對因變形可能引發的不良后果提供精準的判別依據。

4.2 GPS 高精度數據處理

精密單點定位系統中，數據信息預處理成果直接關乎其位置精確度和安全性。而數據信息預處理過程的關鍵問題是利用GPS 技術，精確安全地判斷相位觀察中發生的周跳。對每個發生周跳的區域都添加了一種新的模糊度量參數，然后再通過參數估計的方式實現。在數據處理階段的主要工作包括傳輸與編碼、統計監測與編輯、數據處理標準化、接收機鐘差估計、差分觀測值以及線性組合觀察值的形成，基線向量最佳近似估計和周跳監測、修復或標記等。

4.3 GPS 虛擬現實技術應用

傳統測量最大的弊端是花費的物力人力過大，而且測量區域往往是地質比較復雜的區域，這也會頻頻出現安全事故。而通過GPS 虛擬現實技術開展工程測量就極大地減少了此類事故的出現。而且，GPS 虛擬現實技術還具備了真實感和交互作用強等優勢，很大地方便了地質復雜區域的工程測量工作。

虛擬現實是近年來出現的高新技術，由計算機生成具有三維空間的虛擬環境，用戶在此環境中利用特殊裝置，以最自然的方式與環境交互，通過操作控制環境，從而產生身臨其境的效果。它可以將一系列的物理模型、數據結構動態、三維建模等以逼真的三維圖形展示出來。隨著計算機性能的不斷提高以及人們對事物直觀性、準確性、清晰度的要求，虛擬現實技術已經廣泛應用于生產和生活的各領域各行業。

國土測繪中，結合國土調查基礎數據，通過GPS 三維建模，模擬全國國土資源現狀，通過人機交互和數據轉換，實現對國土資源的動態模擬展示，從而減少外業作業，提高國土測繪精度。城市測繪中應用計算機技術，建立城市三維虛擬環境，對城市地理實體及現象進行展示，城市建設管理部門可通過三維實景實現對城市變化的實時動態監測。在礦山測量中利用虛擬現實技術，對礦山地質體、地形地貌、礦山地物以及礦山地下工程進行三維虛擬，生成一個逼真的礦山虛擬環境，這樣在礦山測量中，工作人員可以置身礦山虛擬環境下，更直觀地實現對礦山的工程測量。在工程變形中，應用最新的工程監測數據，通過計算機三維建模，形成與真實環境一樣或相似的虛擬環境模型，通過計算機屏幕系統，可直觀展示各工程的實時變化情況，實現對各種潛在安全隱患的及時排查和治理。

5 結語

工程測量利用GPS 技術能夠進行精確定位，在短距離內獲取測量成果，同時，人們還能夠通過測量數據精確分析地質情況，精確分析地質要求，制定針對性的工程建設對策。工程測量技術是所有工程項目都不能缺少的重要工作環節，通過GPS 監測技術在工程測量中的運用，不但能夠大大提高工程監測成果的準確度，而且還不受地形要求的約束，也不需要過多的人工管理，還具備了智能管控的特點，能夠大大提高工作效率，為不同工程項目提供合理的參考數據，從而加快了工程施工進度。