GPS定位技術(shù)在工程測(cè)量應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)

河南省地勘一院 王 沛 王新朝 劉書峰

GPS定位技術(shù)在工程測(cè)量應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)

河南省地勘一院 王 沛 王新朝 劉書峰

在測(cè)繪領(lǐng)域，隨著全站儀的推廣普及，傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀、測(cè)距儀逐漸被取代。近年來(lái)，隨著GPS測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，工程測(cè)量的作業(yè)方法更是發(fā)生了歷史性的變革。GPS測(cè)量通過(guò)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而求定測(cè)量點(diǎn)的空間位置，它具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的精密三維導(dǎo)航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性?，F(xiàn)已成功應(yīng)用于工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、工程變形測(cè)量、資源調(diào)查等諸多領(lǐng)域。

GPS主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設(shè)備三部分構(gòu)成。

1. GPS空間衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道平面的傾角為55°，衛(wèi)星的平均高度為2O200km，運(yùn)行周期為11h58min。衛(wèi)星用L波段的兩個(gè)無(wú)線電載波向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)，導(dǎo)航定位信號(hào)中含有衛(wèi)星的位置信息，使衛(wèi)星成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的已知點(diǎn)。在地球的任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻，在高度角15°以上，平均可同時(shí)觀測(cè)到6顆衛(wèi)星，最多可達(dá)到9顆。

2. GPS地面監(jiān)控站主要由分布在全球的一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。主控站根據(jù)各監(jiān)測(cè)站對(duì)GPS衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器中。

3. GPS用戶設(shè)備由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備(如計(jì)算機(jī))等組成。GPS接收機(jī)可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，跟蹤衛(wèi)星的運(yùn)行，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行交換、放大和處理，再通過(guò)計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件，經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差，求出GPS接收機(jī)中心(測(cè)站點(diǎn))的三維坐標(biāo)。

從工程測(cè)量的實(shí)施應(yīng)用中，我們可以充分看到GPS測(cè)量的優(yōu)越性，充分顯示了這一衛(wèi)星定位技術(shù)的高精度和高效益。

1. 采用GPS技術(shù)測(cè)設(shè)方格網(wǎng)，比常規(guī)方法適應(yīng)性更強(qiáng)。網(wǎng)形構(gòu)造簡(jiǎn)單，點(diǎn)的疏密和邊的長(zhǎng)短可靈活選取，即使離已知控制點(diǎn)較遠(yuǎn)也可以連接，并進(jìn)行控制網(wǎng)的定位和定向。它解決了點(diǎn)位之間無(wú)法通視的困難，選點(diǎn)靈活，不需要高標(biāo)，外業(yè)施測(cè)不受天氣影響。測(cè)設(shè)大型(長(zhǎng)邊)方格網(wǎng)和通視條件特別困難時(shí)，尤其能夠顯示其優(yōu)越性。盡管GPS本身在進(jìn)行測(cè)量時(shí)不受到通視條件的限制，但是，工程測(cè)量一般為小范圍測(cè)量并受到成本的限制。因此，在實(shí)際的工程測(cè)量中，仍然要考慮使用全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等常用且投入較少的儀器。這些常用的儀器一般都需要點(diǎn)與點(diǎn)之間相互通視，特別是在布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)，點(diǎn)與點(diǎn)不能通視將會(huì)給測(cè)量工作帶來(lái)較多的麻煩和困難。特別是大型工程控制網(wǎng)中，如果點(diǎn)與點(diǎn)不通視，勢(shì)必影響網(wǎng)的強(qiáng)度和精度。因此，在工程測(cè)量中布設(shè)GPS控制網(wǎng)時(shí)，必要時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量使較多的點(diǎn)互相通視。

2. GPS方格網(wǎng)點(diǎn)位精度高、誤差分布均勻，不但能夠滿足規(guī)范要求，而且具有較大的精度儲(chǔ)備。

3. 采用點(diǎn)位中誤差作為方格網(wǎng)測(cè)量精度指標(biāo)是可行的，它比用相對(duì)中誤差表示精度指標(biāo)更為合理。

4. 采用GPS方法布設(shè)大地控制網(wǎng)，因其圖形強(qiáng)度系數(shù)高，能夠有效地提高點(diǎn)位趨近速度。網(wǎng)形優(yōu)化比較方便。

5. 采用GPS-RTK測(cè)設(shè)建筑方格網(wǎng)與常規(guī)測(cè)量法相比，效率可提高一倍以上，并能大幅度降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。一個(gè)參考站可有多臺(tái)流動(dòng)站作業(yè)，流動(dòng)站不需基準(zhǔn)站指揮，單人即可獨(dú)立作業(yè)。

GPS技術(shù)以其獨(dú)特而強(qiáng)大的功能與優(yōu)點(diǎn)充分顯示了它在該領(lǐng)域發(fā)展的優(yōu)越性，以及更大、更廣闊的發(fā)展空間。但在該領(lǐng)域?qū)嶋H施工過(guò)程中和后續(xù)工程的建設(shè)和監(jiān)測(cè)中也暴露出了一些不足。

1. GPS系統(tǒng)精確定位的關(guān)鍵就在于對(duì)衛(wèi)星和接收機(jī)之間距離的準(zhǔn)確計(jì)算，按照固定模式：距離=速度×?xí)r間，時(shí)間確定之后，速度按電磁波的傳播速度定。眾所周知電磁波在真空中的傳播速度很快，但大氣層不是真空狀態(tài)，信號(hào)要受到電離層和對(duì)流層的重重干擾。GPS系統(tǒng)只能對(duì)此進(jìn)行平均計(jì)算，在某些具體區(qū)域肯定存在誤差；在大城市或山區(qū)由于高層建筑物及樹木等對(duì)信號(hào)的影響，也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的非直線傳播，計(jì)算時(shí)也會(huì)引入一定的誤差；

2. 與常規(guī)儀器進(jìn)行的控制測(cè)量一樣，使用GPS-RTK技術(shù)應(yīng)首先復(fù)核起算基準(zhǔn)點(diǎn)的精度，起算點(diǎn)應(yīng)為高等級(jí)的控制點(diǎn)，并且起算基準(zhǔn)點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)之間具有較好的位置分布。當(dāng)使用動(dòng)態(tài)GPS-RTK進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，基準(zhǔn)站的精度要經(jīng)過(guò)3-5個(gè)高等級(jí)控制點(diǎn)的連測(cè)、復(fù)核，確?；鶞?zhǔn)站坐標(biāo)在各個(gè)方位觀測(cè)情況下具有一致的精度。

3. GPS測(cè)量中所選擇的控制點(diǎn)位置的差異直接影響到觀測(cè)點(diǎn)位的精度。由于GPS測(cè)量是通過(guò)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理而得到點(diǎn)位坐標(biāo)(包括高程)的，任何可能影響信號(hào)接收的因素出現(xiàn)干擾時(shí)，所測(cè)定的點(diǎn)位坐標(biāo)都可能產(chǎn)生誤差。為此，在選擇測(cè)量點(diǎn)位時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)點(diǎn)位視野開闊，向上15°，視角范圍內(nèi)應(yīng)盡量避免有障礙物。(2)盡量遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源，間距應(yīng)不小于400m，遠(yuǎn)離高壓輸電線路，間距應(yīng)不小于200m。(3)遠(yuǎn)離具有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體，并盡量避開大面積的水域。

4. GPS測(cè)量成果與常規(guī)測(cè)量成果之間，不同型號(hào)GPS測(cè)量成果之間存在差異，有時(shí)相差比較大。GPS網(wǎng)在進(jìn)行平差計(jì)算時(shí)，邊長(zhǎng)一般需要進(jìn)行兩項(xiàng)改正：(1)歸算至大地水準(zhǔn)面的改正；(2)歸算到高斯投影面上的改正。二維聯(lián)臺(tái)平差模型不能解決平面位置與高程位置統(tǒng)一的問題，而三維聯(lián)臺(tái)平差模型是一個(gè)多功能的可實(shí)現(xiàn)平差模型轉(zhuǎn)換的高級(jí)平差系統(tǒng)，平差得到的結(jié)果是點(diǎn)的三維空間位置及其精度，這對(duì)于點(diǎn)位及其分量的全面分析和研究是極有利的。但在三維聯(lián)合平差時(shí)，需要地面點(diǎn)有相應(yīng)精度要求的大地高觀測(cè)值，這在某些情況下是難以實(shí)現(xiàn)的。

綜上所述，在工程測(cè)量領(lǐng)域中，由于GPS定位技術(shù)自身獨(dú)特而強(qiáng)大的功能，充分顯示了它在該領(lǐng)域?qū)嶋H測(cè)量工作中比常規(guī)控制測(cè)量具有更大的優(yōu)越性和適應(yīng)性，同時(shí)也存在一些不足，還有待于進(jìn)一步研究改善來(lái)適應(yīng)實(shí)際測(cè)量工作。隨著該技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，以及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，GPS定位技術(shù)將在城市建設(shè)及工程測(cè)量中得到更加廣泛的應(yīng)用。黨和政府的一切工作，歸根結(jié)底都是為了實(shí)現(xiàn)好維護(hù)好發(fā)展好最廣大人民的根本利益?！苯ㄔO(shè)人民滿意的服務(wù)型政府，就是要求政府有一種公共服務(wù)職責(zé)的文化自覺意識(shí)，不斷增強(qiáng)其公共服務(wù)創(chuàng)新能力，把公共服務(wù)擺放在更加重要的位置。各級(jí)政府應(yīng)把公共科學(xué)服務(wù)的內(nèi)容納入“十二五”規(guī)劃，制定切實(shí)可行的公共科學(xué)服務(wù)項(xiàng)目，以便有效發(fā)揮政府在公共服務(wù)中的主體地位和主導(dǎo)作用，為人民群眾提供方便快捷、優(yōu)質(zhì)高效的公共科學(xué)服務(wù)。

3.優(yōu)化多元的參與機(jī)制。一方面，在公共科學(xué)服務(wù)體系的構(gòu)建過(guò)程中，政府有責(zé)任保障公民充分地參與基本公共科學(xué)設(shè)施的建設(shè)。要使公眾對(duì)科技發(fā)展有更多的知情權(quán)，并能參與科技發(fā)展，監(jiān)督科技服務(wù)。參與不僅僅是公民個(gè)人的依法參與，也可以是公民通過(guò)組成民間社團(tuán)等非營(yíng)利性服務(wù)機(jī)構(gòu)的社會(huì)組織形式，合法地、有組織地進(jìn)入公共領(lǐng)域，形成公共科學(xué)服務(wù)的共同治理結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)公共科學(xué)服務(wù)體系中政府與公民的良性互動(dòng)。另一方面，參與公共事務(wù)是現(xiàn)代民主政治制度下公民應(yīng)盡的義務(wù)，對(duì)公共事務(wù)的有序參與，既是現(xiàn)代民主精神的體現(xiàn)，更是公民履行公共義務(wù)的重要表現(xiàn)。

從政治學(xué)的角度看，公民參與性原則體現(xiàn)了服務(wù)型政府理論強(qiáng)調(diào)的善治的概念。所謂善治不同于傳統(tǒng)的統(tǒng)治，其本質(zhì)區(qū)別主要在于統(tǒng)治的權(quán)力向度是自上而下的單向度運(yùn)作過(guò)程，而善治則是多元的上下互動(dòng)的過(guò)程，它通過(guò)合作協(xié)調(diào)及對(duì)共同目標(biāo)的確定等手段達(dá)到對(duì)公共事務(wù)的治理。從社會(huì)融合的角度來(lái)看，公民參與性原則可以增強(qiáng)公民的歸屬感和責(zé)任感，培養(yǎng)現(xiàn)代公民意識(shí)，樹立公民在和諧社會(huì)中的主人翁意識(shí)、文化認(rèn)同感和凝聚力，從而更好地調(diào)動(dòng)公民參與公共科學(xué)生活的積極性，并激發(fā)其無(wú)限的微觀活力和創(chuàng)造力。因此，政府要充分發(fā)揮市場(chǎng)對(duì)社會(huì)發(fā)展的促進(jìn)作用，強(qiáng)化政府在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下的社會(huì)管理和公共科學(xué)服務(wù)職能，把推進(jìn)體制機(jī)制創(chuàng)新作為發(fā)展動(dòng)力，創(chuàng)新公共科學(xué)服務(wù)體制，改革公共服務(wù)提供方式，鼓勵(lì)和引導(dǎo)社會(huì)力量廣泛參與，從而保證基本公共科學(xué)服務(wù)性資源的有效性。

4.建立公共科學(xué)服務(wù)績(jī)效評(píng)估機(jī)制。績(jī)效評(píng)估是檢驗(yàn)戰(zhàn)略和目標(biāo)的執(zhí)行情況的重要工具和手段。把公共科學(xué)服務(wù)內(nèi)容納入政府績(jī)效評(píng)估之列，是提高政府績(jī)效的有效途徑之一。為此，應(yīng)建立公共科學(xué)服務(wù)的效果監(jiān)測(cè)評(píng)估機(jī)制，并強(qiáng)化領(lǐng)導(dǎo)問責(zé)制，建立公共科學(xué)服務(wù)的領(lǐng)導(dǎo)干部政績(jī)考核制度，以確保公共科學(xué)服務(wù)體系、機(jī)制的良好運(yùn)行。

綜上，在探索自然、改造世界的長(zhǎng)期實(shí)踐中，人類不斷推進(jìn)科技進(jìn)步和創(chuàng)新，不僅從物質(zhì)層面上改變了世界，而且在精神層面上深刻影響了人類社會(huì)文明的發(fā)展。創(chuàng)建公共科學(xué)服務(wù)體系的理念，是在新的高度上思考科學(xué)推進(jìn)社會(huì)發(fā)展的途徑，思索人類科學(xué)活動(dòng)的內(nèi)涵。建立和完善公共科學(xué)服務(wù)體系，是一項(xiàng)復(fù)雜的社會(huì)系統(tǒng)工程，需要以政府為主導(dǎo)，社會(huì)組織和公民共同參與來(lái)完成。我們要在中國(guó)特色社會(huì)主義理論體系的指導(dǎo)下，努力建設(shè)具有中國(guó)特色、中國(guó)風(fēng)格、中國(guó)模式、中國(guó)氣派的公共科學(xué)服務(wù)體系，以滿足人們對(duì)科學(xué)技術(shù)日益增長(zhǎng)的新需求、新期待，以人為本，激發(fā)人的創(chuàng)造力、推動(dòng)創(chuàng)造更多的社會(huì)財(cái)富，促進(jìn)人與社會(huì)的全面發(fā)展。