GPS測量技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用探討

李亞新

摘 要：目前，GPS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大地測量、工程測量、控制測量、地籍測量、精密工程測量以及車輛、船舶及飛機導(dǎo)航等方面。尤其是實時動態(tài)（GPS-RTK）測量技術(shù)的應(yīng)用，更顯示了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的強大生命力。該文主要探討GPS測量技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GPS測量技術(shù) 工程測繪 定位

中圖分類號：P228.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-0-01

GPS測量定位分絕對定位和相對定位。采用單機絕對定位測量是不需要任何測繪控制點，但考慮到差分計算的要求以及將GPS數(shù)據(jù)與其他調(diào)查成果進行GIS數(shù)據(jù)疊加配準(zhǔn)時，需要進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，測區(qū)內(nèi)必須有一定數(shù)據(jù)的測繪控制點。如果測區(qū)內(nèi)已有足夠數(shù)量的WGS84坐標(biāo)系下的GPS控制區(qū)和國家坐標(biāo)系控制點，這些點可以完全滿足利用GPS測量調(diào)查的需要。

1 GPS測量技術(shù)

1.1 差分GPS的概念

差分GPS（DGPS）定位技術(shù)是將一臺或多臺GPS接收機安置在基準(zhǔn)站上進行觀測，根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實時地將這一改正數(shù)發(fā)送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準(zhǔn)站的改正數(shù)，并對其定位結(jié)果進行改正，從而提高定位精度。GPS定位中存在著三部分誤差：一是多臺接收機公有的誤差；二是傳播延遲誤差；三是接收機固有的誤差。采用差分技術(shù)可以完全消除第一部分誤差，可大部分消除第二部分誤差（視基準(zhǔn)站至用戶的距離）。結(jié)構(gòu)松散，抗剪強度和抗風(fēng)化能力低，在水作用下容易發(fā)生變化的松散覆蓋層、黃土、黏土、頁巖、泥巖、煤系地層、凝灰?guī)r、片巖、板巖、千枚巖等是滑坡的易發(fā)生物質(zhì)基礎(chǔ)。巖土力學(xué)強度較弱與較堅硬巖層互層結(jié)構(gòu)的碎屑巖組亦利于滑坡的形成。巖土體中的各種結(jié)構(gòu)面，包括節(jié)理、裂隙、層理面、巖性界面、平行和垂直的陡傾構(gòu)造面及順坡緩傾的構(gòu)造面都是產(chǎn)生滑坡的內(nèi)在條件。這些結(jié)構(gòu)面的種類、軟弱性、展布范圍、密集程度，特別是軟弱結(jié)構(gòu)面與斜坡臨空面的關(guān)系，對斜坡穩(wěn)定起著很大作用。一般來說，結(jié)構(gòu)面張開性較好或者破裂面和軟弱夾層的抗剪強度較兩側(cè)巖土低，它們在空間的組合常成為斜坡變形破壞的滑動面。結(jié)構(gòu)面延伸越長，貫穿性越好，其危害越大。在各種結(jié)構(gòu)面中，延伸范圍較大的是層面、不整合面、斷層面等。

1.2 實時動態(tài)定位測量技術(shù)

實時動態(tài)（Real Time Kinematics簡稱RTK）定位測量技術(shù)，也稱載波相位差分技術(shù)。是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分GPS測量技術(shù)，它是GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一個新突破。該項技術(shù)的基本原理是在基準(zhǔn)站上安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛(wèi)星進行連續(xù)地觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)通過無線傳輸設(shè)備，實時地發(fā)送給用戶觀測站。在流動站上，GPS接收機在接收衛(wèi)星信號的同時，通過無線傳輸接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位的原理，實時地計算并顯示流動站的三維坐標(biāo)及其精度。

2 GPS觀測數(shù)據(jù)處理

GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理是對原始觀測數(shù)據(jù)進行編輯、加工與整理、分流出各種專用的信息文件，為進一步的平差計算做準(zhǔn)備。從原始記錄中，通過解碼將各項數(shù)據(jù)分類整理，剔除無效觀測值和信息，形成各種數(shù)據(jù)文件，如星歷文件、觀測文件和測站信息文件等，然后進行觀測數(shù)據(jù)的平滑、濾波、周跳探測、載波相位觀測值的修復(fù)以及對觀測值進行各項必要的改正。觀測成果的外業(yè)檢核是確保外業(yè)觀測質(zhì)量，實現(xiàn)預(yù)期定位精度的重要環(huán)節(jié)。所以當(dāng)觀測結(jié)束后，必須在測區(qū)及時對外業(yè)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行檢核和評價，以便及時發(fā)現(xiàn)不合格的數(shù)據(jù)，并根據(jù)情況采取淘汰或重測、補測措施。同步觀測數(shù)據(jù)的檢核，主要指觀測數(shù)據(jù)的剔除和觀測值的殘差之差。應(yīng)用GPS技術(shù)進行土地利用調(diào)查控制測量，首先應(yīng)對原始觀測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，解算出各基線向量，然后再對同步觀測數(shù)據(jù)進行檢核、重復(fù)邊的檢核以及環(huán)閉合差的檢核，并且3種檢核應(yīng)滿足現(xiàn)行GPS測量規(guī)范的精度指標(biāo)要求。觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理完畢之后，根據(jù)預(yù)處理所獲得的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)文件，便可以觀測數(shù)據(jù)的平差計算。以所有獨立基線組成閉合圖形，以三維基線向量及其相應(yīng)方差作為觀測信息，以一個點的WGS-84系三維坐標(biāo)作為起算依據(jù)，進行GPS網(wǎng)的三維無約束平差。

3 GPS測量技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用

GPS沉樁定位系統(tǒng)采用我公司研制的“GPS打樁定位系統(tǒng)”。該系統(tǒng)采用GPS-RTK模式、免棱鏡測距儀、測傾儀、錘擊計數(shù)器等先進的定位和傳感設(shè)備，能直接可靠地確定樁身位置和樁頂標(biāo)高，所有的定位數(shù)據(jù)以圖像和數(shù)字形式顯示在打樁船操作室的電腦的屏幕上，能準(zhǔn)確地反映出施打樁的設(shè)計樁中坐標(biāo)、樁頂標(biāo)高、平面扭角、傾斜坡度和當(dāng)前施打樁的實時位置的樁中坐標(biāo)偏差、樁頂標(biāo)高偏差、平面扭角偏差、實時傾斜坡度、實時貫入度等。便于操作人員進行對照比較，調(diào)整船體，準(zhǔn)確定位。根據(jù)我公司在杭州灣跨海大橋工程、東海大橋工程、洋山港港區(qū)碼頭工程中的實際應(yīng)用效果，證明該系統(tǒng)的定位精度能夠滿足《港口工程樁基規(guī)范》（JTJ254-98）要求。實時動態(tài)定位方式進行地籍碎部測量具有非常明顯的優(yōu)勢：一是采點速度快，在保持衛(wèi)星連續(xù)跟蹤的情況下，一般單點測量僅需幾秒鐘，與全站儀相當(dāng)。但是在以基準(zhǔn)站為中心方圓20 km內(nèi)，既不需要變換基準(zhǔn)站，也不需要圖根控制點，更不需要定向，這就減少了全站儀頻繁換站所花費的時間，且可以使多個流動站同時工作，而互不影響。通過實踐比較，在相同的時間內(nèi)，1臺流動站大約是1臺全站儀工作效率的1.5倍。

3.1 監(jiān)測工程變形中 GPS 的應(yīng)用

打樁船GPS沉樁定位具體過程如下：由3臺固定在打樁船上的GPS流動站以RTK模式（動態(tài)），結(jié)合相應(yīng)的打樁軟件，進行實時控制船體的位置、方向和姿態(tài)。樁身的傾斜度由樁架控制。樁頂標(biāo)高由安裝在龍口后方的攝像機及測距儀實時測定，同時由 “錘擊計數(shù)器”記錄沉樁時的錘擊數(shù)，自動進行沉樁貫入度的計算，并顯示在系統(tǒng)計算機屏幕上。在定位過程中，要注意實時檢查“海工工程遠距離GPS沉樁定位系統(tǒng)”中的3臺Trimble5700GPS接收天線之間的夾角誤差、距離誤差、高差誤差及三臺GPS接收機的RTK狀態(tài)的質(zhì)量因子等是否符合相應(yīng)的規(guī)范要求。

3.2 水下地形測繪中 GPS 的應(yīng)用

當(dāng)GPS定位系統(tǒng)由于出現(xiàn)信號接收問題而無法正常定位時，采用常規(guī)的方法進行定位。具體過程如下：岸上設(shè)置全站儀、經(jīng)緯儀各1臺，兩臺儀器先用經(jīng)緯儀模式進行前方交會定位，定位好了再用全站儀測坐標(biāo)法進行樁位校核。

4 結(jié)語

為方便衛(wèi)星GPS定位測量沉樁，將根據(jù)業(yè)主提供的基線基點，選擇地基牢固、方便管理的位置，采用靜態(tài)測量布設(shè)高精度的GPS參考站，以確保本工程順利沉樁和施工質(zhì)量。在測量中，測量工作者能夠根據(jù)導(dǎo)航監(jiān)視器進行修正航向，在測量、定位時，計算機系統(tǒng)能夠自動進行記錄，并保存在硬盤或者軟盤中。

參考文獻

[1] 潘建華.測繪新技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用[J].科海故事博覽·科技探索，2012（5）.