淺談全球定位系統(tǒng)與建筑測(cè)繪

□修冬紅

淺談全球定位系統(tǒng)與建筑測(cè)繪

□修冬紅

隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，長(zhǎng)期使用的測(cè)角、測(cè)距、測(cè)水準(zhǔn)的傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)將會(huì)逐步的被代替，而以全球定位系統(tǒng)—GPS為代表的3S技術(shù)正在被廣泛的應(yīng)用。再加上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法—RTK這一種新型GPS測(cè)量方法的發(fā)現(xiàn)，引領(lǐng)各種控制測(cè)量的新的方向，也極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。

1.什么是全球定位系統(tǒng)—GPS

1.1 GPS的定義

全球定位系統(tǒng)是以美國(guó)國(guó)防為背景，由美國(guó)國(guó)防部設(shè)計(jì)、投資、開發(fā)、和運(yùn)行。它以衛(wèi)星定位和時(shí)間傳輸為基礎(chǔ)，利用GPS衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)適時(shí)進(jìn)行定位；它是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展而建立起來(lái)的新一代精密導(dǎo)航，具有全能性、全球性、全天候性、連續(xù)性，實(shí)時(shí)性的定位系統(tǒng)；能夠?yàn)榭蛻籼峁┚艿娜S坐標(biāo)速度和時(shí)間的儀器。

1.2 GPS定位原理

它由用戶接收部分、地面監(jiān)控部分與空間星座部分3個(gè)框架組成。GPS的基本原理與測(cè)量學(xué)中測(cè)距交會(huì)確定點(diǎn)位的方法一致，簡(jiǎn)單地說(shuō)是利用空間分布的衛(wèi)星以及衛(wèi)星與地面點(diǎn)間的距離進(jìn)行交會(huì)來(lái)確定點(diǎn)的位置。具體地說(shuō)先將上述3者進(jìn)行信號(hào)的連接，然后進(jìn)行連續(xù)不斷的觀測(cè)，測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，則接收機(jī)一定位于以衛(wèi)星為中心，以所測(cè)距離為半徑的圓球上，同理可測(cè)得另外至少兩顆衛(wèi)星與接收器的距離。因此接收器一定位于這幾顆衛(wèi)星所測(cè)半徑的圓球的交點(diǎn)上。然后綜合這幾顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，通過(guò)流動(dòng)站進(jìn)行計(jì)算，處理就可知道接收機(jī)的具體位置。但是含有接收機(jī)，衛(wèi)星中的誤差及大氣傳播誤差，數(shù)據(jù)并不是真實(shí)的距離故稱為偽距。對(duì)OA碼測(cè)得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20m左右，對(duì)P碼測(cè)得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2m左右。

1.3 GPS定位方式

一是絕對(duì)定位（單點(diǎn)定位）。絕對(duì)定位就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定接收機(jī)位置的方式，但是衛(wèi)星鐘是原子鐘而接受器則是石英鐘，有鐘差的影響，它只能采用偽距觀測(cè)量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。

二是相對(duì)定位(差分定位)。相對(duì)定位是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，它既可采用偽距觀測(cè)量也可采用相位觀測(cè)量。它的優(yōu)點(diǎn)是在多個(gè)觀測(cè)站同步觀測(cè)相同衛(wèi)星的情況下，衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星誤差、接收器鐘差、電流層電離層的折射誤差，通過(guò)相對(duì)定位可有效的進(jìn)行消除或消弱上述誤差產(chǎn)生的影響，從而提高相對(duì)定位的精度。

三是靜態(tài)定位。在定位過(guò)程中，接收器定位是固定的。

四是動(dòng)態(tài)定位。接收機(jī)天線處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。

在絕對(duì)定位和相對(duì)定位中，又穿插著靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位兩種方式，但只有動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位和靜態(tài)的相對(duì)定位才有利用的價(jià)值。而其它的定位的方式還在研究階段。

1.4 GPS在建筑測(cè)繪時(shí)所具有的優(yōu)點(diǎn)

一是定位精度高。GPS的測(cè)量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增長(zhǎng)，紅外儀的精確度就要遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如GPS測(cè)繪的精確度，GPS測(cè)量精度基本上都能保持在10m以下。

二是觀測(cè)效率高。GPS操作自動(dòng)化高，在小于20km的基線上做靜態(tài)相對(duì)定位需要15～20min。而動(dòng)態(tài)觀測(cè)，每個(gè)觀測(cè)站只需要幾秒鐘，并且測(cè)點(diǎn)間無(wú)需通視，減少了人工浪費(fèi)，縮短了測(cè)量的時(shí)間。

三是全天氣，全天候作業(yè)。GPS觀測(cè)可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)進(jìn)行，一般不受外界天氣狀況影響，這是因?yàn)樗男l(wèi)星很多，其觀測(cè)范圍有很多重疊的區(qū)域，分布廣泛，可以進(jìn)行連續(xù)性作業(yè)。

四是操作方便。由于其操作較之傳統(tǒng)測(cè)量，人工操作較少，基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化，測(cè)量員只需安裝并開關(guān)儀器，測(cè)量?jī)x器高，觀察并讀數(shù)。其他都由器械自主完成。而且重量輕，體積小極大減輕了工作者緊張程度和勞動(dòng)強(qiáng)度，所以具有較強(qiáng)的可操作性。

五是布網(wǎng)靈活。由于GPS控制點(diǎn)間不需要通視，并且網(wǎng)的精度主要取決于觀測(cè)時(shí)的衛(wèi)星，觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，數(shù)據(jù)處理的方法，而與GPS網(wǎng)型關(guān)系不大。因此GPS布網(wǎng)比常規(guī)布網(wǎng)靈活方便，可用于地形復(fù)雜的基地。常用的網(wǎng)型有：星型網(wǎng)連接式、點(diǎn)連式、邊連式、網(wǎng)連式。

2.GPS技術(shù)在建筑測(cè)繪中的應(yīng)用

2.1 GPS的應(yīng)用

GPS最初就是為軍方提供精確定位而建立的，至今它仍然由美國(guó)軍方控制。軍用GPS產(chǎn)品主要用來(lái)確定并跟蹤在野外行進(jìn)中的士兵和裝備的坐標(biāo)，給海中的軍艦導(dǎo)航，為軍用飛機(jī)提供位置和導(dǎo)航信息等。但是，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，不僅在軍事方面，還在建筑測(cè)繪中GPS的應(yīng)用也越來(lái)越成熟。

一是GPS系統(tǒng)在房屋工程中提高精確度。工程測(cè)繪是對(duì)所要測(cè)繪的全部區(qū)域進(jìn)行全區(qū)域的測(cè)繪，它是測(cè)繪制圖，數(shù)據(jù)的采集錄入的重要前提而工程中提高控制點(diǎn)信息的精確度則又是全區(qū)域測(cè)量的關(guān)鍵。因此GPS工程網(wǎng)按照區(qū)域的范圍和時(shí)間的次序分為基本網(wǎng)和加密網(wǎng)，它要比傳統(tǒng)的網(wǎng)邊長(zhǎng)變化幅度大而且結(jié)合得更加靈活。網(wǎng)絡(luò)功能的劃分以及布置的不同，使建筑整體區(qū)域的測(cè)量更加明確，有利于城市空間內(nèi)界址點(diǎn)的區(qū)別。而在工程細(xì)部的測(cè)量GPS作用更加凸顯。工程中基地界線、節(jié)點(diǎn)、形狀的確定。房屋位置，數(shù)量的測(cè)定，是建筑測(cè)繪的目標(biāo)也是難點(diǎn)。因?yàn)槌莾?nèi)建筑鱗次櫛比，高低錯(cuò)落，這些點(diǎn)線很難確定，而GPS的出現(xiàn)則讓難度大大降低。它能夠?qū)⒕嚯x誤差縮小到10cm。

二是GPS在建筑用地勘測(cè)重要應(yīng)用。GPS技術(shù)可以隨時(shí)隨地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行勘測(cè)，確定建筑使用地的范圍，確定各類土地的面積和界樁的位置。從而可以較少進(jìn)行建筑用地的觀測(cè)時(shí)間，減少多余的測(cè)繪過(guò)程。它為未審批土地，工程施工提供可靠的資料和依據(jù)。在進(jìn)行地形勘測(cè)時(shí)，傳統(tǒng)測(cè)量由于要保證質(zhì)量必須要進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)通視，這嚴(yán)重影響了施工的進(jìn)度和人員的分配。而GPS則完美的解決了這一問(wèn)題，它選點(diǎn)靈活，布網(wǎng)方便，不受通視網(wǎng)形的限制，它只需一人在每個(gè)碎點(diǎn)上待上一會(huì)，輸入其特征編碼，然后用專業(yè)的制圖軟件就可以輸出這個(gè)地區(qū)相應(yīng)的地形圖。

三是GPS在變形觀測(cè)的應(yīng)用。運(yùn)用GPS技術(shù)進(jìn)行工程建筑物觀測(cè)時(shí)，在適當(dāng)處設(shè)立基準(zhǔn)點(diǎn)，在變形體中設(shè)立流動(dòng)站。比如在高層建筑中，在風(fēng)作用下易產(chǎn)生側(cè)向位移，因此對(duì)抗側(cè)推力要求很高。為了保證結(jié)構(gòu)安全，必須進(jìn)行測(cè)移設(shè)計(jì)。但是，建筑物是具有彈性的，風(fēng)力作用下，它會(huì)進(jìn)行擺動(dòng)，所以傳統(tǒng)的測(cè)量手段無(wú)法進(jìn)行。只有GPS能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)的測(cè)量措施才能達(dá)到預(yù)計(jì)的效果。例如：我國(guó)深圳的帝王大廈曾在臺(tái)風(fēng)期間進(jìn)行GPS測(cè)繪，收到了很好的效果。

2.2 GPS應(yīng)用注意事項(xiàng)

一是在進(jìn)行測(cè)繪之前，要先進(jìn)行工程的踏勘、了解、氣候、地形、地質(zhì)、交通、等諸多條件。二是了解地區(qū)的強(qiáng)電磁干擾，天空遮擋以及地面和建筑物對(duì)電磁波的反射情況。遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源，距離大于200m，遠(yuǎn)離高壓電線距離大于50m。三是選點(diǎn)，便于安置設(shè)備，觀測(cè)地點(diǎn)應(yīng)避免遮擋，視野內(nèi)障礙物不宜超過(guò)15°，影響衛(wèi)星觀測(cè)及信號(hào)的質(zhì)量，注意手機(jī)步話機(jī)等設(shè)備的使用。第一，當(dāng)觀測(cè)條件較差，邊長(zhǎng)較短時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)慎觀測(cè)。第二，為消除相位中心偏差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，天線安置應(yīng)嚴(yán)格指向北方。第三，為消除電離層的干擾，要有一部分晚間觀測(cè)時(shí)間。第四，觀測(cè)結(jié)果是外業(yè)觀測(cè)的重要環(huán)節(jié)，一定要嚴(yán)格檢查，對(duì)超限和有誤處要進(jìn)行重測(cè)和補(bǔ)測(cè)，直到無(wú)誤后才能離開被測(cè)區(qū)域。

3.應(yīng)用實(shí)例

位于廣州的雁翎大廈，屬于框筒結(jié)構(gòu)，地下3層，地上48層，總高度為146.9m利用GPS構(gòu)建各施工層的三圍控制網(wǎng)，避免了復(fù)雜的軸線投側(cè)與標(biāo)高工作，提高了工作的效率。

工程首先選擇兩個(gè)堅(jiān)固持久的基準(zhǔn)控制點(diǎn)，其精度要求優(yōu)于1/36000，設(shè)為A、B兩點(diǎn)，然后在每層平面內(nèi)都選擇兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)C、D，從而構(gòu)成ABC，ABD兩個(gè)同步閉合環(huán)，每次進(jìn)行約40min的靜態(tài)觀測(cè)，從而獲得三維坐標(biāo)。這些數(shù)據(jù)與交樁給定數(shù)值進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果再與國(guó)家高程通過(guò)計(jì)算獲得高程異常值。從而任何時(shí)候都可以將GPS大地高程換算成國(guó)家高程。

驗(yàn)收時(shí)，雁翎大廈校驗(yàn)結(jié)果顯示，垂直度精度優(yōu)于1/50000，標(biāo)高控制約為5mm。由此可以說(shuō)明GPS在建筑測(cè)繪中的應(yīng)用可以提高測(cè)量的精度值，提供簡(jiǎn)單方便的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)和清晰明了的三維坐標(biāo)，是建筑工程的結(jié)果質(zhì)量得到很大的提高，有利于新時(shí)期建筑工程的智能化，高效化。

4.結(jié)語(yǔ)

工程測(cè)繪是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要大量且精確的數(shù)據(jù)資料以及操作方法，GPS的發(fā)展無(wú)疑滿足了工程測(cè)繪高效率，高精細(xì)度的要求，它的出現(xiàn)使測(cè)繪制圖，圖屬一體化存儲(chǔ)和信息入庫(kù)的問(wèn)題得到了解決；又由于它的方便快捷以及隨時(shí)隨地可操作性，減少了多余的觀測(cè)，從而避免了資源，時(shí)間和人員上的浪費(fèi)；再加上它的作業(yè)不受環(huán)境和距離限制，從而提高了工作的效率和成果的質(zhì)量。因此具有廣闊的發(fā)展前景?！?/p>

2014-10-16

修冬紅，女，漢族，河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，工程師。