淺談工程測(cè)繪中GPS測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

朱增洪　賈貴毓

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院　江西　南昌　330000）

淺談工程測(cè)繪中GPS測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

朱增洪賈貴毓

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院江西南昌330000）

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步為各行各業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的環(huán)境和條件，并提供了可靠的科學(xué)技術(shù)保障。尤其是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及使得信息全球化的趨勢(shì)日益突出，而GPS作為全球定位系統(tǒng)，為全球范圍內(nèi)的信息傳遞與流通提供了可靠的技術(shù)支持，其中發(fā)展較快的GPS定位測(cè)量技術(shù)，也在工程測(cè)繪方面發(fā)揮重要作用。本文就主要對(duì)工程測(cè)繪中GPS測(cè)量技術(shù)及數(shù)據(jù)處理作出了探討，并對(duì)GPS技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，供同行參考。

工程測(cè)繪；GPS測(cè)量；工作原理；控制測(cè)量

引言

近幾年，隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的不斷前進(jìn)，工程測(cè)量技術(shù)在工程建設(shè)中的作用越來(lái)越重要，而GPS測(cè)量技術(shù)屬于新型科研成果，被廣泛使用主要是在數(shù)字地球研究領(lǐng)域中承擔(dān)著重要的作用與能夠準(zhǔn)確定位目標(biāo)，為工程提供準(zhǔn)確精密的導(dǎo)航，提高工程的完成質(zhì)量，為工程作業(yè)提供了極為便利的測(cè)繪技術(shù)，以往用全站儀做的控制點(diǎn)需要花費(fèi)大量的人力和時(shí)間才能完成的，現(xiàn)在有了GPS，讓控制測(cè)量變得非常簡(jiǎn)單，它具有精度高、測(cè)量時(shí)間短、距離長(zhǎng)、測(cè)站間不需要通視等諸多優(yōu)點(diǎn)。雖然在工程施工中，有許多種測(cè)繪方法，但GPS測(cè)繪技術(shù)無(wú)疑是眾多技術(shù)中效率最高的一個(gè)。但是GPS技術(shù)也存在一些不足。

1　GPS原理及外業(yè)施測(cè)

GPS的定位原理類似于傳統(tǒng)的后方交會(huì)。在GPS測(cè)量中，衛(wèi)星主要被作為位置已知的空間觀測(cè)目標(biāo)，從而形成了不需要地面點(diǎn)的后方交會(huì)，每臺(tái)接收機(jī)都是一個(gè)獨(dú)立的控制點(diǎn)，經(jīng)過(guò)接收到的數(shù)據(jù)解算出點(diǎn)的經(jīng)緯坐標(biāo)（WGS-84），在多臺(tái)接收機(jī)同時(shí)接收數(shù)據(jù)便形成了很多三角網(wǎng)形參與平差解算，自由網(wǎng)無(wú)約束平差解算出WGS-84坐標(biāo)，然后把已知的控制點(diǎn)進(jìn)行約束平差得到北京54坐標(biāo)。

GPS聯(lián)測(cè)和高等級(jí)導(dǎo)線在各個(gè)單位均有各自不同軟件和方法平差解算，在此不再贅述。在做較長(zhǎng)距離導(dǎo)線時(shí)就會(huì)產(chǎn)生投影變形，投影變形處理準(zhǔn)確與否將直接導(dǎo)致整個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)成敗。

2　GPS系統(tǒng)的組成和測(cè)量方式

GPS系統(tǒng)的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成，均勻的分布在6個(gè)軌道面上，衛(wèi)星上安裝了精度很高的原子鐘，其系統(tǒng)信息能在全球范圍內(nèi)向任意多用戶提供高精度的、全天候的、連續(xù)的、實(shí)時(shí)的三維測(cè)速、三維定位和授時(shí)。

GPS的測(cè)量方式主要分為動(dòng)態(tài)測(cè)量和靜態(tài)測(cè)量?jī)煞N，靜態(tài)測(cè)量應(yīng)用于工程測(cè)量中的控制測(cè)量，動(dòng)態(tài)測(cè)量一般用于碎部點(diǎn)采集及工程放樣等等。

3　GPS控制布網(wǎng)和基線測(cè)量

3.1準(zhǔn)備工作

在測(cè)量工作前要對(duì)測(cè)區(qū)情況進(jìn)行實(shí)地了解。還需要知道衛(wèi)星的星歷預(yù)報(bào)軟件的狀態(tài)，評(píng)估障礙物可能會(huì)對(duì)GPS觀測(cè)造成不良的影響。再對(duì)布網(wǎng)和作業(yè)要求來(lái)操作以及測(cè)區(qū)的實(shí)際情況。

首先是選取觀測(cè)點(diǎn)，以布設(shè)GPS網(wǎng)，再進(jìn)行靜態(tài)控制測(cè)量。在GPS定位的過(guò)程中，接收機(jī)的天線觀測(cè)位置始終保持不變。處理信息數(shù)據(jù)的時(shí)候，接收機(jī)天線的位置并不會(huì)因時(shí)間的變化而受到影響。從觀測(cè)模式上來(lái)看，為多臺(tái)接收機(jī)對(duì)于不同測(cè)站的靜止同步觀測(cè)。接收機(jī)獲得衛(wèi)星發(fā)送的偽距，載波相位等信號(hào)的觀測(cè)值，再使用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)下載的觀測(cè)值進(jìn)行處理，基線處理是比較常見(jiàn)的處理方法，網(wǎng)平差，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和高程轉(zhuǎn)換的精度高點(diǎn)的坐標(biāo)。在測(cè)量中，高精度的定位，比如各種等級(jí)的大地測(cè)量網(wǎng)，工程控制網(wǎng)，基準(zhǔn)網(wǎng)和變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的測(cè)量靜態(tài)定位測(cè)量方法。

3.2選點(diǎn)的一些技術(shù)要求

（1）為了確保對(duì)衛(wèi)星信號(hào)連續(xù)跟蹤觀測(cè)的質(zhì)量，要求測(cè)站上空盡可能地開(kāi)闊，在10～15°高度角以上不能有成片的障礙物。

（2）為了減少對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的干擾，在200m的范圍內(nèi)不能有強(qiáng)電磁波的干擾源，例如：大功率無(wú)線電發(fā)射設(shè)備，高壓電力線等。

（3）為了減少多路徑效應(yīng)的發(fā)生，測(cè)站應(yīng)該遠(yuǎn)離高層建筑，水域等反射強(qiáng)烈的地形。

為了方便于觀測(cè)作業(yè)和今后的應(yīng)用，測(cè)站應(yīng)選在交通條件方便和易于保存的地方。

3.3布網(wǎng)

GPS基線向量網(wǎng)的等級(jí)：依據(jù)國(guó)家測(cè)量規(guī)范、各行業(yè)測(cè)量規(guī)范、任務(wù)要求來(lái)定等級(jí)。根據(jù)我國(guó)2009年所頒布的全球定位系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范，GPS基線向量網(wǎng)被分成了A、B、C、D、E 5個(gè)級(jí)別，見(jiàn)表1。

GPS布網(wǎng)方案主要是根據(jù)項(xiàng)目的具體要求，成本，時(shí)間，人力和接收器和后勤等條件來(lái)確定，在確定布網(wǎng)方案的時(shí)候，以滿足精度為第一要求，盡可能減少消耗。GPS網(wǎng)通常采用多個(gè)異步閉合回路，這需要反復(fù)的接收機(jī)，但限制運(yùn)輸和通訊手段受到實(shí)際操作中往往會(huì)帶來(lái)很大的困難。由于起始點(diǎn)會(huì)嚴(yán)重影響到網(wǎng)平差，那么采用GPS布網(wǎng)的時(shí)候，盡量使起始點(diǎn)間形成異步環(huán)，其它各點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況而定，不一定需要都在異步環(huán)中，以節(jié)省時(shí)間和人力，提高外業(yè)工作效率。

表1　GPS基線向量網(wǎng)等級(jí)表

GPS基線向量的布網(wǎng)形式。GPS網(wǎng)常用的布網(wǎng)形式有以下幾種：跟蹤站式、會(huì)戰(zhàn)式、多基準(zhǔn)站式（樞紐點(diǎn)式）、同步圖形擴(kuò)展式，單基準(zhǔn)站式。

3.4外業(yè)觀測(cè)

完成了GPS點(diǎn)的選取和網(wǎng)的設(shè)計(jì)，就可以開(kāi)始進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)和數(shù)據(jù)的采集。具體方法和過(guò)程本文不再贅述。

3.5數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集所使用的軟件為中海達(dá)公司提供的HD2003后處理軟件。作為自動(dòng)化軟件，人工干預(yù)的因素較少，從而提高了測(cè)量精度。對(duì)于點(diǎn)位的衛(wèi)星不多或過(guò)多衛(wèi)星信號(hào)被阻斷，經(jīng)常出現(xiàn)斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整，使在這個(gè)時(shí)候，我們必須處理的小干涉基線。還注意到，殘余的基線分析，觀測(cè)衛(wèi)星，超過(guò)限制的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，如果一個(gè)大的時(shí)間殘差的一個(gè)衛(wèi)星，該衛(wèi)星將有一個(gè)窗口去掉衛(wèi)星點(diǎn)或一個(gè)時(shí)期的衛(wèi)星，然后加工。所以滿足要求到目前為止，處理后的基線所形成的三角網(wǎng)的閉合差均滿足對(duì)方的要求，最后將控制點(diǎn)坐標(biāo)加入再進(jìn)行網(wǎng)平差，從而得到控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)。具體處理的精度要求在規(guī)范中有非常詳細(xì)的規(guī)定，本文不再贅述。

4　GPS在控制測(cè)量中的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1優(yōu)點(diǎn)

（1）控制點(diǎn)的點(diǎn)間距長(zhǎng)。靜態(tài)網(wǎng)的最大邊長(zhǎng)可以達(dá)到75km，但是距離越長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間也越長(zhǎng)，如10km的邊長(zhǎng)雙頻GPS需要觀測(cè)時(shí)間1.5h，由于點(diǎn)間距長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)在大地控制測(cè)量中應(yīng)用非常廣泛。

（2）定位精度高。雙頻靜態(tài)機(jī)標(biāo)稱平面精度可以達(dá)到2.5mm+ 0.5ppm×D、高程精度也達(dá)到5mm+0.5ppm×D，足夠滿足大部分的控制點(diǎn)的精度要求。

（3）提高工作效率。GPS控制測(cè)量還具有無(wú)需通視的優(yōu)點(diǎn)，由于我們常規(guī)的全站儀都需要點(diǎn)與點(diǎn)之間的通視，非常麻煩，所以使用GPS來(lái)做控制點(diǎn)測(cè)量非?？旖?，大幅提高工作效率。

4.2缺點(diǎn)

（1）GPS必須在空曠的地方才能測(cè)量，在隱藏和覆蓋面積是不可用或不方便使用GPS。如進(jìn)行地下工程中，隧道測(cè)量不能采用地面沒(méi)有GPS信號(hào)。控制網(wǎng)布設(shè)在森林里，如果道路狹窄，兩旁的郁郁蔥蔥的樹(shù)木，GPS信號(hào)將被封鎖，樹(shù)木提出了解決困難的基線向量是與所需的精度線計(jì)算。

（2）利用GPS定位技術(shù)的高程測(cè)量不能直接得到正常高的地點(diǎn)，但只得到高的地面，確定正常高，我們必須知道地面點(diǎn)的地面點(diǎn)高程異常，這限制了GPS技術(shù)在高程測(cè)量的影響。

5　結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，在縮短工期、降低成本和設(shè)計(jì)的靈活性方面，GPS控制測(cè)量相對(duì)全站儀有不少優(yōu)越之處。隨著衛(wèi)星星座的發(fā)展，除了GPS還有GLONASS、北斗等衛(wèi)星系統(tǒng)將會(huì)給測(cè)量技術(shù)帶來(lái)質(zhì)的飛越，而且中國(guó)的北斗衛(wèi)星都是一些直角的同步衛(wèi)星，對(duì)彌補(bǔ)GPS缺點(diǎn)帶來(lái)實(shí)質(zhì)性改變，所以將來(lái)GNSS技術(shù)將具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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[TU198+.2]

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1673-0038（2015）19-0193-02

2015-4-21