GPS在工程測量中的應用研究

【摘要】隨著工程建設的發(fā)展，GPS技術獲得了廣泛的應用。GPS技術的應用為我國工程測量的發(fā)展開辟了新的道路，提高了測量的精度和質(zhì)量。本文結合GPS技術的介紹，以實際工程測量論述了該項技術的應用。

【關鍵詞】GPS技術；工程測量；應用

每項工程都必須與社會的經(jīng)濟效益相掛鉤，測量是工程項目中最基本的工作，在設計和施工中發(fā)揮著重要的作用，只有通過精確的工程測量，才能完成實際工程項目的設計和施工規(guī)劃，為工作布置提供合理的依據(jù)。比如為取得一條最經(jīng)濟最合理的路線，必須先進行路線勘測，繪出路線圖。工程測量在設計和施工過程中占據(jù)著重要位置，在日常生活中常用測距、測角和測水準等方式進行常規(guī)測試，隨著時代的發(fā)展和科技的進步，GPS技術逐漸取代了傳統(tǒng)的常規(guī)測量技術，并以全新的面貌迎接新的的挑戰(zhàn)。

1、GPS概述

GPS的英文全稱是Global Positioning System.即全球定位系統(tǒng)。GPS把高速運行的衛(wèi)星的瞬間位置作為已知的數(shù)據(jù)，應用空間距離后方交會的方法確定待測點的位置。在GPS中一般采用空間固定的坐標系統(tǒng)和地固坐標系統(tǒng)，地固坐標系統(tǒng)常被應用于工程測量中，在實際使用中為了求出使用坐標系統(tǒng)的坐標常常需要變換坐標系統(tǒng)[1]。GPS測量系統(tǒng)主要包括控制部分和用戶部分。

①控制部分

控制部分由建設于地面的5個跟蹤站組成，5個跟蹤站又分為主控站、監(jiān)控站和注入站三種。監(jiān)控站將采集的數(shù)據(jù)儲存送入主控站，主控站將處理后的數(shù)據(jù)編制成導航電文送至注入站，注入站將數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的正確性。

②用戶部分

接收機硬件、數(shù)據(jù)處理軟件、微處理器和終端設備組成了用戶部分，用戶部分主要用于接收衛(wèi)星發(fā)出的信號，以此進行定位導航，只有通過用戶設備，應用GPS的目的才能完全體現(xiàn)出來。

2、GPS技術在工程測量中的應用

2.1靜態(tài)相對定位的應用

靜態(tài)GPS測量技術主要用于建立大規(guī)模的公路勘測控制網(wǎng)，優(yōu)點是精度高、作業(yè)速度快、經(jīng)濟效益可觀[2]。用靜態(tài)GPS測量技術建立勘測網(wǎng)的費用只有常規(guī)測量的四分之一，下面介紹靜態(tài)GPS測量技術建立控制網(wǎng)的方法。

①初步勘察

調(diào)查當?shù)氐乃暮徒煌ㄇ闆r后，可組織相關人員進行路線的初步勘察，選擇合適的GPS點，并初步構思GPS點之間的聯(lián)測。

②控制網(wǎng)設計

GPS控制網(wǎng)要進行多方面的綜合考慮，實際工程中利用接收機同步觀測以邊連、點連和混合連的方式構成整體網(wǎng)，便于組成叫多點的異步環(huán)、同步環(huán)和復測基線，擁有較強的集合強度。

③選點

選點要根據(jù)設計圖紙進行合理的選點，并且要保證所選點滿足控制點之間的間距要求，便于安置接收設備，利于以后勘測工作的進行。

④架設GPS觀測儀

架設GPS觀測儀時，先安裝天線，再操作接收機，最后處理觀測記錄。

⑤觀測數(shù)據(jù)的處理

該工作分為基線解算和GPS平差計算兩個步驟，在專業(yè)軟件中調(diào)入GPS原始觀測數(shù)據(jù)，對全部基線進行解算，確定基線解算的正確性，再對GPS網(wǎng)進行預處理，排除誤差的基線向量，根據(jù)基線選擇控制網(wǎng)的平差值。

⑥高程

以大地水平面為基準的正常高與測量中得到的大地高存在異常，要知道正常高就必須聯(lián)測一定數(shù)量的水準點，再通過擬合計算，求出高程異常值，求出待定點的高程。由于測量高程過程中不存在累計誤差，作業(yè)速度也較快，所以經(jīng)常在平坦的小區(qū)域用靜態(tài)定位技術。用靜態(tài)定位技術擬合水準高程可以為其它高程測量提供依據(jù)，在實際中取得了廣泛的應用。

2.2動態(tài)相對定位的應用

由于靜態(tài)定位模式數(shù)據(jù)處理滯后，也存在較多的弊端，對觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量存在影響，降低了工作效率。RTK定位技術是基于載波相位觀測值的動態(tài)觀測技術，它能實時提供測站點在指定坐標中的三位定位結果，并且精讀高。在RTK作業(yè)模式中，基準站將觀測的數(shù)據(jù)傳送給流動站，流動站在采集觀測數(shù)據(jù)之后進行差值分析給出定位結果[3]。

3、實例應用

3.1布設GPS網(wǎng)

測區(qū)位于青海省切克里克區(qū)域，海拔高度2900-3100m，最高海拔達到3310m，面積約為40km2。本次測區(qū)沒有已知控制成果，所以應覆蓋全測區(qū)布設二等GPS網(wǎng)并加密三等GPS網(wǎng)作為整個測區(qū)的平面和高程控制網(wǎng)，測區(qū)內(nèi)共架設15個觀測點，按照邊連式布設出大地四邊形以提高控制網(wǎng)的精度。

3.2觀測方法

觀測過程中應用6臺雙頻接收機，其中3臺為萊卡1230，3臺為萊卡GS15，觀測工作開始前，結合當天的工作內(nèi)容制定工作計劃和GPS衛(wèi)星的可見性預報表，便于在規(guī)定的時間內(nèi)實現(xiàn)同步觀測。不同的同步環(huán)觀測一個時間段，觀測時間超過60min，衛(wèi)星截止高度角在15°以上，有效觀測衛(wèi)星數(shù)量在6個以上，任意一個觀測衛(wèi)星的觀測時間必須在15min以上，采樣間隔15s[4]。

在觀測過程中，如果GPS網(wǎng)為B級以下，則在測量過程中，同一條邊任意時刻邊長之差 需滿足以下關系：

其中σ是在儀器標稱精度情況下得出的基線距離中誤差，在成果檢驗不合格時，必須重測一條基線邊或者基線網(wǎng)。

本次測區(qū)沒有控制成果，所以應覆蓋全測區(qū)布設GPS點及五等導線點。首先布設二等GPS網(wǎng)，再布設三等GPS網(wǎng)，然后布設五等附和導線，并聯(lián)測三等三角高程，這樣形成全測區(qū)的控制網(wǎng)。

二等GPS網(wǎng)形組成：全測區(qū)布設二等GPS控制網(wǎng)作為測區(qū)首級平面控制測網(wǎng)，考慮到高山區(qū)地形的特點，GPS點成對埋設，共埋設8對，每對抽選一個點作為二等GPS點，其余為三等GPS點。GPS網(wǎng)按二等精度要求，每組點對同步觀測時間按8小時進行，PDOP值應不大于8，數(shù)據(jù)采樣間隔15～30s，衛(wèi)星高度截止角150，同時觀測有效衛(wèi)星數(shù)不少于4，有效衛(wèi)星數(shù)總數(shù)不少于6。重復基線測量的差值，應小于2σ。

同步環(huán)各坐標分量閉合差應符合：

Wx≤1.5σ、Wy≤1.5σ、Wz≤1.5σ，W≤1.5σ

異步環(huán)各坐標分量閉合差應符合：

Wx≤3σ、Wy≤3σ、Wz≤3σ，W≤3σ

其中n為閉合環(huán)中的邊數(shù)，σ為相應級別規(guī)定的GPS網(wǎng)相鄰點間的弦長精度（按平均邊長計算） ，σ=，其中a=10mm、b=5mm/km，d為閉合環(huán)中的平均邊長，單位為km。

全網(wǎng)最弱相鄰點邊長相對中誤差應小于1/150000。

三等GPS觀測中按三等精度要求，每組點對同步觀測時間按1.5小時進行，PDOP值應不大于10，數(shù)據(jù)采樣間隔15～30s，衛(wèi)星高度截止角150，同時觀測有效衛(wèi)星數(shù)不少于4，有效衛(wèi)星數(shù)總數(shù)不少于6。

重復基線測量的差值，應小于2σ。

同步環(huán)各坐標分量閉合差應符合：

Wx≤1.5σ、Wy≤1.5σ、Wz≤1.5σ，W≤1.5σ

異步環(huán)各坐標分量閉合差應符合：

Wx≤3σ、Wy≤3σ、Wz≤3σ，W≤3σ

其中n為閉合環(huán)中的邊數(shù)，σ為相應級別規(guī)定的GPS網(wǎng)相鄰點間的弦長精度（按平均邊長計算） ，σ=，其中a=10mm、b=10mm/km，d為閉合環(huán)中的平均邊長，單位為km。全網(wǎng)最弱相鄰點邊長相對中誤差應小于1/80000。

3.3 GPS數(shù)據(jù)處理

基線解算通過Pinnacle GPS軟件得出基線解，此時數(shù)據(jù)的平均比率為40.4，檢驗合格。按照GPS測量規(guī)范對各項限差進行處理，結合GPS網(wǎng)精度要求，檢驗同步環(huán)、異步環(huán)和復測基線的結果。

在該測量項目中，GPS網(wǎng)最大邊長、最短邊長、平均邊長分別為23.1km、2.1km、9.4km，同步環(huán)和異步環(huán)的最大閉合差分別為20.9mm、46.4mm，均滿足GPS測量規(guī)范的精度要求。異步環(huán)閉合差統(tǒng)計如表1所示。

在計算GPS網(wǎng)平差的過程中，采用南方GPS數(shù)據(jù)處理軟件，確定出外業(yè)測量的結果，在WGS84坐標系下計算出網(wǎng)平差。同時保證不同方向的基線分量滿足以下關系：

Vx=Vy=Vz<3Mo=144mm

其中Mo表示基線長度中誤差，平差后基線分量改正數(shù)的絕對值的最大Vx、Vy、Vz分別為8.478mm、13.849mm、16.580mm，滿足約束要求。

4、結束語

GPS技術已廣泛應用于工程測量領域，與傳統(tǒng)的勘測方法相比，使用GPS技術不但節(jié)約工作周期、提高了工作效率而且精度也比以往提高了許多，利用GPS技術還可以較大測量工程的控制網(wǎng)，將為未來工程測量行業(yè)的發(fā)展提供新的動力。

參考文獻

[1]公路勘測規(guī)范（JTG C10—2007）北京.人民交通出版社，2010，36（4）：69.

[2]馮曉，周平，范洪成等.基于RTK功能的GPS道路中線測設原理與試驗[J].重慶交通學院學報，2012，21（4）：75-78.

[3]土家貴，土佩賢，裴亮等，測繪學基礎[M].北京：教育科學出版社，2013，25（7）：125.

作者簡介

張賢勇（1973.10），性別：男，貴州省畢節(jié)市（籍貫），現(xiàn)職稱：中級，學歷：本科，研究方向：工程測繪技術。