工程測(cè)量中應(yīng)用GPS控制測(cè)量平面及高程精度

吳迪 耿直

【摘 要】工程行業(yè)的發(fā)展與工程技術(shù)的進(jìn)步是相輔相成的關(guān)系。作為工程技術(shù)的重要組成部分，GPS控制測(cè)量技術(shù)不僅與工程數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性有關(guān)，而且對(duì)工程整體施工質(zhì)量有重要影響?；诖?，本文將利用GPS控制測(cè)量平面以及控制測(cè)量高程精度作為調(diào)查研究的內(nèi)容，通過(guò)對(duì)GPS測(cè)量技術(shù)實(shí)施重要性的簡(jiǎn)單描述，此外，還提出了影響GPS控制測(cè)量平面和高程精度的因素，以提高測(cè)量技術(shù)的精度。本文的目的是為GPS控制測(cè)量技術(shù)的發(fā)展提供參考性建議，為工程技術(shù)的全面發(fā)展提供積極的推動(dòng)作用。

【關(guān)鍵詞】工程測(cè)量；GPS控制測(cè)量技術(shù)；平面及高程精度

一、概述

最近幾年，我國(guó)社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的快速建設(shè)推動(dòng)了 GPS技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，如在大地測(cè)量方面，利用 GPS技術(shù)建立全球大地控制模型，提供精確的地心坐標(biāo)，并精化大地水準(zhǔn)面；在工程測(cè)量中，采用 GPS靜態(tài)定位技術(shù)，為測(cè)量區(qū)域布設(shè)高精度工程控制網(wǎng)，以便用于城市地表沉降，主壩變形，超高層建筑的變形監(jiān)測(cè)，以及長(zhǎng)距離隧道貫入測(cè)量等； 在航空攝影測(cè)量方面，利用GPS技術(shù)在GIS上的應(yīng)用，建立三維大型建筑、公路、橋梁的BIM模型，更立體直面的了解建筑實(shí)物概況；在地球科學(xué)中，GPS技術(shù)用于監(jiān)測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)； 此外， GPS技術(shù)還用于海洋測(cè)量，水下土地測(cè)繪，軍事防御，智能交通，電信，采礦，煤炭，石油，建筑和農(nóng)業(yè)，氣象，土地管理，環(huán)境監(jiān)測(cè)，金融，公安等部門(mén)和行業(yè)。本篇文章以蕪湖長(zhǎng)江公路二橋作為例子，對(duì)GPS控制測(cè)量平面及高程精度進(jìn)行了深入的探討。

二、GPS定位測(cè)量技術(shù)的原理及布設(shè)形式

（一）GPS控制測(cè)量技術(shù)既是使用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并依靠衛(wèi)星信號(hào)來(lái)進(jìn)行分析的定位測(cè)量技術(shù)，其基本的定位原理為：

1.根據(jù)空間三維前方交會(huì)法，使用地面坐標(biāo)計(jì)算出衛(wèi)星實(shí)時(shí)軌道位置。

2.根據(jù)空間三維后方交會(huì)法，使用衛(wèi)星實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)，計(jì)算出地面未知點(diǎn)坐標(biāo)。

計(jì)算公式如下：

該技術(shù)在地面區(qū)域進(jìn)行操作時(shí)，僅需要使用GPS信號(hào)接收器對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行接收[1]。因此，在實(shí)際測(cè)量技術(shù)應(yīng)用中，GPS技術(shù)具有定位準(zhǔn)確性高，定位時(shí)間短，不需要測(cè)站點(diǎn)之間相互通視，攜帶操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

（二）GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)連接形式分為：1.點(diǎn)連式。2.邊連式。3.網(wǎng)連式。4.邊點(diǎn)混合連接式。5.三角鎖（多邊形）連接。6.導(dǎo)線網(wǎng)形連接（環(huán)形圖）。7.星形布設(shè)。蕪湖長(zhǎng)江公路二橋應(yīng)用GPS靜態(tài)控制測(cè)量技術(shù)，使用4臺(tái)GPS接收機(jī)，之間采用邊連式連接，形成大地四邊形組成的帶狀網(wǎng)。GPS網(wǎng)形如圖2-1所示。

三、影響GPS控制測(cè)量平面及高程精度的因素

影響GPS控制測(cè)量精度的因素有很多種，GPS衛(wèi)星測(cè)量本身的誤差來(lái)源、控制網(wǎng)布設(shè)結(jié)構(gòu)可靠性、觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理方法等。

（一）GPS衛(wèi)星測(cè)量誤差來(lái)源

GPS測(cè)量主要的誤差分類(lèi)如表3-1所示

（二）GPS控制網(wǎng)結(jié)構(gòu)可靠性

GPS控制網(wǎng)的精確程度是可以通過(guò)基數(shù)向量殘差、相鄰控制點(diǎn)的分量中誤差和距離中誤差加以評(píng)定的。GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)與觀測(cè)方案決定了GPS網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。而GPS網(wǎng)發(fā)現(xiàn)及抵御觀測(cè)和基線解算數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的粗差的能力叫做GPS網(wǎng)的可靠性。所建立的網(wǎng)發(fā)現(xiàn)粗差的能力稱(chēng)為內(nèi)可靠性，抵御粗差的能力稱(chēng)為外可靠性。大型橋梁的施工控制網(wǎng)最好在橋梁軸線上進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布設(shè)，以方便控制進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)物放樣，在橋軸線側(cè)部布設(shè)點(diǎn)，可以用于橋梁的下部結(jié)構(gòu)放樣。橋梁施工控制網(wǎng)常常也會(huì)兼作施工、運(yùn)營(yíng)期的橋梁變形監(jiān)測(cè)，所以對(duì)點(diǎn)的精度。位置和穩(wěn)定性要求較高[2]。

（三）觀測(cè)與高程擬合

觀測(cè)總體上應(yīng)執(zhí)行觀測(cè)方案，按計(jì)劃進(jìn)行同步觀測(cè)作業(yè)。作業(yè)前計(jì)劃觀測(cè)天氣、環(huán)境因素，交通、通信及后勤保障，儀器校核，保證觀測(cè)異步環(huán)不超過(guò)限差。在GPS測(cè)量中應(yīng)使用大地高與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)合的方式，降低高程擬合誤差。實(shí)際觀測(cè)中，由于擬合模型的選擇方式，擬合高程誤差大，會(huì)影響高程精確度。

（四）數(shù)據(jù)檢核與處理

數(shù)據(jù)采集完成后，數(shù)據(jù)采集誤差的大小直觀的影響GPS控制網(wǎng)的精度。評(píng)定基線解算結(jié)果誤差大小的標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)方面，一方面是在統(tǒng)計(jì)學(xué)原理基礎(chǔ)上的參考標(biāo)準(zhǔn)，另一方面是在測(cè)量規(guī)范基礎(chǔ)上的控制標(biāo)準(zhǔn)。在工程應(yīng)用中必須滿(mǎn)足后一方面。而GPS網(wǎng)平差的目的主要有三個(gè)：

1.消除有已知存在條件與實(shí)際觀測(cè)的GPS幾何網(wǎng)型不一致的偏離誤差。

2.改善GPS網(wǎng)的質(zhì)量，評(píng)定GPS網(wǎng)精度。

3.確定GPS網(wǎng)中各點(diǎn)在特定參考系下的三維坐標(biāo)以及其他數(shù)據(jù)參數(shù)的估值[3]。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合適的預(yù)處理，選擇合適的數(shù)據(jù)處理軟件，按要求以合適方法檢驗(yàn)基線質(zhì)量，平差計(jì)算對(duì)于保證控制網(wǎng)精度的十分重要。

四、提升GPS控制測(cè)量平面及高程精度的策略

（一）提升設(shè)備精準(zhǔn)度

利用雙頻GPS接收機(jī)同步觀測(cè)能夠有效減弱電離層折射影響?？梢允褂枚罅魅μ炀€，避開(kāi)水域、光滑平坦地面，大規(guī)模建筑群，增加觀測(cè)時(shí)間等措施減弱多路徑效應(yīng)。使用強(qiáng)制對(duì)中裝置減弱天線相位中心位置誤差帶來(lái)的影響。鑒于以上GPS測(cè)量的誤差來(lái)源，在實(shí)際觀測(cè)作業(yè)中應(yīng)采用相對(duì)定位或差分測(cè)量的形式減小誤差影響，必要時(shí)采用精密星歷定位。與此同時(shí)除了選擇性能優(yōu)異的GPS接收機(jī)和相關(guān)的后處理軟件以外，應(yīng)該選擇合理的觀測(cè)站點(diǎn)和觀測(cè)時(shí)間，做好外業(yè)觀測(cè)設(shè)計(jì)以求減弱GPS測(cè)量的誤差[4]。

（二）控制網(wǎng)布設(shè)要求

為滿(mǎn)足施工建設(shè)的需要，布設(shè)建設(shè)工程控制網(wǎng)應(yīng)具有必要的精確度。根據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》（GB0026-93），《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（ GB/T18314-2009）以及施工圖設(shè)計(jì)文件，得出蕪湖長(zhǎng)江公路二橋GPS控制網(wǎng)測(cè)量作業(yè)技術(shù)指標(biāo)要求如表4-1所示。

在實(shí)際布設(shè)GPS控制網(wǎng)過(guò)程中需要注意：

適當(dāng)數(shù)量的異步環(huán)更能充分的發(fā)現(xiàn)基線向量中存在的問(wèn)題，更加客觀地反映GPS測(cè)量的質(zhì)量。但最簡(jiǎn)異步環(huán)的邊數(shù)不大于6條。

使用高精度的激光測(cè)距儀測(cè)距作為觀測(cè)值，和GPS觀測(cè)值一起聯(lián)合平差，或者將它作為起算邊能大幅提高GPS網(wǎng)的精度。

GPS高程測(cè)量的精度取決于大地高和大地水準(zhǔn)面，通過(guò)高程擬合得到的高程點(diǎn)需要保證其精度，因而在布網(wǎng)時(shí)，需要適當(dāng)選取一些水準(zhǔn)點(diǎn)均勻分布在區(qū)域內(nèi)。當(dāng)測(cè)量區(qū)域較大時(shí)，為避免地球曲率因素等的影響，可以將測(cè)量區(qū)域分為幾塊較小的區(qū)域建立擬合模型進(jìn)行測(cè)量[5]。

（三）觀測(cè)過(guò)程

GPS觀測(cè)選擇觀測(cè)條件良好的時(shí)段，總體上執(zhí)行調(diào)度計(jì)劃，按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行同步觀測(cè)作業(yè)。作業(yè)前嚴(yán)格按照要求對(duì)儀器進(jìn)行檢校，采用精密對(duì)點(diǎn)器對(duì)中，對(duì)中誤差小于2mm。每個(gè)觀測(cè)時(shí)段前后應(yīng)分別量取天線高，精度大于2mm，取平均值作為最終天線高。對(duì)講機(jī)的使用遠(yuǎn)離GPS接收機(jī)。時(shí)段觀測(cè)前，儀器變動(dòng)需要重新整平對(duì)中。觀測(cè)時(shí)段數(shù)Smin為：

其中，n為點(diǎn)數(shù)量，N為觀測(cè)GPS接收機(jī)數(shù)量，m為重復(fù)設(shè)站觀測(cè)次數(shù)，ceil（）函數(shù)作用是對(duì)實(shí)數(shù)向上取整。

（四）數(shù)據(jù)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完后，可以利用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，根據(jù)觀測(cè)值的信噪比、衛(wèi)星高度角、衛(wèi)星健康狀態(tài)、多路徑效應(yīng)等情況，篩選出合格的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行基線向量解算?；€向量采用廣播星歷和商用隨機(jī)軟件進(jìn)行，解算過(guò)程中同一時(shí)段觀測(cè)值數(shù)據(jù)剔除率小于10%。解算時(shí)，各同步環(huán)之間的起算點(diǎn)采用同一點(diǎn)或該點(diǎn)的衍生點(diǎn)[6]。衡量GPS網(wǎng)內(nèi)精度是GPS網(wǎng)無(wú)約束平差所得到的GPS網(wǎng)精度指標(biāo)。而GPS網(wǎng)的非自由網(wǎng)平差則常常被用于保證GPS網(wǎng)成果由基線解算時(shí)，所用GPS衛(wèi)星星歷采用的參考系到指定參考系的轉(zhuǎn)換不發(fā)生變化。工程中常聯(lián)合平差作為GPS網(wǎng)平差的類(lèi)型。在蕪湖長(zhǎng)江公路二橋中，我們采用徠卡GPS商用處理軟件LGO進(jìn)行GPS基線處理、網(wǎng)平差計(jì)算。采用科傻地面控制測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件和天寶TBC數(shù)據(jù)后處理軟件進(jìn)行平差復(fù)核。

五、結(jié)論

在工程建設(shè)中，應(yīng)用GPS定位技術(shù)進(jìn)行控制測(cè)量十分普遍，而影響GPS控制測(cè)量精度的因素有很多，本文從蕪湖長(zhǎng)江公路二橋的控制網(wǎng)的具體實(shí)例出發(fā)，深入的探討了在實(shí)際工作中，運(yùn)用GPS控制測(cè)量需要注意的問(wèn)題，希望能夠在今后的工作給出一些參考意見(jiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

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