GPS 定位技術(shù)在土木工程測(cè)量中的應(yīng)用

王琿

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510420）

1 GPS 定位技術(shù)概述

1.1 GPS 定位技術(shù)的特征

GPS 定位系統(tǒng)由三大部分組成。第一，是在太空中部署的衛(wèi)星系統(tǒng)。第二，是在地面設(shè)置的監(jiān)控系統(tǒng)。第三，是存放于設(shè)備中的信號(hào)接收系統(tǒng)。GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)，也稱為GPS 星座，是由21 顆工作衛(wèi)星與三顆在軌備用衛(wèi)星構(gòu)成。衛(wèi)星軌道距地面2.02 萬km。在定位地面物體時(shí)，至少會(huì)有4 顆衛(wèi)星對(duì)地面接收器發(fā)射信號(hào)。地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要職能是控制衛(wèi)星系統(tǒng)，由主控站、監(jiān)控站、注入站構(gòu)成。其會(huì)為衛(wèi)星系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析及天氣監(jiān)測(cè)。信號(hào)接受系統(tǒng)的主要功能是接受衛(wèi)星傳輸?shù)碾娮有盘?hào)，并利用四項(xiàng)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出自身的三維坐標(biāo)以及時(shí)間差，以體現(xiàn)自身的實(shí)時(shí)定位。綜合分析，GPS 定位技術(shù)的主要特征是以衛(wèi)星位置為中心，分析定位物體的空間位置。

1.2 GPS 定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

GPS 定位技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)可被概括為3 個(gè)方面。一是精度高。GPS 定位技術(shù)的誤差，主要來自信號(hào)傳輸過程中產(chǎn)生的干擾。在民用領(lǐng)域，GPS 系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)繪誤差，通常可控制在厘米級(jí)別。若在干擾因素較少的環(huán)境中，其誤差范圍將得到進(jìn)一步控制。二是操作便捷。GPS 系統(tǒng)的測(cè)繪工作主要由衛(wèi)星系統(tǒng)完成，而地面人員的主要職能是完成輔助工作及信號(hào)接收，因此該系統(tǒng)的操作極為簡(jiǎn)便。三是應(yīng)用范圍廣。GPS 系統(tǒng)可覆蓋全球表面98%的區(qū)域，并可抗拒多種天氣干擾，因此GPS 系統(tǒng)的應(yīng)用極為廣泛。同時(shí)，廣泛的使用范圍，進(jìn)一步降低了該系統(tǒng)的邊際成本，為GPS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)接口，已經(jīng)成為諸多領(lǐng)域的標(biāo)配。

2 GPS 定位技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

2.1 差分GPS 技術(shù)在靜態(tài)定位中的應(yīng)用

GSP 靜態(tài)定位被廣泛應(yīng)用于建筑測(cè)量，其發(fā)展趨勢(shì)是不斷提升測(cè)量精度。GPS 定位技術(shù)依賴于衛(wèi)星信號(hào)的傳送，衛(wèi)星信號(hào)在穿越平流層的過程中會(huì)遇到干擾，從而使定位精度受到影響。通常情況下，民用領(lǐng)域的定位精度優(yōu)于25m，在架設(shè)手持基站后可獲得亞米級(jí)的定位精度。差分GPS 技術(shù)（DGPS），是利用同一點(diǎn)位信號(hào)差，提升定位精度的測(cè)量方法。該技術(shù)可提供更高的定位精度，因此已被廣泛應(yīng)用于土木工程測(cè)量。在使用中，測(cè)量人員應(yīng)依據(jù)GPS 靜態(tài)定位的操作方式，在指定點(diǎn)架設(shè)基站。之后應(yīng)將GPS 檢測(cè)接收機(jī)置于基站同坐標(biāo)點(diǎn)。通過計(jì)算，可得到基站距GPS 衛(wèi)星的改正數(shù)。同時(shí)，利用用戶接手機(jī)接受基站發(fā)出的改正數(shù)據(jù)，可使定位結(jié)果得到修正，定位精度進(jìn)一步提升。差分GPS 技術(shù)可具體分為位置差分、偽距差分以及載波相位。三者的工作原理相同，但發(fā)送的數(shù)據(jù)信息存在差異。

2.2 GPS 動(dòng)態(tài)定位技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

GPS 動(dòng)態(tài)定位是指，借助衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)的物體。相較于靜態(tài)定位，其接受到的數(shù)據(jù)更多，其中包含三維坐標(biāo)、三維速度以及七項(xiàng)時(shí)間參數(shù)。將該技術(shù)應(yīng)用于橋梁、水壩等土木工程監(jiān)測(cè)，可準(zhǔn)確呈現(xiàn)建筑物的振幅、變形等數(shù)據(jù)。在土木工程監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，使用GPS 動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的過程中，可首先在觀測(cè)建筑外設(shè)置基站，并將該基站視為精準(zhǔn)位置。同時(shí)，在觀測(cè)建筑內(nèi)設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，并利用接收機(jī)收集衛(wèi)星信號(hào)。將某一時(shí)間段的位置數(shù)據(jù)疊加為時(shí)程曲線，可使該觀測(cè)點(diǎn)的位移得到體現(xiàn)。借助GPS 動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)，橋梁等工程的安全檢測(cè)可獲得保障。在具體應(yīng)用中，測(cè)量人員也可結(jié)合使用地理信息系統(tǒng)（GIS）以及遙感系統(tǒng)（RS），從而構(gòu)建出兼容三者的“3S 系統(tǒng)”。同時(shí)部分實(shí)驗(yàn)性測(cè)量中，也使用了測(cè)量機(jī)械人等新型技術(shù)，建筑物的動(dòng)態(tài)檢測(cè)將得到更多支持。

3 GPS 定位技術(shù)在土木工程測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 GPS 定位技術(shù)在橋梁測(cè)量中的應(yīng)用

橋梁施工的難度較高，施工設(shè)計(jì)人員會(huì)利用三維圖像模擬該橋梁的受力與抗風(fēng)性能，從而使設(shè)計(jì)、施工更加合理。GPS 測(cè)量技術(shù)可有效提升橋梁施工測(cè)量的精度，并還原施工現(xiàn)場(chǎng)的地貌，因此，GPS 定位技術(shù)在橋梁施工測(cè)量中具有廣闊的應(yīng)用前景。廣東省虎門大橋，是我國第一座應(yīng)用GPS 定位技術(shù)的橋梁建筑。在使用中，測(cè)量人員首先利用差分GPS技術(shù)，收集橋樁等受力點(diǎn)的坐標(biāo)。之后，利用線坐標(biāo)繪制出橋梁剖面，并將該剖面轉(zhuǎn)換為橋梁模型。同時(shí)，測(cè)量人員通過高斯投影，將橋梁模型轉(zhuǎn)化為與施工現(xiàn)場(chǎng)表面弧度相符的橋梁模型及各關(guān)鍵點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在放樣過程中，測(cè)量人員會(huì)利用GPS 定位系統(tǒng)再次確定橋梁模型的吻合度。在高程測(cè)量中，GPS 定位系統(tǒng)可提供測(cè)量精度。傳統(tǒng)的測(cè)繪工具，需要設(shè)立參照物，但高點(diǎn)的參照物難以獲得且不穩(wěn)定，因此測(cè)量精度相對(duì)較低。但GPS 定位系統(tǒng)可依據(jù)地面基站假設(shè)相對(duì)距離點(diǎn)，因此其測(cè)量精度更高。

3.2 GPS 定位技術(shù)在道路、隧道測(cè)量中的應(yīng)用

道路、鐵路、管線與隧道工程中，大部分施工段會(huì)在野外進(jìn)行。受到交通條件的影響，全站儀等測(cè)量工具無法在測(cè)量全程中得到使用。同時(shí)，受地形地貌的影響，高程測(cè)量的準(zhǔn)確性也難以提升。有鑒于此，我國已在道路、鐵路、管線與隧道工程中廣泛應(yīng)用了GPS 定位技術(shù)。例如，在我國的磨盤溝隧道、秦嶺隧道、烏鞘嶺隧道，均在測(cè)量環(huán)節(jié)使用了GPS 定位技術(shù)。道路勘測(cè)圖紙極為狹長(zhǎng)，各測(cè)量段的銜接對(duì)于精準(zhǔn)度的要求較高。GPS 定位技術(shù)可通過高空視角俯瞰地面情況，全域施工現(xiàn)場(chǎng)將得到清晰呈現(xiàn)。在具體的應(yīng)用中，測(cè)量人員應(yīng)首先通過衛(wèi)星地圖，初步判斷基站的安放點(diǎn)。之后，應(yīng)通過GPS 靜態(tài)定位，開展控制測(cè)量并建立首級(jí)控制網(wǎng)與加密網(wǎng)。其次，可借助GPS 快速定位技術(shù)，實(shí)施測(cè)圖碎部點(diǎn)的采集以及圖根點(diǎn)的測(cè)量。

3.3 GPS 定位技術(shù)在水壩測(cè)量中的應(yīng)用

水庫、水電站需要利用大型水壩攔截水流。當(dāng)水庫容量較高時(shí)，水壩將經(jīng)受巨大推力。在水位變化時(shí)，水壩將在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)受外部推力與內(nèi)部拉力，水壩內(nèi)部極易松動(dòng)。有鑒于此，水壩需要得到及時(shí)加固與維護(hù)。但水壩的形態(tài)變化，不易通過肉眼判斷，因此可借助GPS 定位技術(shù)完成日常測(cè)量。GPS 定位技術(shù)的測(cè)量精度較高，適用于大型建筑的測(cè)量。在具體的測(cè)量工作中，測(cè)量人員可首先在壩體外部設(shè)計(jì)測(cè)量點(diǎn)，并安放信號(hào)接收設(shè)備。之后，可在壩體中央設(shè)置兩處觀測(cè)點(diǎn)。以1h 為單位，測(cè)量人員可將接收到的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，制作成觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線，水壩振幅將得到準(zhǔn)確觀察。同時(shí)，GPS 動(dòng)態(tài)檢測(cè)可分為強(qiáng)迫振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)。在水壩檢測(cè)中，測(cè)量人員可借助排洪、蓄水等作業(yè)，實(shí)施隨機(jī)振動(dòng)檢測(cè)。

3.4 GPS 定位技術(shù)在城市工程中的應(yīng)用

城市工程的施工難度較高，垂直作業(yè)與水平作業(yè)需要得到長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。因此，建筑工程需要同步開展前期測(cè)量與施工監(jiān)測(cè)。在城市建筑的前期測(cè)量中，應(yīng)將全站儀作為主要測(cè)量工具，而GPS 定位系統(tǒng)，應(yīng)主要承擔(dān)周邊建筑分析與地形分析等職能。在具體的應(yīng)用中，測(cè)量人員可首先使用差分GPS技術(shù)，準(zhǔn)確定位建筑孔樁與邊角。再有，高層建筑會(huì)對(duì)地面帶來較大壓力，受到地下水流變化等因素的影響，部分建筑所處位置會(huì)逐漸下沉。在受到建筑帶來的壓力后，地面表層會(huì)加速下沉。同時(shí)由于下沉位置并不均勻，因此建筑物也會(huì)出現(xiàn)開裂、傾斜等問題。因此，在施工過程中，應(yīng)對(duì)建筑物實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。例如，測(cè)量人員可在建筑物外圍設(shè)置GPS 接收裝置，并在各直角設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最后應(yīng)將連續(xù)收集的定位信息轉(zhuǎn)化為時(shí)程曲線。

3.5 GPS 定位技術(shù)在機(jī)場(chǎng)跑道測(cè)量中的應(yīng)用

機(jī)場(chǎng)跑道應(yīng)保持軸線平直，其精度通常在±1″～6″。由于精度要求較高，測(cè)量人員應(yīng)參與施工過程。自20世紀(jì)90 年代，我國就將GPS 定位技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)修建。在施工要求較高的機(jī)場(chǎng)中，應(yīng)收集大地方位角，并使用精密計(jì)算軟件或云計(jì)算系統(tǒng)，運(yùn)算平面子午線斂角與方向帶來的實(shí)際影響。而在建設(shè)精度要求較低的機(jī)場(chǎng)中，可利用GPS 定位技術(shù)取各軸線坐標(biāo)，通過重疊對(duì)比可檢測(cè)跑道平整度。

4 結(jié)語

GPS 定位技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于使用成本，因此其適用于大型測(cè)量及常態(tài)化監(jiān)測(cè)。在靜態(tài)定位中，測(cè)量人員應(yīng)依據(jù)工程特征，設(shè)計(jì)檢測(cè)基站。針對(duì)精度要求較高的測(cè)量項(xiàng)目，可結(jié)合使用差分GPS 定位技術(shù)。同時(shí)在水壩、橋梁等建筑物的監(jiān)測(cè)工作中，可借助GPS 動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，提取觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線，以判斷建筑物的振幅。綜合分析，GPS 定位技術(shù)具有使用范圍廣、精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢(shì)，合理使用可使我國土木工程的測(cè)量技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。