GPS技術(shù)在地質(zhì)工程測量當(dāng)中的應(yīng)用

晏淑萍

（江西有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，江西 南昌 330000）

1 GPS技術(shù)概述

GPS（Global Positioning System），全球定位系統(tǒng)，是目前精度最高、應(yīng)用最廣泛的定位導(dǎo)航技術(shù)，GPS系統(tǒng)是一個由美國國防部開發(fā)的全天侯導(dǎo)航系統(tǒng)，它用以滿足軍方在地面或近地空間內(nèi)獲取在一個通用參照系中的位置、速度和時間信息的要求，后來通過降低GPS的定位精度并將其應(yīng)用于民用或商用，才真正使得GPS技術(shù)得到推廣與普及，并孕育出了一系列基于位置的服務(wù)（LBS）、智慧導(dǎo)航定位服務(wù)等。GPS的基本原理是通過GPS信號接收器所接收的三個衛(wèi)星的信號以及三個衛(wèi)星的已知空間位置，基于后方交會法可以推算出接收器所在的空間位置（經(jīng)度、緯度、高程）[3]。GPS系統(tǒng)的組成主要包括GPS接收器、衛(wèi)星、地面監(jiān)控站，衛(wèi)星圍繞軌道平面運(yùn)行，其需要保證在任意時刻任意地理位置15°高度角上方均有4顆以上的衛(wèi)星在運(yùn)行，以保證GPS定位的精度與準(zhǔn)確性；地面監(jiān)控站主要用于監(jiān)測與控制衛(wèi)星的運(yùn)行、計算各個衛(wèi)星的星歷與時鐘修正參數(shù)，并注入衛(wèi)星保持系統(tǒng)時間，控制衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)，處理衛(wèi)星運(yùn)行故障與實(shí)時調(diào)度；GPS接收器定期接收衛(wèi)星向外發(fā)射的用于導(dǎo)航定位的數(shù)據(jù)信號，并根據(jù)信號的傳輸時間計算出接收器與衛(wèi)星之間的距離[4]。

2 GPS技術(shù)在地質(zhì)工程測量中的應(yīng)用

（1）地表形變監(jiān)測。地表形變監(jiān)測是地質(zhì)工程建設(shè)與施工的重要內(nèi)容，為保證地質(zhì)工程施工的安全性，施工方需要獲悉工程所在位置的實(shí)際高程，對地質(zhì)工程周邊的地表高程進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測，以分析工程施工是否造成地面沉降等不良反應(yīng)，以及時發(fā)現(xiàn)地表高程變化以及地表發(fā)生微凹陷等情況[5]。將GPS技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)形變監(jiān)測中，根據(jù)地質(zhì)工程施工需要，對地表形變數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)獲取，配合水準(zhǔn)儀定點(diǎn)監(jiān)測與校驗，為地質(zhì)工程的施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐與安全防護(hù)保障。

（2）點(diǎn)位測設(shè)工作。點(diǎn)位測設(shè)用于對地質(zhì)工程所在的目標(biāo)區(qū)域中各個布點(diǎn)的經(jīng)緯度與高程進(jìn)行精準(zhǔn)測量，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行點(diǎn)位連接形成目標(biāo)區(qū)域空間分布圖，據(jù)此分析目標(biāo)區(qū)域的大小與形狀，為地質(zhì)工程的設(shè)計與施工提供精準(zhǔn)的三維空間坐標(biāo)測繪數(shù)據(jù)[6]。對于點(diǎn)位測設(shè)工作，利用GPS技術(shù)對目標(biāo)區(qū)域的各個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的經(jīng)度、緯度與高程進(jìn)行精準(zhǔn)測量，得到每一點(diǎn)位的（X,Y,Z）三維坐標(biāo)值，基于各點(diǎn)位的三維坐標(biāo)值可以在GIS軟件中構(gòu)建目標(biāo)區(qū)域的三維模型，可以為地質(zhì)工程施工人員提供精準(zhǔn)的、三維可視化的目標(biāo)區(qū)域空間結(jié)構(gòu)模型。

（3）工程控制測量?？刂茰y量主要用于對地質(zhì)工程所在地的地形地貌特征加以精準(zhǔn)測繪與三維刻畫，幫助地質(zhì)工程的設(shè)計與施工人員提前對施工場地內(nèi)復(fù)雜的地形地貌條件進(jìn)行掌握，以便以此為基礎(chǔ)設(shè)計出更為科學(xué)、合理的地質(zhì)工程圖紙以及施工組織計劃方案等。傳統(tǒng)的測繪工具在面對復(fù)雜地形下的坐標(biāo)與高程測量時通常存在較大的難度，人工腳步難以涉及的區(qū)域通常所采集的數(shù)據(jù)精確度也不高?，F(xiàn)代測繪技術(shù)對復(fù)雜地形下的坐標(biāo)于高程測量多采用GPS技術(shù)，目前較為主流的GPS技術(shù)為GPS-RTK技術(shù)，其主要構(gòu)成包括基準(zhǔn)站、流動站、數(shù)據(jù)鏈，首先在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)某一已知三維坐標(biāo)的控制點(diǎn)上安裝接收機(jī)，由接收機(jī)對GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)不間斷跟蹤觀測與數(shù)據(jù)調(diào)試，獲取基準(zhǔn)站以及衛(wèi)星的相關(guān)數(shù)據(jù)并發(fā)送至基準(zhǔn)站。

操作人員手持流動站接收機(jī)在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)定點(diǎn)觀測GPS衛(wèi)星信號，并接收從基準(zhǔn)站傳輸過來的數(shù)據(jù)鏈，經(jīng)實(shí)時差分處理，可準(zhǔn)確計算流動站接收機(jī)所在位置的經(jīng)緯度與高程。地質(zhì)工程建設(shè)與施工利用GPS技術(shù)對工程區(qū)域進(jìn)行定位與測量，是幫助施工人員掌握施工現(xiàn)場的重要技術(shù)。

3 GPS技術(shù)在實(shí)際地質(zhì)工程測量中應(yīng)注意的問題

GPS技術(shù)在實(shí)際的地質(zhì)工程測量作業(yè)中也有很多限制與問題，尤其是對于當(dāng)前在地質(zhì)工程測量工程中應(yīng)用較多的GPS-RTK技術(shù)而言，其應(yīng)用的注意事項主要表現(xiàn)在：

（1）衛(wèi)星狀況限制。在高山峽谷、高樓密集或森林茂密等外業(yè)測繪環(huán)境中，衛(wèi)星信號容易被長時間阻擋，容易在某些時段出現(xiàn)測量假值，產(chǎn)生假定位現(xiàn)象。長時間的衛(wèi)星信號阻擋會大大縮短可作業(yè)時間，這時可以通過查看星歷預(yù)報，選擇合適的野外作業(yè)時間，也可以采用其它常規(guī)測量方法進(jìn)行作業(yè)。

（2）數(shù)據(jù)鏈傳輸距離限制。GPS-RTK在兩臺GPS接收機(jī)（基準(zhǔn)站接收機(jī)、流動站接收機(jī)）之間增加一套無線電通訊系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)兩臺或兩臺以上相對獨(dú)立的GPS接收機(jī)的有效連接。GPS-RTK測量技術(shù)是建立在流動站與基準(zhǔn)站誤差強(qiáng)烈類似這一基礎(chǔ)假設(shè)之上，因此隨著流動站與基準(zhǔn)站之間距離的增大，其流動站與基準(zhǔn)站誤差的相似性降低，數(shù)據(jù)鏈通信的干擾會增強(qiáng)，導(dǎo)致流動站的定位精度也越來越低。因此在采用GPS-RTK技術(shù)野外測繪作業(yè)時，一般將兩臺GPS接收機(jī)的距離控制在15公里以內(nèi)。

（3）電離層干擾問題。正午時間，衛(wèi)星信號受電離層干擾影響嚴(yán)重，共用衛(wèi)星數(shù)量少，接收機(jī)不能完全接收到5顆衛(wèi)星的信息，導(dǎo)致正常測量無法進(jìn)行。因此，需要選擇正確作業(yè)時段進(jìn)行野外測量，一般建議作業(yè)時段為11點(diǎn)之前和14點(diǎn)之后，此時GPS-RTK測量效果最佳。

（4）初始化所需時間問題。GPS-RTK技術(shù)在高山峽谷、高樓密集或森林茂密等外業(yè)測繪環(huán)境中應(yīng)用時，GPS衛(wèi)星信號被遮擋，造成信號失鎖問題，需要重復(fù)初始化，這會大大降低測量精度和效率。因此，在面對信號遮擋嚴(yán)重的外業(yè)測繪環(huán)境時，建議選用初始化能力強(qiáng)、所需時間短的GPS-RTK機(jī)型。

4 結(jié)論

GPS技術(shù)是一種能夠在野外實(shí)時得到厘米級、實(shí)時定位的測量技術(shù)，極大地提高了測繪質(zhì)量與野外作業(yè)效率，因而其應(yīng)用領(lǐng)域較廣且極具發(fā)展前景。但是在地質(zhì)工程測量應(yīng)用過程中，其也有一定的局限性。為了保證地理空間數(shù)據(jù)采集的精度與數(shù)據(jù)的可靠性，野外測繪人員必須充分考慮各干擾因素，以降低不利因素對測繪精度的影響。