GPS測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用解讀

張金生

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工程測(cè)量作為測(cè)繪行業(yè)的一個(gè)專業(yè)方向，先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)也被廣泛的應(yīng)用。GPS測(cè)繪技術(shù)有著很明顯的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，高應(yīng)用價(jià)值提高了測(cè)繪效率。本文從GPS測(cè)繪技術(shù)的工作原理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、應(yīng)用特點(diǎn)、具體應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)明扼要的闡述。

關(guān)鍵詞：GPS;工作原理;坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;測(cè)繪技術(shù);具體應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）18-0110-03

0 引言

GPS測(cè)繪技術(shù)作為一種先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，為測(cè)繪工作的效率提供了有力保障。與傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)相比較，它具有測(cè)量精確度高、時(shí)間短、測(cè)站間無(wú)需通視、操做簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以被工程測(cè)量領(lǐng)域所采納和應(yīng)用，結(jié)果的準(zhǔn)確性得到更好的保證，希望工程測(cè)量領(lǐng)域的相關(guān)人員不斷對(duì)新型GPS測(cè)繪技術(shù)的探索和研究。

1 GPS測(cè)繪技術(shù)概述

1.1 工作原理

首先將GPS接收機(jī)設(shè)置在一個(gè)固定的測(cè)量控制點(diǎn)上，然后通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)感應(yīng)技術(shù)確定其具體位置，最后將其信息數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，并建立一個(gè)三維坐標(biāo)系來(lái)顯示接收機(jī)的具體位置。坐標(biāo)系是測(cè)量工作的基準(zhǔn)，GPS定位技術(shù)是一種通過(guò)接收來(lái)自位于地球表面的GPS接收器的GPS衛(wèi)星信號(hào)來(lái)確定連接位置的技術(shù)。在GPS定位測(cè)量中，通常采用天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系。地球坐標(biāo)系隨地球旋轉(zhuǎn)，可視為固定在地球上的坐標(biāo)系，使地面觀測(cè)站的空間位置描述更加清晰;天球坐標(biāo)系是一個(gè)慣性坐標(biāo)系，與地球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，易于描述人造地球衛(wèi)星的空間位置;這兩個(gè)坐標(biāo)系可以相互轉(zhuǎn)換，從而準(zhǔn)確地確定控制點(diǎn)的具體位置。

1.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

從事測(cè)繪行業(yè)的相關(guān)人員都知道，GPS定位結(jié)果屬于協(xié)議地心坐標(biāo)系，即WGS-84，通常以空間矩形坐標(biāo)（x，y，z）或橢球大地測(cè)量坐標(biāo)（b，l，h）的形式給出。然而，我們所需要的結(jié)果一般是北京54坐標(biāo)系（BJZ 54）、西安80坐標(biāo)系（GDZ 80）或局部獨(dú)立坐標(biāo)系，因此GPS坐標(biāo)系和實(shí)際坐標(biāo)系應(yīng)該進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

（1）同一坐標(biāo)系內(nèi)空間直角坐標(biāo)與大地坐標(biāo)的換算，即[（B，L，H）→（X，Y，Z）]

（2）不同的空間直角坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)換算，常用七參數(shù)法，常用布爾莎-沃爾夫模型和莫洛金斯基模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在布爾莎-沃爾夫（Bursa-Wolf）模型中，采用了七個(gè)參數(shù)，即三個(gè)平移參數(shù)、三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)（3個(gè)歐拉角）和一個(gè)尺度差參數(shù)。模型的基本變換可分解為三個(gè)過(guò)程：平移變換、尺度變換和旋轉(zhuǎn)變換，如圖1。

①?gòu)腦A沿原點(diǎn)OA方向，以O(shè)A點(diǎn)為固定旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，將OA-XAYAZA繞XA軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度，使經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)后的YA軸與OB-XBYB平面平行;

②從YA沿原點(diǎn)OA方向，以O(shè)A點(diǎn)為固定旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，將OA-XAYAZA繞YA軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度，使經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)后的XA軸與OB-XBYB平面平行，此時(shí)ZA軸也與ZB平行;

③從ZA沿原點(diǎn)OA方向，以O(shè)A點(diǎn)為固定旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，將OA-XAYAZA繞ZA軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度，使經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)后的XA軸也與XB平行，此時(shí)OA-XAYAZA的三個(gè)坐標(biāo)軸已與OB-XBYBZB中相應(yīng)的坐標(biāo)軸平行;

④將OA-XAYAZA中的長(zhǎng)度單位縮放（1+m）倍，使其長(zhǎng)度單位與OB-XBYBZB的一致;

⑤將OA-XAYAZA的原點(diǎn)分別沿XA、YA和ZA軸移動(dòng)、和，使其與OB-XBYBZB的原點(diǎn)重合。

由圖1可知示，兩個(gè)坐標(biāo)系中任意點(diǎn)PI的坐標(biāo)之間存在以下關(guān)系，

考慮到兩坐標(biāo)軸定向的差別一般很小，因此歐拉角εX、εY、εZ通常都是微小量，所以

莫洛金斯基模型：這個(gè)模型認(rèn)為只有任何一點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的坐標(biāo)差受到標(biāo)度和旋轉(zhuǎn)的影響。在該模型中，還使用了七個(gè)參數(shù)。它們是三個(gè)平移參數(shù)、三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)（也稱為三個(gè)歐拉角）和一個(gè)標(biāo)度參數(shù)，然而，與Buersha模型不同，轉(zhuǎn)換過(guò)程可以描述為：將OA-XAYAZA原點(diǎn)P轉(zhuǎn)換為一個(gè)過(guò)渡坐標(biāo)系P≤X≤Y≤Z，將OP-X‘YZ依次圍繞X旋轉(zhuǎn)Y，Z，使坐標(biāo)軸與OB-XBYBZB中相應(yīng)的坐標(biāo)系平行，旋轉(zhuǎn)模式和順序與布爾沙-沃爾夫模型相似。將P≤X≤Y≤Z中的長(zhǎng)度單位放大1倍，使其長(zhǎng)度單位與OB-XBBZB的長(zhǎng)度單位一致。最后，OA-XAYAZA的起源分別沿X、Y和Z軸-TX、-Ty和-TZ移動(dòng)，與OB-XBYBZB的起源一致。其轉(zhuǎn)換模型如圖2所示。

兩種型號(hào)的轉(zhuǎn)換結(jié)果相同，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍有差異。Brinell模型在全局或大規(guī)?；鶞?zhǔn)轉(zhuǎn)換中應(yīng)用較多，但旋轉(zhuǎn)參數(shù)與平移參數(shù)有很高的相關(guān)性。在較小范圍內(nèi)，可使用3個(gè)參數(shù)（3個(gè)平移參數(shù)）、3個(gè)平移參數(shù)（3個(gè)平移參數(shù)）和1個(gè)刻度參數(shù)（4個(gè)參數(shù)），最好在上述四個(gè)參數(shù)外，再確定一個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)（5個(gè)參數(shù)）。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)使用莫洛金斯基型解決，因?yàn)樗男D(zhuǎn)中心可以手動(dòng)選擇。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)很小時(shí)，可以選擇網(wǎng)絡(luò)中的任意一點(diǎn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)大的時(shí)候，可以選擇網(wǎng)絡(luò)。

2 應(yīng)用特點(diǎn)

2.1 測(cè)量精度高

與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的精度難以達(dá)到現(xiàn)代工程測(cè)量精度的要求。因?yàn)閭鹘y(tǒng)測(cè)量技術(shù)受氣溫、氣壓、測(cè)距及各種測(cè)量誤差影響較大;而GPS測(cè)繪技術(shù)的靜態(tài)測(cè)量功能可以將測(cè)量結(jié)果精確到毫米，遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)。所以它具有其他傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)在準(zhǔn)確性方面的優(yōu)勢(shì)。

2.2 測(cè)量時(shí)間短、效率高

GPS測(cè)繪技術(shù)在靜態(tài)模式下，外業(yè)工作需要三臺(tái)固定基站就可以完成外業(yè)測(cè)量的數(shù)據(jù)采集，在動(dòng)態(tài)模式下，外業(yè)工作需要一臺(tái)固定基站和一臺(tái)流動(dòng)站就可以完成外業(yè)測(cè)量的坐標(biāo)定位及數(shù)據(jù)采集，提高了外業(yè)的工作效率;而內(nèi)業(yè)處理只需要一臺(tái)電腦和一套處理軟件系統(tǒng)就能完成數(shù)據(jù)處理和分析，提高了內(nèi)業(yè)的工作速度。傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)需要很長(zhǎng)的時(shí)間和消耗大量的人力、物力才能完成工作。GPS映射技術(shù)可以通過(guò)相關(guān)軟件自動(dòng)操作，有效地完成測(cè)量工作，例如，20km以內(nèi)實(shí)現(xiàn)極限測(cè)量，在靜態(tài)測(cè)量模式下，只需20分鐘左右;在動(dòng)態(tài)定位模式下，移動(dòng)臺(tái)可以在大約2分鐘內(nèi)快速完成數(shù)據(jù)采集，還可以根據(jù)測(cè)量要求隨時(shí)對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位和采集，而傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)不可能實(shí)現(xiàn)。

2.3 操做簡(jiǎn)單

GPS接收機(jī)自動(dòng)化程度更高，方便實(shí)際操作，工作人員只需要安裝好測(cè)量?jī)x器，連接好通電纜并通電，做好相關(guān)的數(shù)據(jù)記錄即可，其它觀測(cè)工作由GPS設(shè)備自動(dòng)完成，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作結(jié)束后，工作人員只要關(guān)閉電源收回設(shè)備;傳統(tǒng)的測(cè)繪儀器要經(jīng)過(guò)整平、對(duì)中、定向等一系列程序才能完成數(shù)據(jù)采集和坐標(biāo)定位工作，而且外界條件對(duì)其工作影響較大。

2.4 測(cè)站間無(wú)需通視

在GPS測(cè)量條件下，只須基站的上部開(kāi)闊且能夠與衛(wèi)星保持信號(hào)暢通就可以完成外業(yè)測(cè)量工作，而傳統(tǒng)的測(cè)量方法對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的通視要求很高，給測(cè)量工作帶來(lái)了極大的困難和障礙，也增加了工作人員的強(qiáng)度，所以GPS測(cè)量具有更好的優(yōu)越性。

2.5 全天候作業(yè)

GPS測(cè)量在不影響儀器使用功能的情況下可以全天候作業(yè)，而傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器受外界條件影響很大，不能連續(xù)工作，特別是晚上。

3 具體應(yīng)用

3.1 外業(yè)測(cè)繪

測(cè)量控制點(diǎn)的選擇關(guān)系到整個(gè)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在選擇測(cè)量點(diǎn)時(shí)，不僅要確定測(cè)量范圍，還要考慮測(cè)量控制點(diǎn)位置的信號(hào)是否良好和其它電磁波對(duì)它的干擾。在確定好測(cè)量控制點(diǎn)之后，只要GPS設(shè)備準(zhǔn)確地定位在測(cè)量控制點(diǎn)上，就可以獲得精確的測(cè)量結(jié)果，為了確保天線基座與標(biāo)記中心的相對(duì)位置準(zhǔn)確，需要在三個(gè)不同的方向上固定，以保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的順利進(jìn)行。

3.2 布網(wǎng)

在測(cè)量控制網(wǎng)布設(shè)過(guò)程中，使用GPS測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行規(guī)劃和施測(cè)區(qū)域布網(wǎng)是精度最好、效率最高的。GPS測(cè)繪技術(shù)布網(wǎng)時(shí)，是通過(guò)點(diǎn)連接或線連接繪制三角鎖同步圖，最終完成網(wǎng)絡(luò)分配工作，針對(duì)不同施測(cè)區(qū)域進(jìn)行布網(wǎng)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況而定。根據(jù)施工網(wǎng)或者信息網(wǎng)的方式不同來(lái)選擇布網(wǎng)的方式，這樣既可以有效增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)自身的強(qiáng)度，又可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集和儲(chǔ)存，進(jìn)而保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量

又稱RTK技術(shù)，是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給移動(dòng)站，移動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。具體測(cè)量方法是，在地面上確定的測(cè)量控制點(diǎn)上安裝一臺(tái)GPS接收基準(zhǔn)站，作為測(cè)量工作的準(zhǔn)確依據(jù)，然后安裝一臺(tái)移動(dòng)站，通過(guò)與GPS衛(wèi)星的連接實(shí)現(xiàn)測(cè)量信息的接收，并將測(cè)量信息傳輸?shù)揭苿?dòng)站和基準(zhǔn)站，并對(duì)這些信息進(jìn)行綜合處理，最后獲得移動(dòng)站的具體位置坐標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

4 發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，GPS測(cè)繪技術(shù)具有全面的陸、海、空定位能力。無(wú)論在工程測(cè)量的哪個(gè)領(lǐng)域，它都能提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集、分析和處理。GPS接收機(jī)小型化、低功耗的發(fā)展趨勢(shì)，為工程測(cè)量提供了有力的條件，GPS快速定位系統(tǒng)的不斷完善已成為工程測(cè)量普遍應(yīng)用的重要原因。因此，GPS測(cè)繪技術(shù)越來(lái)越受到工程測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)人員的重視，也越來(lái)越多的研究者對(duì)新的GPS測(cè)量技術(shù)和新方法進(jìn)行探索和研究。GPS測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)量領(lǐng)域中非常流行，究其原因有測(cè)量精確度高、定位準(zhǔn)確、測(cè)量時(shí)間短、測(cè)站間無(wú)需通視、操做簡(jiǎn)單、成本低、全天候作業(yè)等特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)必須通視的缺點(diǎn)。新時(shí)代社會(huì)的快速發(fā)展也為現(xiàn)代工程測(cè)量帶來(lái)了挑戰(zhàn)和機(jī)遇，使GPS測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)量領(lǐng)域中有著很大的發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢(shì)，也促進(jìn)了工程測(cè)量領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要針對(duì)GPS測(cè)繪技術(shù)的工作原理、坐標(biāo)系統(tǒng)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、定位特征、具體應(yīng)用以及發(fā)展現(xiàn)狀等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)明扼要的闡述。與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，GPS測(cè)繪技術(shù)在精度和應(yīng)用效率上都有很大的優(yōu)勢(shì)，所以GPS測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用是必然趨勢(shì)。

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