GPS技術(shù)在工程測(cè)量中的運(yùn)用探析

劉軍

（貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司，貴州貴陽(yáng) 550008）

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的加快，建設(shè)項(xiàng)目的數(shù)量也在不斷增加。GPS測(cè)量技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的技術(shù)，對(duì)測(cè)繪工作的進(jìn)步和發(fā)展具有重要意義。GPS是一種基于衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星無(wú)線電定位系統(tǒng)，它有很多優(yōu)點(diǎn)，GPS測(cè)量技術(shù)不僅可以保證導(dǎo)航和全天候、全世界范圍內(nèi)的連續(xù)精確的定位，而且可以保證良好的保密性和較強(qiáng)的抗干擾能力，因此GPS測(cè)量技術(shù)在工程測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用，為工程的質(zhì)量提供保障。

1 GPS測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)

GPS測(cè)量技術(shù)是一種全球定位系統(tǒng)。定位的基本原理是空間距離與固定點(diǎn)相交的原則，當(dāng)接收機(jī)利用無(wú)線電頻譜原理在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)測(cè)量接收機(jī)到三個(gè)發(fā)射站的距離時(shí)，只能以三個(gè)發(fā)射站為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，以測(cè)量的距離為基礎(chǔ)，用戶(hù)接收器的空間位置可以使用距離原理計(jì)算[1]。

GPS技術(shù)測(cè)量與制圖的基本特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：測(cè)繪點(diǎn)間不用進(jìn)行通視，這個(gè)特征解決了建筑物的大地測(cè)量和制圖中的一個(gè)大問(wèn)題，因?yàn)檫@意味著測(cè)量點(diǎn)的選擇和制圖可以更靈活。但需要指出的是，測(cè)圖點(diǎn)上空是開(kāi)闊的，更有利于接收GPS衛(wèi)星信號(hào)和采集測(cè)繪數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)GPS定位方法相比，定位精度有明顯提高。具體如下：5km內(nèi)定位精度約為10~6；當(dāng)定位范圍擴(kuò)大到100~500km時(shí)，定位精度約為10~7；當(dāng)定位距離為1000km時(shí)，定位精度為10~9。如果用于300~1500m的工程定位，每小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤差僅在1mm以?xún)?nèi)，與me-5000型測(cè)波儀測(cè)量的數(shù)據(jù)相比，誤差明顯。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，GPS技術(shù)功能日益強(qiáng)大。在20km范圍內(nèi)精確定位靜止目標(biāo)只需15min，當(dāng)參考站與每個(gè)移動(dòng)站的距離在1.5km以?xún)?nèi)時(shí)，就可以對(duì)相對(duì)位置進(jìn)行快速靜態(tài)測(cè)量。移動(dòng)站的觀測(cè)可以在不到2min的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確定位目標(biāo)，之后可以隨時(shí)定位目標(biāo)，每個(gè)站的觀測(cè)差在幾秒之內(nèi)，一方面，測(cè)量和測(cè)繪通常是自動(dòng)進(jìn)行的，工作人員可以進(jìn)行測(cè)地和測(cè)圖任務(wù)，前提是按照簡(jiǎn)單的作業(yè)要求進(jìn)行研究和測(cè)繪；另一方面，GPS主要提供三維坐標(biāo)，以準(zhǔn)確識(shí)別有關(guān)觀測(cè)點(diǎn)。

2 GPS的原理和優(yōu)勢(shì)

2.1 GPS的原理

GPS技術(shù)主要通過(guò)衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，根據(jù)衛(wèi)星在軌道上的不同定位進(jìn)行分布。GPS是一種可以定時(shí)與測(cè)距的定點(diǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)，能為用戶(hù)提供高精度、高實(shí)時(shí)性及連續(xù)性的三維位置同時(shí)還可測(cè)定三維速度和時(shí)間信息。GPS系統(tǒng)主要由空間段、控制段、用戶(hù)段3個(gè)部分組成，其運(yùn)行原理主要是衛(wèi)星發(fā)射出測(cè)距信號(hào)及導(dǎo)航電文，用戶(hù)利用設(shè)置的GPS信號(hào)接收機(jī)同時(shí)接收3個(gè)以上GPS衛(wèi)星信號(hào)，準(zhǔn)確定位測(cè)站點(diǎn)與3個(gè)以上衛(wèi)星間的距離，并計(jì)算此時(shí)衛(wèi)星的空間位置坐標(biāo)，再利用距離交會(huì)法解析計(jì)算測(cè)站點(diǎn)的位置坐標(biāo)，進(jìn)而完成測(cè)量工作。

2.2 GPS的優(yōu)勢(shì)

首先，精度較高。GPS可以通過(guò)偽距法、載波相位測(cè)量和差分GPS定位等，處理系統(tǒng)內(nèi)差分觀測(cè)值，利用4個(gè)以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤及相關(guān)的幾何圖形就可以進(jìn)行厘米級(jí)的定位，并且點(diǎn)與點(diǎn)之間相互獨(dú)立，沒(méi)有誤差。所以這種測(cè)量技術(shù)適用于布設(shè)施工控制網(wǎng)及線路控制點(diǎn)的測(cè)量比較快的工程。

其次，操作便捷。傳統(tǒng)的工程測(cè)量主要利用三角網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)等方法，這些方法要求點(diǎn)間通視且精度不足。GPS測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)τ^測(cè)站平面位置和觀測(cè)站的大地高程進(jìn)行精確定位。另外，GPS技術(shù)中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法自動(dòng)化能力較強(qiáng)，只需對(duì)GPS信號(hào)接收機(jī)精確定位并將數(shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)行連接，便可進(jìn)行測(cè)量工作，操作簡(jiǎn)便快捷。在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)合一對(duì)觀測(cè)的點(diǎn)進(jìn)行靈活的選擇，并對(duì)觀測(cè)的間距進(jìn)行控制，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的精確度，減少測(cè)量作業(yè)人員和工作量，節(jié)約投入成本。

最后，連續(xù)性好。GPS測(cè)量技術(shù)受自然環(huán)境因素影響較小，在測(cè)量條件滿(mǎn)足要求的前提下可進(jìn)行連續(xù)性觀測(cè)，不受時(shí)間限制。GPS測(cè)量技術(shù)能夠在地形復(fù)雜、地物障礙較多地區(qū)進(jìn)行快速、高精度的定位作業(yè)，減少測(cè)量工作量，極大地縮短建筑工程測(cè)量時(shí)間。

3 GPS技術(shù)的應(yīng)用方法

3.1 GPS靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位

靜態(tài)相關(guān)技術(shù)主要由兩個(gè)以上的接收機(jī)組成，用于衛(wèi)星信號(hào)的接收和處理，精確計(jì)算控制點(diǎn)的坐標(biāo)，以及計(jì)算其他測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于某一給定點(diǎn)的位置點(diǎn)。這個(gè)該技術(shù)廣泛應(yīng)用于測(cè)量范圍及其測(cè)量精度，而且準(zhǔn)確度很高。GIS技術(shù)是一種新興的科學(xué)，匯集了環(huán)境科學(xué)、制圖和遙感、空間科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科，不僅能夠收集、儲(chǔ)存和管理地理數(shù)據(jù)。此外，還可以根據(jù)測(cè)量需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的信息進(jìn)行處理，從而提高效率。圖表工程測(cè)量和加速設(shè)計(jì)進(jìn)度。在地形、地面位置，大隧道、高速公路測(cè)量中，由于距離遠(yuǎn)、數(shù)量少，需要在現(xiàn)場(chǎng)確定一些控制點(diǎn)。采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法，工程研究難度大，不能準(zhǔn)確工程測(cè)繪的要求。采用GPS測(cè)量技術(shù)后，可以避免這些問(wèn)題，并充分利用高精度控制網(wǎng)的性能，數(shù)萬(wàn)公里的測(cè)量誤差小于2em，另外GPS測(cè)量技術(shù)也可用于橋梁和隧道技術(shù)，以獲得高分辨率的成像信息[2]。

對(duì)于全球定位系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)根據(jù)加速度、位置、反射物體的時(shí)間等參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量移動(dòng)物體的信息。相對(duì)于靜態(tài)全球定位系統(tǒng)的相對(duì)定位，它使用固定接收機(jī)作為參考，而其他接收機(jī)正在移動(dòng)并且是站動(dòng)機(jī)計(jì)算兩個(gè)站之間的信號(hào)距離，以確定每個(gè)流站的位移和坐標(biāo)。動(dòng)態(tài)全球定位系統(tǒng)測(cè)量產(chǎn)生的差分?jǐn)?shù)據(jù)目前正在處理中，通常是實(shí)時(shí)的和與實(shí)相關(guān)的。處理數(shù)據(jù)在采集測(cè)量信息之后，測(cè)量數(shù)據(jù)由參考站實(shí)時(shí)的傳輸，并且在處理后形成數(shù)據(jù)鏈。比較滯后數(shù)據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)而言在獲得后沒(méi)有及時(shí)傳輸，而位置處理數(shù)據(jù)往往也是如此。西方發(fā)達(dá)國(guó)家，動(dòng)態(tài)全球定位系統(tǒng)的定位技術(shù)目前得到更多的利用，效果也更好。而我國(guó)這些領(lǐng)域的技術(shù)尚未得到充分發(fā)展，需要不斷改進(jìn)和發(fā)展。

3.2 攝影和數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

所謂的攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)際上是通過(guò)攝影獲取關(guān)于物體信息的一種技術(shù)，隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，目前的攝影測(cè)量技術(shù)已成為數(shù)子化攝影制圖的一個(gè)階段，這主要包括利用圖像處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行圖像制圖，并將大量外部測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。這種技術(shù)不僅非常精確，而且非常迅速，在某些人口稠密地區(qū)，使用這種技術(shù)可以有效繪制大面積地圖，為城市建設(shè)和城市規(guī)劃等提供良好指導(dǎo)[4]。攝影測(cè)量技術(shù)在地形工程中的應(yīng)用大大提高工程測(cè)量的精確度及加快其速度，同時(shí)也提高測(cè)量的質(zhì)量及加快其速度，節(jié)省了大量的人力和財(cái)政資源以及建筑費(fèi)用。

數(shù)字化制圖技術(shù)的應(yīng)用，我國(guó)數(shù)字制圖技術(shù)的應(yīng)用得到發(fā)展。傳統(tǒng)繪制地形圖和工程圖需要大量的人力和物力資源，而且施工環(huán)境很困難，由于地圖的長(zhǎng)度和形態(tài)的變化，很難適應(yīng)不斷變化的城市建筑和現(xiàn)代工程的需要。數(shù)字制圖技術(shù)的應(yīng)用，有效地將數(shù)據(jù)收集與數(shù)字制圖結(jié)合起來(lái)，它們形成一個(gè)包括從外部到內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理和制圖的自動(dòng)化制圖系統(tǒng)，它不僅使制圖自動(dòng)化，減少制圖的困難，它還建立專(zhuān)門(mén)數(shù)據(jù)庫(kù)和基本地理信息系統(tǒng)。

3.3 RTK技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位技術(shù)以GPS測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而成的，在工程測(cè)繪、地理測(cè)繪、房地產(chǎn)工程測(cè)繪中應(yīng)用較多，也發(fā)揮著重要作用。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)主要構(gòu)成部分包括基準(zhǔn)站、流動(dòng)站等，通過(guò)打造無(wú)線數(shù)據(jù)通信能夠完成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，測(cè)量模式包括快速靜態(tài)定位、動(dòng)態(tài)定位等。進(jìn)行工程測(cè)量時(shí)，需要有機(jī)結(jié)合這兩種定位模式，并做好工程勘測(cè)樣、監(jiān)理等前端數(shù)據(jù)采集工作。在地理與房地產(chǎn)測(cè)繪中應(yīng)用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)時(shí)，在實(shí)時(shí)測(cè)量建設(shè)用地以后，對(duì)位置進(jìn)行測(cè)定，從而將土地使用范圍確定下來(lái)，并計(jì)算用地面積。在采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)以后，能夠解決常規(guī)解析法的復(fù)雜性，讓建設(shè)用地勘測(cè)程序得到簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)速度與精度的提升，為測(cè)繪的質(zhì)量與效率提供可靠的保障[3]。

就傳統(tǒng)的地形測(cè)量而言，測(cè)量主要是通過(guò)人工操作進(jìn)行的，這就無(wú)法更好地控制數(shù)據(jù)的問(wèn)題。全球定位系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新，可將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于工程制圖，利用全球定位系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)平臺(tái)作為平臺(tái)，創(chuàng)建具有現(xiàn)實(shí)性、互動(dòng)性等特點(diǎn)的虛擬工程繪圖環(huán)境，全面描述繪圖的實(shí)際環(huán)境。在應(yīng)用虛擬技術(shù)的過(guò)程中，可以在計(jì)算機(jī)中通過(guò)三維圖像將工程測(cè)繪流程表現(xiàn)出來(lái)，對(duì)工程的效率和質(zhì)量加以保障。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，GPS技術(shù)操作簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確度高、可靠性強(qiáng)。將全球定位系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于工程中的測(cè)量，可確保工程建設(shè)的精確度和安全性得到提高。GPS在工程測(cè)量的應(yīng)用中可以極大的減少誤差。工程測(cè)量可以根據(jù)實(shí)際情況合理選擇測(cè)量方法以及通過(guò)積極利用其他國(guó)家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)改進(jìn)全球定位系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用以及最先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)的使用，有助于不斷提高國(guó)家的建筑質(zhì)量。