工程測量GPS動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用與數(shù)據(jù)處理研究

馬忠衛(wèi)

（江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京 210018）

1 引言

在工程建設(shè)和使用中，在一些自然災(zāi)害或者人為因素影響下，會發(fā)生地震、滑坡和潰壩等災(zāi)害，使工程發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。因此，在國內(nèi)外都對工程變形監(jiān)測給予了很大重視，特別是當(dāng)前大型建筑的增加，一些地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生愈加頻繁，都對工程測量動態(tài)監(jiān)測有了更高的要求，其重要性也更加突出，需要不斷發(fā)展其變形監(jiān)測理論、測量技術(shù)等，以提升數(shù)據(jù)處理水平，特別是GPS技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展對工程監(jiān)測來說有著積極意義。

2 GPS測量技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

與常規(guī)測量方法相比，GPS測量技術(shù)具有較多的優(yōu)勢：一是其測站之間不需要通視，因此其選點(diǎn)也更加靈活，但需保持測站上空足夠開闊，可以更好地接收GPS衛(wèi)星信號，避免受到其他因素的干擾；二是具有較高的定位精度，其測量精度近似于紅外儀，但在距離增長的過程中，GPS較之紅外儀更具應(yīng)用優(yōu)越性[1]；三是其觀測時間較短，在布設(shè)控制網(wǎng)的過程中，各個測站上觀測時間在30～40min，可利用快速靜態(tài)定位法，縮短了觀測的時間；四是可提供三維坐標(biāo)，在對觀測站平面位置進(jìn)行精確測定的過程中，可以對其大地高程實(shí)行高精度的測定；此外，GPS測量技術(shù)的自動化程度高，操作比較簡便，使用的接收機(jī)也更小，可以實(shí)現(xiàn)自動觀測，并利用專業(yè)軟件處理數(shù)據(jù)，從而獲得測點(diǎn)三維坐標(biāo)。并且利用GPS技術(shù)不受時空限制，可以全天候作業(yè)，也幾乎不會受到天氣影響。

3 工程測量概述

在工程測量作業(yè)中，主要是測繪小區(qū)域大比例尺地形圖，以及進(jìn)行施工測量和變形監(jiān)測等[2]。因此，其工作環(huán)境比較復(fù)雜多變，且實(shí)際測量中容易受到較多因素的干擾。在當(dāng)前科技進(jìn)步下，其測量對象向著宏觀、微觀方向發(fā)展，對精度也有了更高的要求，可采用電子化、數(shù)字化和自動化的儀器進(jìn)行測量作業(yè)。

一般在工程測量中，主要使用的測量儀器有數(shù)字水準(zhǔn)儀、全站儀和經(jīng)緯儀等，當(dāng)前經(jīng)緯儀逐漸淘汰，減少了單一功能測距儀的應(yīng)用。常規(guī)水準(zhǔn)儀成本低、精度可靠，因此仍有繼續(xù)使用的價值。在未來數(shù)字化發(fā)展下，全站儀難以適應(yīng)技術(shù)環(huán)境，而GPS技術(shù)具備定位和導(dǎo)航功能且其自動化程度、定位精度高，又可進(jìn)行全年候作業(yè)，在多個領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。同時，GPS技術(shù)廣泛應(yīng)用于測繪行業(yè)，數(shù)字城市構(gòu)建和差分基站的支持下，城市具有區(qū)域查分網(wǎng)，因此，使用GPS接收機(jī)可以高效完成碎部測量、放樣，利于該技術(shù)的拓展應(yīng)用。

但也要認(rèn)識到，在GPS技術(shù)應(yīng)用中，其局限性也會影響到實(shí)際成效，需要正確對待該技術(shù)，才能更好地利用其優(yōu)勢。比如，在隧道和礦山等地下工程測量中，GPS技術(shù)就存在不足，工程測量外業(yè)作業(yè)主要是碎部測量、施工放樣。因此，要提高外業(yè)測量工程效率，就要實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，減少使用儀器設(shè)備和依賴的基礎(chǔ)控制。

4 工程測量中GPS技術(shù)的具體應(yīng)用

4.1 RTK技術(shù)應(yīng)用

RTK定位技術(shù)是GPS測量技術(shù)發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，是實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)，在公路工程中有著良好應(yīng)用優(yōu)勢[3]。在數(shù)據(jù)處理方面，靜態(tài)定位和準(zhǔn)動態(tài)定位模式都存在一定滯后性，難以將定位結(jié)構(gòu)實(shí)時解算處理，在檢核觀測數(shù)據(jù)方面的效率也很低，因此，其觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量往往得不到保證，需要返工重新觀測，加大了作業(yè)成本、降低了工作效率。

而延長觀測時間，可以更好地解決這一問題，使測量數(shù)據(jù)的可靠性得以保證，但也降低了實(shí)際測量工作效率。RTK系統(tǒng)組成主要是基準(zhǔn)站、流動站，要保證實(shí)時動態(tài)測量，就要建立無線數(shù)據(jù)通信，將具備高精度取點(diǎn)位的首級控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，并設(shè)置接收機(jī)為參考站，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測。接收機(jī)在接收到衛(wèi)星信號時，通過無線電傳輸設(shè)備接收觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)相對定位原理，由計算機(jī)對流動站三維坐標(biāo)、測量精度實(shí)時計算，用戶可以實(shí)時掌握待測點(diǎn)數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量、基線解算結(jié)果，結(jié)合精度指標(biāo)來確定具體實(shí)踐，以使冗余的觀測減少，從而提高其工作效率。

在實(shí)際應(yīng)用中，RTK主要有2種測量模式，即快速靜態(tài)定位、動態(tài)定位，具體可以將這2種模式結(jié)合起來，在公路工程測量中，可以將公路勘測、施工放樣和監(jiān)理等覆蓋。

4.2 靜態(tài)GPS技術(shù)測量應(yīng)用

靜態(tài)相對定位是要設(shè)置2臺及以上接收機(jī)來接收衛(wèi)星信號，并對數(shù)據(jù)實(shí)行有效處理，精確計算出控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)。根據(jù)其中某個點(diǎn)坐標(biāo)，對另一點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精確計算。這種技術(shù)精度較高，頻繁應(yīng)用在我國野外測量中，比如，大型工程的野外涵洞隧道定位等。GPS靜態(tài)定位在使用中，受天氣狀況的影響較小，使用起來比較方便。并且其監(jiān)測精度較高，有效縮短了測量實(shí)際、提高了效率。

除了公路工程測量外，大型橋梁、隧道工程中，應(yīng)用GPS技術(shù)可以十分方便地進(jìn)行無檢核支點(diǎn)量測，形成的畫面圖像也具備較高清晰度。其中，還可使用GPS來檢測邊角網(wǎng)，利用其毫米級精度優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)精確測量。

5 動態(tài)GPS測量應(yīng)用

這種技術(shù)利用了GPS信號，對運(yùn)動目標(biāo)相對于參考系的位置、速度和時間等參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時觀測。具體將GPS接收機(jī)設(shè)置在運(yùn)動載體，可以實(shí)時測得其位置，因此，動態(tài)GPS相對相位是固定一臺接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，而其他接收機(jī)是處于運(yùn)動狀態(tài)的，將其作為流動站[4]。通過比較兩站信號，以及進(jìn)行相關(guān)計算，可以獲得流動站在各個時刻位移情況、位置坐標(biāo)等。其差分?jǐn)?shù)據(jù)處理有即時處理和滯后處理2種方式，前者是將基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)傳到流動站對比加工，重要的部分就是數(shù)據(jù)鏈的形成，以使數(shù)據(jù)得以實(shí)時傳輸；后者則將數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅鲃诱竞?，在后期對其進(jìn)行處理。

6 工程測量GPS動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

6.1 數(shù)據(jù)處理模式一

這種模式在數(shù)據(jù)處理方面，就是將GPS基線向量轉(zhuǎn)化到指定平面，使其成為二維基線向量，在此平面上聯(lián)合平差。在此平面上需進(jìn)行合理變換，以實(shí)現(xiàn)具體數(shù)據(jù)處理。在具體處理過程中，要先根據(jù)基線向量的具體觀測值，對各點(diǎn)實(shí)際三維空間直角坐標(biāo)計算，獲得其近似值。然后根據(jù)GPS具體基線向量位置信息，將其中一個端點(diǎn)固定，并根據(jù)該基線向量觀測值，對另一個端點(diǎn)進(jìn)行計算。之后，通過空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)間轉(zhuǎn)換公式，轉(zhuǎn)換這兩個端點(diǎn)，然后利用高斯投影正算公式計算各相應(yīng)點(diǎn)平面坐標(biāo)，以計算其平面上基線向量，可求得相應(yīng)方差-協(xié)方差陣變換過程。經(jīng)過轉(zhuǎn)換，將之前觀測值、方差-協(xié)方差陣轉(zhuǎn)換到工程坐標(biāo)體系中，進(jìn)而獲得誤差方程，要考慮到已知點(diǎn)數(shù)據(jù)誤差，將其作為虛擬測值來得到誤差方程，然后求取按照最小二乘法得到的方程，以獲得各點(diǎn)坐標(biāo)、控制網(wǎng)質(zhì)量指標(biāo)。

6.2 數(shù)據(jù)處理模式二

該模式是將純粹的GPS數(shù)據(jù)實(shí)行三維無約束化平差，將其三維坐標(biāo)、方差-協(xié)方差陣整體轉(zhuǎn)換到指定平面，以得到一個平面上二維坐標(biāo)及其方差-協(xié)方差陣，將求取的實(shí)際坐標(biāo)作為聯(lián)合平差，根據(jù)最小二乘法原理對GPS虛擬觀測值和地面其他觀測值進(jìn)行平差處理[5]。

7 結(jié)語

在工程測量中，應(yīng)用GPS技術(shù)實(shí)行動態(tài)監(jiān)測，有利于及時掌握工程情況，可以獲得較高的工程監(jiān)測精度，更好地應(yīng)對工程變形問題。在未來發(fā)展中，對該技術(shù)應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理方面，還要進(jìn)一步改進(jìn)完善，使其作用得以充分發(fā)揮。