工程測(cè)量中GPS控制測(cè)量平面與高程精度研究

畢杰朋

（中鐵二十一局集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100073）

目前，GPS已經(jīng)成為測(cè)繪行業(yè)內(nèi)一項(xiàng)全新的技術(shù)，且開(kāi)始頻繁應(yīng)用于各類(lèi)工程測(cè)量項(xiàng)目中。但由于工程測(cè)量難度較高，目前的GPS技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足其平面與高程方面的精度要求[1]，因此有必要對(duì)提升GPS平面與高程測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)的有效舉措展開(kāi)探討。

1 平面控制測(cè)量與高程控制測(cè)量

1.1 布網(wǎng)與選點(diǎn)

筆者以參建的阿爾及利亞麥迪亞53km高速公路項(xiàng)目為例，將項(xiàng)目線路周邊的GPS C級(jí)點(diǎn)當(dāng)成是起始點(diǎn)，且整條線路中每5km的位置均設(shè)置一對(duì)四等GPS點(diǎn)，這樣設(shè)計(jì)的目的是為了加強(qiáng)下級(jí)控制點(diǎn)的加密效果。尋找點(diǎn)位需嚴(yán)格按照以下四點(diǎn)要求：（1）點(diǎn)位必須位于顯而易見(jiàn)、不易受威脅的位置，只有這樣的點(diǎn)位才能真正用于公路測(cè)量中；（2）點(diǎn)位周邊遮擋物高度角均需≥15°，同時(shí)點(diǎn)位需要與所有大功率無(wú)線電發(fā)射源、高壓輸電線分別保持＞0.4km、0.2km的距離；（3）所有點(diǎn)位之間的距離都應(yīng)＞0.5km，且必須能夠相互通視，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)聯(lián)測(cè)與加密；（4）所有四等GPS點(diǎn)應(yīng)使用以此GP01～GP0n進(jìn)行標(biāo)注，需使用油漆等物品對(duì)標(biāo)石進(jìn)行再次標(biāo)記，以便操作人員查找。

1.2 平面控制測(cè)量

主線首級(jí)平面控制網(wǎng)整體的施測(cè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是四等，而加密平面控制點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)卻為一級(jí)，因此如若該控制網(wǎng)選用GPS靜態(tài)法展開(kāi)觀測(cè)，其觀測(cè)周期均值應(yīng)超過(guò)1h，其最小值也應(yīng)為45min左右，且每隔15s需獲取一次數(shù)據(jù)。在進(jìn)行聯(lián)測(cè)的時(shí)候，基線長(zhǎng)度過(guò)大會(huì)造成觀測(cè)周期的延長(zhǎng)?；€解算全部結(jié)束后需對(duì)復(fù)測(cè)基線、同步環(huán)以及異步環(huán)展開(kāi)復(fù)核，其中四等平面控制網(wǎng)所包含的重復(fù)基線、同步環(huán)以及異步環(huán)個(gè)數(shù)應(yīng)分別為7、95、47個(gè)；而若等級(jí)為一級(jí)則需分別包含25、362以及177個(gè)。此外，一級(jí)平面控制網(wǎng)需要立足于三維無(wú)約束平差前提下進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)將GP01、GP02之類(lèi)的四等點(diǎn)當(dāng)成是起始點(diǎn)展開(kāi)平差，計(jì)算結(jié)束后得到的最弱邊相對(duì)誤差值是1/92135、最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差值是±0.66cm，對(duì)照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)其各項(xiàng)精度均在誤差允許的范圍之內(nèi)。

1.3 高程控制測(cè)量

高程控制測(cè)量主要選用的是四等光電測(cè)高程導(dǎo)線完成測(cè)量工作，必要時(shí)搭配使用三聯(lián)腳架法作為輔助，高程測(cè)試需取值兩次，最終結(jié)果為兩次取值的中位數(shù)。若是導(dǎo)數(shù)點(diǎn)之間無(wú)法通視，則可添加過(guò)渡站保障觀測(cè)工作的順利進(jìn)行[2]。據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其邊長(zhǎng)需控制在30～1000m，且控制網(wǎng)平差、閉合差等參數(shù)精準(zhǔn)狀況必須達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定才算合格。

2 GPS控制測(cè)量平面與高程精度存在的問(wèn)題

2.1 GPS精度不符合要求

測(cè)量過(guò)程中GPS設(shè)備自身的精度水平會(huì)在很大程度上左右平面、高程的測(cè)量精度[3]。通常來(lái)看，要想使高程測(cè)量精度得以提升，要求使用的GPS設(shè)備同樣具備更優(yōu)的精度標(biāo)準(zhǔn)，然而由于GPS衛(wèi)星在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中極易出現(xiàn)精度降低的問(wèn)題，因此測(cè)量者在進(jìn)行測(cè)量時(shí)需要通過(guò)計(jì)算或精準(zhǔn)預(yù)估來(lái)保證GPS設(shè)備的測(cè)量精度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。然而目前在使用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，頻繁出現(xiàn)因測(cè)量人員選用的設(shè)備精度性能差而出現(xiàn)信息誤差甚至圖像失真的問(wèn)題，極大地影響了高程測(cè)量精度，進(jìn)而促使平面選擇出現(xiàn)嚴(yán)重失誤。

2.2 對(duì)測(cè)量平面的選擇缺乏明確標(biāo)準(zhǔn)

要想將該項(xiàng)技術(shù)使用到工程測(cè)量中，首先要求測(cè)量平面與控制點(diǎn)均選擇精準(zhǔn)，而其位置是否精準(zhǔn)需經(jīng)由科學(xué)計(jì)算來(lái)判斷。某工程平面測(cè)量圖例如圖1所示。

圖1 測(cè)量平面示意圖

要想選取到合適的測(cè)量平面，首先應(yīng)保證公共幾何點(diǎn)水準(zhǔn)測(cè)量精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)高程異常數(shù)值與大地高差值的關(guān)聯(lián)展開(kāi)數(shù)學(xué)擬合，找出最優(yōu)選擇，將其作為確定平面的依據(jù)。然而當(dāng)真正在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，施工人員往往會(huì)因操作不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)仍虺霈F(xiàn)精度偏差，致使高程起算點(diǎn)精度超出專(zhuān)業(yè)誤差允許范圍，從而影響整體測(cè)量結(jié)果。

3 提高GPS對(duì)測(cè)量平面與高程精度的措施

3.1 使用精度較高的測(cè)量設(shè)備

GPS設(shè)備精度會(huì)在很大程度上左右整個(gè)工程測(cè)量的效果，若所使用的GPS設(shè)備自身精度不足，在衛(wèi)星傳輸過(guò)程中極易發(fā)生明顯偏差，導(dǎo)致高程精度出現(xiàn)偏離，并且GPS精度不足也會(huì)使設(shè)備自身的信息處理效率降低，導(dǎo)致傳輸?shù)男畔⒖赡艽嬖阱e(cuò)誤?？梢?jiàn)，工程測(cè)量時(shí)只有使用高精度儀器才能確保高程精度在誤差允許范圍內(nèi)。選擇高精度GPS儀器的優(yōu)勢(shì)如下：（1）能夠在更短的時(shí)間內(nèi)識(shí)別、處理衛(wèi)星傳送的信息數(shù)據(jù)，若存在衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)失真的情況，儀器也會(huì)自行調(diào)整；（2）若是測(cè)量工作在環(huán)境惡劣、地質(zhì)復(fù)雜的條件下進(jìn)行，高精度的GPS設(shè)備就可以在很大程度上克服因?qū)α鲗踊蚝０芜^(guò)高帶來(lái)的干擾，保障其自身工作不受干擾、所獲取到的信息準(zhǔn)確無(wú)誤；（3）使用高精度GPS儀器能夠顯著提升工作效率，必要時(shí)還可實(shí)現(xiàn)加密傳輸，使測(cè)量者獲取到真實(shí)的地質(zhì)示意圖，還可將海拔、區(qū)域輪廓線等參數(shù)信息直接變成圖像進(jìn)行顯示，使觀察者能夠更加直觀、清晰地了解區(qū)域狀況；（4）高精度的GPS儀器能夠有效縮小外界環(huán)境帶來(lái)的影響，保證信息準(zhǔn)確無(wú)誤，保證平面、高程測(cè)量精度在設(shè)計(jì)允許的誤差范圍內(nèi)。

3.2 提高測(cè)量平面的選擇標(biāo)準(zhǔn)

測(cè)量者應(yīng)注意選取適宜的公共幾何點(diǎn)，以對(duì)平面高程、平面高程異常值展開(kāi)詳細(xì)的估算。其中，計(jì)算高程數(shù)值過(guò)程中，測(cè)量者可以借助高程擬合先展開(kāi)測(cè)量，待得到結(jié)果后只需去除正常高即可獲得所需數(shù)值，該環(huán)節(jié)可反復(fù)使用二次曲面擬合法進(jìn)行，從而將誤差不斷減小至可控范圍。但若是測(cè)量工程所處地質(zhì)環(huán)境不同，則選擇標(biāo)準(zhǔn)同樣需要發(fā)生更改。假設(shè)測(cè)量工程處于地勢(shì)起伏明顯的山區(qū)，則應(yīng)綜合衡量測(cè)量工作是否會(huì)受到周邊磁場(chǎng)、大氣對(duì)流層活動(dòng)等因素的影響。此外，由于地下介質(zhì)密度與土質(zhì)條件同樣會(huì)干擾GPS衛(wèi)星傳輸工作的精準(zhǔn)度。因此，當(dāng)測(cè)量人員在這些地區(qū)開(kāi)展測(cè)量工作時(shí)，首先必須保證測(cè)量平面位于一個(gè)相對(duì)平坦的區(qū)域，嚴(yán)格把控與基站的間隔，將測(cè)量區(qū)域真實(shí)長(zhǎng)寬作為依據(jù)來(lái)安放數(shù)量合適的基站，以保障所有基站均能接收到衛(wèi)星傳送的信息。而若是測(cè)量環(huán)境磁場(chǎng)較強(qiáng)，則禁止在該區(qū)域安放基站。此外，當(dāng)進(jìn)行平面測(cè)量時(shí)，各個(gè)基站的高程測(cè)量工作一同進(jìn)行，只有這樣才能保證測(cè)量結(jié)果的真實(shí)可靠。若是測(cè)量者在測(cè)量時(shí)選擇的標(biāo)準(zhǔn)合適，就能夠很大程度上減小測(cè)量誤差，提升測(cè)量的有效性。

3.3 采用GPS RTK技術(shù)

測(cè)量工程單獨(dú)使用GPS測(cè)量技術(shù)往往極易出現(xiàn)精度偏離、信息失真、傳輸延遲等故障，但若是將GPS替換為GPS RTK技術(shù)，只需使用軟件處理、作業(yè)工作等方式即可有效避開(kāi)使用GPS技術(shù)時(shí)出現(xiàn)的各種問(wèn)題，有效提升測(cè)量結(jié)果的精度與準(zhǔn)確性。值得注意的是，若要使用該技術(shù)進(jìn)行測(cè)量則需提前找準(zhǔn)RTK作用距離與基準(zhǔn)站架設(shè)高度之間的聯(lián)系，如表1所示。

表1 RTK作用距離和基準(zhǔn)站架設(shè)高度之前的關(guān)系

選擇正確的流動(dòng)站、基準(zhǔn)站位置能夠使站臺(tái)更高效地獲取來(lái)自GPS衛(wèi)星傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)，而為了確保RTK無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈發(fā)射順利，則應(yīng)將發(fā)射位置選取在平坦開(kāi)闊的區(qū)域，確保發(fā)射路徑最小，同時(shí)還應(yīng)注意發(fā)射區(qū)域不得靠近電視、微波站等區(qū)域。開(kāi)始測(cè)量工作之前，需提前檢測(cè)衛(wèi)星數(shù)目和位置，整個(gè)測(cè)量工作需確保持續(xù)供電。此外，為提升精度標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)增加基準(zhǔn)站數(shù)目。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，雖然在使用GPS儀器進(jìn)行測(cè)量工程的平面、高程定位時(shí)極易出現(xiàn)偏差，且往往這些偏差極易被操作人員所忽視，但隨著技術(shù)的發(fā)展及以GPS設(shè)備性能的不斷優(yōu)化，測(cè)量人員也開(kāi)始意識(shí)到誤差的危害，并嚴(yán)格規(guī)范所有操作，從而使測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)度有所提升。