全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）在工程測(cè)量中的實(shí)踐運(yùn)用探索

段廷魁

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730050）

引言

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）憑借其自身高精度、操作便捷、設(shè)備便攜、全天候工作等優(yōu)勢(shì)，近年來在工程測(cè)量中獲得了廣泛的運(yùn)用，并且取得了良好的工作成果。對(duì)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在工程測(cè)量中的實(shí)踐運(yùn)用進(jìn)行探索，可以更好地了解系統(tǒng)運(yùn)行原理，明確其在工程測(cè)量中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而提高系統(tǒng)應(yīng)用水平，進(jìn)一步改善工程測(cè)量技術(shù)環(huán)境，提高工程測(cè)量效率與質(zhì)量，為工程建設(shè)奠定良好的地形數(shù)據(jù)參數(shù)基礎(chǔ)。

1 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）介紹

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）是一種可以在地球表面和近地空間中的任何地點(diǎn)為使用者提供24 小時(shí)不間斷的三維坐標(biāo)、速度、時(shí)間信息的空基無線電定位系統(tǒng)，常見應(yīng)用包括導(dǎo)航、定位、測(cè)量、救援、軍事、監(jiān)視和管理等[1]。目前，全球領(lǐng)域擁有四大全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，分別是美國的GPS系統(tǒng)、中國的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)（BDS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)（GALILEO），其中GPS 系統(tǒng)是國際上第一個(gè)建立的定位系統(tǒng)，技術(shù)應(yīng)用十分成熟。中國的BDS 系統(tǒng)雖然研發(fā)和應(yīng)用起步較晚，但是發(fā)展十分迅速，目前已經(jīng)具備了亞太區(qū)的定位、授時(shí)服務(wù)功能，并且逐漸朝著全球化的方向快速發(fā)展著。

2 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）在工程測(cè)量中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域以后，一時(shí)之間掀起了運(yùn)用浪潮，其根本組成包括空間衛(wèi)星群和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩大模塊，實(shí)際使用者還需要配備專門的衛(wèi)星信號(hào)接收裝置，以此實(shí)現(xiàn)全球衛(wèi)星定位的功能。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量領(lǐng)域中，并且具有很多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)工程測(cè)量事業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)[2]。

2.1 導(dǎo)航定位準(zhǔn)確，測(cè)量精度高

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的運(yùn)行是依托于空間衛(wèi)星群、衛(wèi)星信號(hào)接收裝置進(jìn)行工作的，將其應(yīng)用在工程測(cè)量中，可以對(duì)測(cè)量對(duì)象的空間位置、尺寸等主要參數(shù)進(jìn)行快速確定，工程兩側(cè)人員只需對(duì)收集到的各種測(cè)量參數(shù)進(jìn)行分析、校準(zhǔn)即可，與傳統(tǒng)的人工測(cè)量相比，定位更加準(zhǔn)確，并且操作簡單。另外，使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行工程測(cè)量的時(shí)候，具有很好的適用性，可以對(duì)各種地勢(shì)險(xiǎn)要或者測(cè)量條件很差的地方進(jìn)行工程測(cè)量，無需測(cè)量人員到達(dá)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，工程測(cè)量難度有所降低，測(cè)量成本也比較低[3]。另外，目前全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的運(yùn)用已經(jīng)十分成熟，在工程測(cè)量中的運(yùn)用可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，對(duì)于動(dòng)態(tài)定位可以達(dá)到厘米級(jí)，靜態(tài)定位已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)，避免了人工測(cè)量帶來的誤差，在大區(qū)域精密工程中的運(yùn)用具有很高的價(jià)值。

2.2 測(cè)量操作簡單，耗時(shí)少

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在工程測(cè)量中的運(yùn)用越來越廣泛，適用范圍很廣，只要覆蓋衛(wèi)星信號(hào)，并且可以進(jìn)行信號(hào)接收的地方，都可以進(jìn)行工程測(cè)量，并且該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用的時(shí)候操作十分簡單，受到外界因素的干擾也比較小。人工測(cè)量受到人員和技術(shù)、設(shè)備的影響，在一些惡劣天氣、危險(xiǎn)地形區(qū)域中的測(cè)量難度會(huì)比較大，并且容易在外界因素的干擾下發(fā)生測(cè)量誤差，進(jìn)而對(duì)工程建設(shè)精度和質(zhì)量造成影響。而全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)無需測(cè)量人員到達(dá)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，可以在任何天氣、任何環(huán)境下進(jìn)行工程測(cè)量，實(shí)時(shí)開展工程測(cè)量工作，工作耗時(shí)少。相比于全站儀、經(jīng)緯儀技術(shù)而言，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)十分明顯，打破了時(shí)空限制，并且外部影響因素少，測(cè)量精度得到了保障。

2.3 量測(cè)站點(diǎn)之間無需通視

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在工程測(cè)量中進(jìn)行運(yùn)用時(shí)，使用者需要在專門的軟件上對(duì)衛(wèi)星信號(hào)接收設(shè)備獲得的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行分析與處理，并得到自己需要的定位信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位。在具體運(yùn)用的過程中，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的多個(gè)測(cè)量站點(diǎn)之間，無需進(jìn)行通視，彼此之間的設(shè)立和運(yùn)行顯得十分靈活，給工程測(cè)量工作人員也帶去了極大的便利條件。但是，在使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的過程中，需要特別注意的是測(cè)量站點(diǎn)的上空應(yīng)該保證一定的開闊性，盡量選擇在上空開闊的地點(diǎn)，避免建筑物、樹木等高大物體的遮擋，減少對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的干擾，提高定位精度和速度[4]。

2.4 可以進(jìn)行三維坐標(biāo)顯示

在工程測(cè)量中應(yīng)用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)顯示，不僅可以很好地完成平面位置觀測(cè)和定位工作，而且可以在大地高程方面進(jìn)行有效運(yùn)用，精準(zhǔn)測(cè)量各種定位數(shù)據(jù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高程擬合測(cè)量。并且在實(shí)際應(yīng)用過程中無需考慮時(shí)間和地點(diǎn)的干擾，進(jìn)行全天候測(cè)量，以此保證工程測(cè)量的連續(xù)性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量對(duì)象的微小變化，并通過三維仿真地形圖進(jìn)行呈現(xiàn)，為工程建設(shè)提供有效依據(jù)。

3 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）工程測(cè)量原理

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的工程測(cè)量原理并不復(fù)雜，首先需要將地球外部的衛(wèi)星位置作為已知點(diǎn)，然后衛(wèi)星會(huì)對(duì)自己與地球內(nèi)部測(cè)量點(diǎn)之間的距離進(jìn)行測(cè)算，最后通過交會(huì)原理去計(jì)算工程測(cè)量點(diǎn)的具體三維坐標(biāo)，完成工程測(cè)量。具體來看，衛(wèi)星通過電磁波的形式將測(cè)量到的衛(wèi)星與地面測(cè)量點(diǎn)之間的位置信息發(fā)送出來，被地面上的衛(wèi)星信號(hào)接收裝置獲取，并跟隨衛(wèi)星的移動(dòng)得到不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的位置信息數(shù)據(jù)，通過相關(guān)的計(jì)算公式得到地面測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

4 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）在工程測(cè)量中的實(shí)踐運(yùn)用

4.1 工程變形監(jiān)測(cè)

在工程建設(shè)的過程中，受到地形、技術(shù)、人為施工操作等因素的影響，經(jīng)常會(huì)發(fā)生工程變形問題，導(dǎo)致工程空間位置出現(xiàn)移動(dòng)，影響工程建設(shè)質(zhì)量。所以，為了做好工程變形監(jiān)測(cè)，就可以在工程建設(shè)施工和竣工驗(yàn)收的時(shí)候，合理應(yīng)用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行工程變形監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑物移位、建筑物變形等問題，及時(shí)采取有效措施進(jìn)行補(bǔ)救，避免出現(xiàn)大的工程事故，或者導(dǎo)致建筑物無法通過驗(yàn)收[5]。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有三維定位的典型應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，是目前工程變形監(jiān)測(cè)中使用十分廣泛的一種技術(shù)手段，獲得了良好的監(jiān)測(cè)效果。尤其是在建筑物地下空間得到有效開發(fā)以后，超深基坑的設(shè)計(jì)和應(yīng)用逐漸多了起來，基坑深度往往都超過了10m，在施工的過程中必須做好支護(hù)工作，基坑支護(hù)效果直接決定了工程建設(shè)的成敗，因此需要特別注意深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)，例如水平位移監(jiān)測(cè)和沉降監(jiān)測(cè)等。

4.2 水準(zhǔn)測(cè)量

工程建設(shè)過程中經(jīng)常會(huì)建立高程控制網(wǎng)，傳統(tǒng)建立方法是水準(zhǔn)測(cè)量，需要進(jìn)行野外作業(yè)，測(cè)量工作量大，并且容易受到地形、外界自然條件以及通視等方面的影響，測(cè)量精度不是很高，并且耗時(shí)費(fèi)力，測(cè)量成本較高。而使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，則可以很好的規(guī)避傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量法的應(yīng)用弊端，并且測(cè)量操作十分簡單，工作效率高，費(fèi)用低，受到外界條件因素的干擾非常小，實(shí)用性很好[6]。在使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量的時(shí)候，主要涉及到兩方面內(nèi)容，一方面是對(duì)大地高度進(jìn)行測(cè)量，另一方面需要借助其他測(cè)量和計(jì)算技術(shù)對(duì)大地水準(zhǔn)面差距以及高程異常進(jìn)行確定。常用的輔助技術(shù)包括全球重力場(chǎng)模型，將其與重力數(shù)據(jù)、水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果和精密水準(zhǔn)資料結(jié)合起來，可以建立一個(gè)區(qū)域性的水準(zhǔn)面模型。傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量方式通常是幾何水準(zhǔn)測(cè)量，在測(cè)量的過程中需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，并且容易受到外界因素的干擾，影響測(cè)量精度，例如地形限制、工作條件限制等，使得水準(zhǔn)測(cè)量工作效率下降。使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，可以充分發(fā)揮出高程擬合測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行接收和處理的方法，快速、準(zhǔn)確輸出水準(zhǔn)點(diǎn)高程測(cè)量結(jié)果，既保證了測(cè)量的精度，又提高了測(cè)量的效率。

4.3 工程竣工測(cè)量

工程建設(shè)完工以后，需要全方面的進(jìn)行工程竣工測(cè)量，包括總平面圖、建筑高度與層高以及道路管線等多個(gè)測(cè)量項(xiàng)目。其中，在對(duì)建筑工程總平面圖進(jìn)行竣工測(cè)量的時(shí)候，需要對(duì)工程占地實(shí)際面積和基層面積等進(jìn)行確定。并且需要準(zhǔn)確測(cè)量建筑高度和層高，與施工規(guī)劃圖紙進(jìn)行一一比對(duì)，確保施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)，并且滿足設(shè)計(jì)要求。道路和管線的鋪設(shè)走向在建筑工程中具有重要意義，也需要進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，確保其位置不出現(xiàn)偏差，符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在工程竣工測(cè)量中的運(yùn)用需要立足于成圖比例，在統(tǒng)一平面坐標(biāo)系中要保證測(cè)量數(shù)據(jù)和工程區(qū)域內(nèi)的基礎(chǔ)地理信息達(dá)到吻合以后，再對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行保存。實(shí)際測(cè)量過程中，為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，需要首先得到有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的使用權(quán)，合理選擇E 級(jí)控制點(diǎn)，確定好測(cè)量距離，做好集中矯正，并且在測(cè)量計(jì)算中控制好誤差，保證工程竣工測(cè)量工作順利開展[7]。

4.4 工程測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)高度仿真

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在工程測(cè)量中的運(yùn)用十分可靠，對(duì)于測(cè)量人員的技術(shù)要求也不是特別高，并且不會(huì)受到測(cè)量環(huán)境和條件的過分影響，可以提高測(cè)量精度和效率。在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)具體運(yùn)用的過程中，可以靈活運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)去進(jìn)行工程測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的高度仿真，有助于提高工程測(cè)量的精度和測(cè)繪效率，使得工程測(cè)量變得更加直觀和容易，操作簡單快捷，為工程建設(shè)提供了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的工程數(shù)據(jù)參數(shù)，確保了工程建設(shè)的順利開展。工程測(cè)量人員可以使用相關(guān)的專業(yè)軟件，對(duì)測(cè)量得到的各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速分析和處理，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行高度仿真，幫助測(cè)量人員對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和研究，發(fā)現(xiàn)測(cè)量問題，找到原因，并制定方案予以及時(shí)解決，不斷提升工程測(cè)量準(zhǔn)確度。

4.5 地形圖測(cè)繪以及施工放樣

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的具體應(yīng)用過程，經(jīng)常會(huì)利用到載波相位差分技術(shù)（RTK），可以對(duì)兩個(gè)測(cè)量站點(diǎn)之間的載波相位監(jiān)測(cè)量進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，進(jìn)而輔助施工放樣和地形圖測(cè)繪。載波相位差分系統(tǒng)是由已知坐標(biāo)的基準(zhǔn)站和用戶接收機(jī)組成的，在進(jìn)行地形圖繪制或者施工放樣的時(shí)候，基準(zhǔn)站會(huì)將獲得的載波相位實(shí)時(shí)發(fā)送到用戶接收機(jī)上，測(cè)量人員就可以根據(jù)得到的準(zhǔn)確信息數(shù)據(jù)進(jìn)行差分計(jì)算，求解得到用戶接收機(jī)的位置坐標(biāo)。在使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行地形圖測(cè)繪時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)單人作業(yè)，操作簡單、快速，可以實(shí)時(shí)將測(cè)定好的數(shù)據(jù)反饋到計(jì)算機(jī)上，例如地形、地物特點(diǎn)，使用專業(yè)的制圖軟件進(jìn)行地形圖繪制，得到最終的成果圖[8]。另外，在使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行地形圖測(cè)繪的時(shí)候，尤其是大比例尺地圖的繪制，測(cè)繪人員可以在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的任意具有衛(wèi)星信號(hào)覆蓋，并且可以接受衛(wèi)星信號(hào)的位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集耗費(fèi)的時(shí)間僅為幾秒鐘，可以快速獲取測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)高程，并結(jié)合其它方面的數(shù)據(jù)去完成大比例尺地形圖的繪制。

5 結(jié)束語

綜上所述，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）是目前廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量的先進(jìn)技術(shù)之一，具有諸多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，例如定位準(zhǔn)確、測(cè)量精度高、操作簡單、便于攜帶以及全天候工作等，大大提高了工程測(cè)量的效率與質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）的應(yīng)用也會(huì)越來越成熟，系統(tǒng)功能也會(huì)逐漸豐富和拓展，適用范圍不斷擴(kuò)大，促進(jìn)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，進(jìn)一步改善工程測(cè)量工作環(huán)境和條件，提高整體工作效果。