GNSS測繪技術的特點及其在工程測繪中的運用

作者簡介：張盟（1986—），男，本科，工程師，研究方向為工程測繪。

摘 要：GNSS測繪技術在工程測繪中的應用，有著高精度、操作簡便快捷、自動化程度高的特點，使得該項技術在工程變形監(jiān)測、放線定位、測繪模擬、工程復測等環(huán)節(jié)中得到了廣泛的應用，極大提高了工程測繪的精度、質量與效率。該文針對GNSS技術的特點，以及其在工程測繪中多個測量環(huán)節(jié)中的應用進行了分析，以充分發(fā)揮出GNSS測繪技術的優(yōu)勢，實現(xiàn)工程測繪的提質增效。

關鍵詞：GNSS測繪技術 ?GNSS系統(tǒng)結構 ?工程測繪 ?全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)

中圖分類號：P25 ??????????文獻標識碼：A ??????????文章編號：1672-3791（2021）12（c）-0000-00

Abstract： The application of GNSS surveying and mapping technology in engineering surveying and mapping has the characteristics of high precision， simple and fast operation， and high degree of automation. This technology has been used in engineering deformation monitoring， line positioning， surveying and mapping simulation， engineering re-surveying and other links. The wide application greatly improves the accuracy， quality and efficiency of engineering surveying and mapping. This article analyzes the characteristics of GNSS technology and its application in multiple measurement links in engineering surveying and mapping， so as to give full play to the advantages of GNSS surveying and mapping technology and realize the improvement of quality and efficiency of engineering surveying and mapping.

Key Words： GNSS surveying and mapping technology; GNSS system structure; Engineering surveying and mapping; Global navigation satellite system

GNSS為全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，借助超過4顆衛(wèi)星偽距、星歷等的觀測量，結合地面用戶的鐘差，進行地表事物的精確定位。將GNSS與測繪技術相結合，運用GNSS實時定位、精確測量三維坐標的優(yōu)勢，促使工程測繪由靜態(tài)轉化為動態(tài)，提高工程測繪的實效性。因此，針對GNSS系統(tǒng)結構與其測繪技術特點的分析，明確GNSS測繪技術運用的原理，探尋其在工程測繪中應用的關鍵點和方向，促進該技術在工程測繪領域應用深度的不斷增加，實現(xiàn)該項技術應用最大化的經濟價值。

1 ?GNSS系統(tǒng)結構分析

1.1 地面控制部分

地面控制部分支撐著整個GNSS系統(tǒng)的運行，其組成結構主要有4個部分：一是主控站，通常只有一個，為地面控制的核心，管理與協(xié)調地面控制系統(tǒng)，獲取監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)，編寫導航電文，然后傳遞給注入站，由注入站將衛(wèi)星星歷傳輸給衛(wèi)星，以及進行衛(wèi)星的日常維護工作等;二是監(jiān)控站，地面控制部分需設置多個監(jiān)控站，是GNSS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分，接收衛(wèi)星反饋的數(shù)據(jù)，主要的功能是測量衛(wèi)星偽距，然后進行修正、處理、壓縮，反饋給主控站，并可記錄和監(jiān)測氣象元素;三是注入站，主要的作用是接收主控站的導航電文，當衛(wèi)星經過其上空時，注入站借助發(fā)射天線將電文發(fā)送給衛(wèi)星，也可發(fā)送其他命令;四是通信與輔助系統(tǒng)，主要負責通信和輔助服務，由地面通信線、海底電纜、衛(wèi)星通信等組成。

1.2 用戶部分

用戶部分有GPS接收機、氣象儀器、計算機等組成，其中接收機有兩個部分：一是天線單元，主要是接收天線與前置放大器;二是接收單元，有著接收數(shù)據(jù)的作用，組成結構為信號通道、存儲器、微處理器、輸入輸出設備、電源等，主要的功能有跟蹤、處理、測量、存儲衛(wèi)星信號，計算出用戶的三維坐標、運動速度等。接收機體積較小、攜帶方便，為其在工程測繪中的應用提供了有利的條件。

1.3空間部分

空間部分主要是指衛(wèi)星，也是GNSS中最為重要的一部分，由數(shù)量眾多的衛(wèi)星組成，比如中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，在軌組網(wǎng)衛(wèi)星有53顆，可在全球范圍內提供穩(wěn)定的服務。GNSS系統(tǒng)空間主要由以下兩個部分組成：一是衛(wèi)星星座，是衛(wèi)星運行的軌道面;二是設計星座，設有多個工作衛(wèi)星，以及幾個備用衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星全體候的觀測活動。衛(wèi)星的具體功能有接收與存儲導航電文，進行導航定位，接收主控站的命令后開展活動，以及具有通信的作用等。

1.4 GNSS系統(tǒng)工作機制

GNSS有多種定位原理，在工程測繪中使用的是載波相位時差分原理，也就是指RTK技術，由一個基準站和多個移動站組成，每個站點上設有接收器，基準站為核心，移動站根據(jù)工程測繪的需要進行監(jiān)測設置。所有的站點都可向衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)，或者是接收衛(wèi)星反饋數(shù)據(jù)，同時基準站借助通信系統(tǒng)采集移動站獲取的數(shù)據(jù)信息，通過對采集數(shù)據(jù)的處理和計算后，得到監(jiān)測點的三維坐標。在實際工程測繪中，先確定監(jiān)測點，接著進行移動站的布置，對監(jiān)測點進行動態(tài)測量，觀察跟蹤測量的衛(wèi)星需超過4顆，才可獲取到監(jiān)測點實時精確的三維坐標。

2 ?GNSS測繪技術的特點

GNSS測繪技術借助衛(wèi)星進行測量、觀測活動，不受天氣變化的影響，可以對監(jiān)測點進行不間斷、持續(xù)動態(tài)監(jiān)測，在保證測量精度的同時，觀測站之間無需建立通視，測量簡單便捷，具備在工程測繪中應用的先天優(yōu)勢。GNSS測量精度非常高，通常在毫米以內[1]。GNSS針對不規(guī)則的測量區(qū)域沿著其區(qū)域邊緣進行航跡測量，可獲取到該區(qū)域精確的面積。GNSS在完成測繪區(qū)域的數(shù)據(jù)采集后，使用計算機軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，直接自動計算與成圖，測繪計算分析的自動化水平較高，極大提高了工程測繪工作的質效。

2.1高精度定位

GNSS在工程測繪中，使用衛(wèi)星進行地面事物的精確定位，在靜態(tài)測量中其測量精確度達到了毫米級別。與傳統(tǒng)的測繪技術相比，GNSS測量顯現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢。GNSS動態(tài)測量精度為厘米級別，測量精度同樣好于傳統(tǒng)測量方法，使得GNSS測繪技術在工程測繪中應用越來越多，尤其是在工程變形監(jiān)測中的運用，實現(xiàn)全天候、實時監(jiān)測，對工程變形進行全過程的精確監(jiān)測，提高了工程建設的成效。

2.2操作簡便快捷

GNSS接收機的體積小、攜帶方便、操作簡單，在實際的測量中，技術人員只需在現(xiàn)場打開接收機，就可接收和存儲衛(wèi)星傳遞的數(shù)據(jù)，完成測量后直接關閉設備，就可完成一項測量任務。整個數(shù)據(jù)采集過程只需要幾分鐘，測量的時間效益明顯。目前，GNSS測繪技術的成熟度較高，與計算機技術、網(wǎng)絡通信技術相結合，數(shù)據(jù)采集、處理、分析的速度更快，在工程測繪中表現(xiàn)出了非常好的實效性。

2.3應用范圍廣

GNSS測繪技術在測繪領域應用的范圍廣，像地理數(shù)據(jù)采集，為社會生產活動提供空間信息，包括了航海航線的制定，國土資源調查，公路、鐵路線路的確定，為這些行業(yè)提供精確的空間信息。在測量領域，工程測量、資源勘察、大地測量、海洋工程測量等中都可應用，其測量精確度高且無需通視，測量過程不受氣候和地表事物等的影響，使得該項技術未來應用前景非常廣闊。

2.4自動化程度高

GNSS測繪技術應用了衛(wèi)星技術、計算機技術、移動通信技術等，自動化水平高。地面部分自動進行衛(wèi)星數(shù)據(jù)的傳遞和接收，主控站、監(jiān)測站、注入站等之間借助通信系統(tǒng)進行信息交互，人工操作較少[2]。測繪人員使用接收器在工程測繪現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集，與GNSS系統(tǒng)中的多顆衛(wèi)星建立通信，采集到工程測繪所需的各項信息，數(shù)據(jù)采集過程不受氣候與外部客觀環(huán)境的影響，保證了測量的精確度。GNSS測繪技術實現(xiàn)了計算機技術、衛(wèi)星技術、信息技術等的融合，數(shù)據(jù)自動采集、自動處理，然后自動計算，自動生成圖像，完全滿足了工程測繪的各項需求。

3 ?GNSS測繪技術在工程測繪中的運用分析

3.1變形監(jiān)測中的運用

工程施工過程中的地基開挖，會對周圍土體造成擾動，有引發(fā)位移、坍塌、滑坡等風險，采用人工監(jiān)測手段，監(jiān)測存在一定的誤差。如果通過肉眼觀察到地基發(fā)生了變形，那么說明地基的變形程度已經非常大，后續(xù)補救的難度較高。通常工程建設的規(guī)模大，資金投入多，如果出現(xiàn)地基變形問題，不但增加工程造價，還會延誤工程進度，對于工程建設效益產生不利的影響，因此，需要保證變形監(jiān)測的精確度與實時性，形成對工程建設的有效把控。采用GNSS測繪技術后，對地基進行實時的監(jiān)測，精確地基的三維坐標，當?shù)鼗鴺顺霈F(xiàn)較大的變化時，說明地基發(fā)生變形。地基變形監(jiān)測人員通過持續(xù)的三維坐標監(jiān)測，及時獲取地基發(fā)生的變化，以便于及時采取預防與處理手段，最大限度地降低地基變形導致的工程損失。

3.2放線定位中的運用

在工程建設前期，需要測量人員根據(jù)工程設計的要求，進行大量的實地放線測量定位等工作，人工放線定位存在一定的人為誤差，并且工作效率較低。在此環(huán)節(jié)使用GNSS測繪技術，提高放線定位精度的同時，可提升放線定位的工作效率。GNSS測繪技術操作簡單快捷，放線定位人員將放線定位參數(shù)輸入至GNSS測繪設備中[3]，經過計算確定放線定位的坐標，放線人員根據(jù)三維坐標完成相應的測量放線工作。

3.3精密測量中的應用

工程測繪的精確性保證著工程建設的質量，同時工程測繪數(shù)據(jù)信息也是工程設計與工程施工的基礎，其對工程建設質量有著最為直接的影響。GNSS具有全天候、實時精確測量的技術特點，運用GNSS測繪技術開展工程的精密測量，將測量數(shù)據(jù)精確到毫米級，甚至是亞毫米級，以為工程設計、工程施工方案的深化提供有效的數(shù)據(jù)支撐，打造出高品質的工程項目，實現(xiàn)工程建設效益的最大化。

3.4工程復測中的應用

工程復測的內容有平面控制點、高程、放樣樁位、施工邊界、橫斷面等。完成復測后，還需填寫相應的記錄表，確定復測無誤后將整理的復測資料上交給工程監(jiān)理部。為了保證復測的精確度和效率，在此環(huán)節(jié)可使用GNSS測繪設備，對每個復測項目進行測量精度的控制，避免復測環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差。

3.5測繪模擬中的運用

GNSS測繪技術中的模擬技術，是借助信號仿真器進行工程測繪的模擬，屬于一種測試與開發(fā)工具。仿真模擬工程測繪環(huán)境，進行GNSS接收機的研發(fā)，在實驗室環(huán)境下，使用模擬技術發(fā)射不同的衛(wèi)星信號，對接收機接收信號的過程進行調整和改善，進一步地增強接收機的功能性。在工程測繪中應用該項技術，可實現(xiàn)測繪過程的優(yōu)化，一是使用仿真器接收模擬衛(wèi)星信號，通過數(shù)據(jù)的分析后，存儲至GNSS接收機中，作為工程測繪的信號資料[4];二是通過模擬工程測繪的衛(wèi)星信號，虛擬一個工程測繪環(huán)境，為工程測繪GNSS接收機的研發(fā)提供依據(jù);三是使用仿真器構建工程環(huán)境模型，模型中主要包括了工程所在的位置，地理、氣候環(huán)境等，以公路工程為例，公路處于陡峭的山路上，測繪時出現(xiàn)了降雨，可以使用仿真器進行該環(huán)境的模擬，構建工程環(huán)境模型開展工程測繪，測繪人員無需進入現(xiàn)場就可完成測繪工作，避免了野外測繪的安全風險。在工程測繪中應用GNSS仿真器時，在計算機軟件中構建一個仿真的工程測繪環(huán)境，虛擬每個測繪環(huán)節(jié)，通過模型進行工程測繪細節(jié)的控制，像工程建設中的安全風險點，提前標識在三維模型中，作為后續(xù)實際施工中的參考，降低施工中安全事故發(fā)生的概率[5-6]。

4 ?結語

GNSS測繪技術融合了當下最為先進的技術，包括了衛(wèi)星技術、通信技術、計算機技術等，在全球范圍內提供服務。GNSS系統(tǒng)在地面設置主控站、監(jiān)測站、注入站，在空間布置衛(wèi)星系統(tǒng)，用戶端使用接收機與接收天線，完成與地面控制部分、空間部分的連接，實現(xiàn)GNSS為用戶提供服務的目的。GNSS測繪技術在工程測繪中的運用，充分利用了GNSS測繪技術的特點，為工程提供精確的三維坐標測繪服務，保證了工程放線測量定位的精確性，實時監(jiān)測工程變形，避免工程位移與坍塌問題，以及在精密測量與復測中的應用，進一步地提升了工程測繪的精確性與質效，對工程建設效益的提升有著積極的促進性作用。

參考文獻

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